一种齿轮式电传前轮操纵系统精度的工程计算方法与流程

本发明属于飞机着陆系统中的前轮操纵系统的技术领域，具体涉及一种齿轮式电传前轮操纵系统精度的工程计算方法。

背景技术：

在飞机整个飞行阶段，最关键的是起飞和着陆阶段，在这两个阶段飞机的安全主要靠起落架有效工作，而提高起飞滑跑和着陆滑行中前轮操纵系统精度是提高飞机关键阶段安全的主要手段。为了使前轮操纵系统最终具有较高的精度和可靠性，需要设计人员在前轮操纵系统设计的方案阶段、详细初步设计阶段和详细设计阶段对整个系统精度进行工程计算，及时改进相关设计参数。

在方案设计中通常很难把控前轮操纵系统所能达到的精度，以往的做法有：

1.经验法进行估计，这需要设计者有丰富的设计经验，或在以往设计中有相类似的前轮操纵系统已经得到应用的，可类比的方式推断方案设计阶段设计的整个操纵系统的精度。

2.搭建起落架系统、前轮操纵系统等相关系统的模型，进行动力学仿真分析，这在方案设计的初期往往很难建立完善的可靠地动力学模型，因而该方法在设计阶段能难以得到可靠的计算结果，并且整个动力学建模任务庞大、效率不高。

鉴于经验法估计操纵系统精度对一般设计者有较大难度，而建立动力学模型之复杂又很难建立完善，因此提出了一种针对齿轮传动式电传操纵系统精度的工程计算方法，可有效解决精度计算问题，为设计者在方案设计阶段提供数据支持和改进设计的方向。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种齿轮式电传前轮操纵系统精度的工程计算方法，解决了现阶段无直接估算中心距误差对角度误差影响的这一问题，更加真实的反映不同齿的误差。

本发明主要通过以下技术方案实现：一种齿轮式电传前轮操纵系统精度的工程计算方法，根据齿轮的中心距偏差计算得到齿轮重合度，由齿轮重合度误差可计算得到齿轮位置误差的均值和方差；根据位置误差的均值和方差，按实际齿轮啮合齿对生成相同齿对的随机数，从中找寻误差最大的一组齿对，并经过迭代，找到误差最大的一对齿，得到由中心距误差得到的位置误差最大值；同时叠加上侧隙带来的误差，即可得到总位置误差，进行转化得到角度误差值。

为了更好的实现本发明，进一步的，首先计算一级齿轮减速带来的角度误差，然后分别计算不同级齿轮的角度误差并按传动比进行叠加，最终得到整个减速机构的角度误差，主要包括以下步骤：

步骤s1：首先计算输出级齿轮的中心距偏差，

步骤s2：计算步骤s1中的中心距偏差带来的重合度偏差；

步骤s3：计算位置误差的均值和方差；

步骤s4：根据步骤s3中计算的误差的均值和方差以及实际参与啮合的输出级齿轮齿对数生成随机数；并两两组合找寻误差最大的一对齿轮，该过程多次迭代，选取误差最大的一对齿；

步骤s5：查齿轮手册找到所选取齿轮精度等级下的齿轮侧隙，将侧隙叠加到步骤s4的误差中得到这一级传动总位置误差；从而计算这一级传动的角度误差；

步骤s6：将不同级传动带来的角度误差传递到起落架上叠加得到整个减速机构的角度误差。

为了更好的实现本发明，进一步的，所述步骤s1中依据实际尺寸，画出前轮操纵机电作动器与前起落架配合中的尺寸链，从而计算得到输出级齿轮的中心距偏差。

根据权利要求1所述的一种齿轮式电传前轮操纵系统精度的工程计算方法，其特征在于，根据公式(1)-公式(5)计算中心距偏差带来的重合度偏差：

a＝m×(z1+z2)(5)

式中：

αa1、αa2分别为两齿轮齿顶圆处渐开线展角；

r1、r2为两齿轮基圆半径；

ra1、ra2为两齿轮齿顶圆半径；

α'为中心距变动后的啮合角；

a为标准中心距离；a′为变动后的中心距；

εa为中心距变动后的重合度。

为了更好的实现本发明，进一步的，根据(6)-公式(11)计算位置误差的均值和方差：

e(fpb)＝0(8)

式中：

e(ff)、d(ff)分别为齿形误差引起的位置误差均值和方差；

e(fpb)、d(fpb)分别为基节偏差所产生的齿轮固有位置误差的均值和方差；

e(ef)、d(ef)分别为齿形误差、基节偏差组合成的齿轮短周期误差均值和方差。为了更好的实现本发明，进一步的，计算角度误差的公式如下：

式中：

alphaw为位置误差带来的角度误差；

s为总位置误差；

m为起落架齿轮模数；

z为起落架齿轮输出齿轮的齿数。

为了更好的实现本发明，进一步的，整个减速机构的角度误差的计算公式如下：

alpha＝i1/u2/u3/u4+i2/u3/u4+i3/u4+i4(13)

式中：

alpha为传递到起落架上的角度误差；

i1为第一级减速的角度误差；

i2为第二级减速的角度误差；

u2为传动比；

i3为第三级减速的角度误差；

u3为传动比；

i4为输出级的角度误差；

u4为传动比。

为了使前轮操纵系统最终具有较高的精度和可靠性，需要设计人员在设计的各阶段对整个系统的精度进行估算，以及时改进调整和改善设计。以往的做法主要是经验法和搭建动力学模型法，对设计者要求高、任务量庞大、计算效率低且计算精度不高。

针对已有无人机的前轮操纵系统，本发明设计提出了精度估算方法(1)，可适用于常用的齿轮式电传前轮操纵系统，分执行机构误差、传感器误差和控制盒误差三个方面估算。其中执行机构误差的计算方法综合考虑齿轮齿形、齿轮精度、齿轮中心距误差等影响，解决了现阶段无直接估算中心距误差对角度误差影响的这一问题，更加真实的反映不同齿的误差。该计算方法效率高、精度高、方便快捷，可为设计者提供可靠地前轮操纵系统精度估算，为设计改进提供依据。

本发明具有计算精确，实用性强，操作方便，计算效率高等特点。可为设计人员详细设计阶段提供改进设计的依据，适用于目前最常用的执行机构为齿轮减速的齿轮传动式前轮操纵系统。此外，执行机构部分的计算方法同样可用于齿轮减速机构的误差分析和计算，为设计者改进改型提供重要依据。

前轮操纵系统包含执行机构部分和控制盒部分。由于整个前轮操纵系统在实际应用中，根据反馈传感器的反馈角度，由控制盒进行转弯角度控制。因此前轮操纵系统转弯角度误差主要是反馈传感器后端减速级机械部分加工和装配误差导致的误差、执行机构中反馈传感器误差、控制盒控制精度引起的误差。针对这三部分误差分别进行分析和计算。

执行机构通常是电机通过减速机构减速后，将放大的扭矩传递至起落架。减速机构通常为：直齿减速机构、行星减速机构、蜗轮蜗杆减速机构、滚珠丝杠机构、谐波齿轮传动等在新研机型的前轮操纵系统为增加系统安全可靠性，更倾向于使用成熟的技术和元件。因此，目前常用的前轮操纵系统执行机构多为较成熟的直齿轮减速机构和行星减速机构。

针对这一形式的减速机构，通常前轮操纵系统的减速机构不止一级，首先要能较为精确的计算一级齿轮减速带来的角度误差，然后分别计算不同级齿轮的角度误差并按传动比进行叠加，最终得到整个减速机构的角度误差。

如何定量分析中心距误差对减速机构误差的影响是难点之一，目前尚未有方法可直接计算得到。经研究，齿轮的中心距偏差直接影响齿轮重合度，由齿轮重合度误差可计算得到齿轮位置误差的均值和方差。根据位置误差的均值和方差，按实际齿轮啮合齿对生成相同齿对的随机数，从中找寻误差最大的一组齿对，并经过迭代，找到最差的(即误差最大)的一对齿，得到由中心距误差得到的位置误差最大值。同时叠加上侧隙带来的误差，即可得到总位置误差，进行转化得到角度误差值。

通过这种间接的方法同时真实反映实际齿的误差，这种方法填补了中心距误差对减速机构误差影响计算方法的空白。为简化计算、提高效率和准确度，编制了通用的计算中心距误差对减速机构误差影响的matlab程序，实现真正的快速高效精确的估算。得到不同级齿轮减速的角度误差后进行叠加，得到整个执行机构中机械部分引起的角度误差。

反馈传感器角度误差估算，常用的为压电式传感器。在一定角度范围内(通常在实际使用中为保证精度，不允许超过这一范围使用)，电压与角度成正比。一般的产品出厂会给出角度控制盒在设计时通常会设置截止精度，即接近转弯角度一定范围内就不再控制电机继续转动。

本发明的有益效果：

(1)本发明解决了现阶段无直接估算中心距误差对角度误差影响的这一问题，更加真实的反映不同齿的误差。

(2)提出了一种可用于计算齿轮传动中由尺寸公差、配合公差等带来的角度误差，与传统的需要通过动力学建模仿真分析或经验法评估的方式相比，具有计算方便快捷、计算精度高的优势，该方法不仅可用作计算齿轮传动的角度误差，也可用作齿轮式电传前轮转弯系统的角度误差。

(3)本发明提出了一整套的齿轮式电传前轮操纵系统角度误差计算方法和流程，该方法一方面可作为对系统角度误差的评估，另一方面能够作为改进前起落架和前轮操纵机电作动器配合公差的工具，指导设计，避免公差选择不合理带来的齿轮卡死等一级致命故障。

附图说明

图1为本发明的计算流程图。

具体实施方式

实施例1：

一种齿轮式电传前轮操纵系统精度的工程计算方法，根据齿轮的中心距偏差计算得到齿轮重合度，由齿轮重合度误差可计算得到齿轮位置误差的均值和方差；根据位置误差的均值和方差，按实际齿轮啮合齿对生成相同齿对的随机数，从中找寻误差最大的一组齿对，并经过迭代，找到误差最大的一对齿，得到由中心距误差得到的位置误差最大值；同时叠加上侧隙带来的误差，即可得到总位置误差，进行转化得到角度误差值。

本发明解决了现阶段无直接估算中心距误差对角度误差影响的这一问题，更加真实的反映不同齿的误差。本发明提出了一种可用于计算齿轮传动中由尺寸公差、配合公差等带来的角度误差，与传统的需要通过动力学建模仿真分析或经验法评估的方式相比，具有计算方便快捷、计算精度高的优势，该方法不仅可用作计算齿轮传动的角度误差，也可用作齿轮式电传前轮转弯系统的角度误差。

实施例2：

本实施例是在实施例1的基础上进行优化，如图1所示，首先计算一级齿轮减速带来的角度误差，然后分别计算不同级齿轮的角度误差并按传动比进行叠加，最终得到整个减速机构的角度误差，主要包括以下步骤：

步骤s1：首先计算输出级齿轮的中心距偏差，所述步骤s1中依据实际尺寸，画出前轮操纵机电作动器与前起落架配合中的尺寸链，从而计算得到输出级齿轮的中心距偏差；

步骤s2：计算步骤s1中的中心距偏差带来的重合度偏差；

步骤s3：计算位置误差的均值和方差；

步骤s4：根据步骤s3中计算的误差的均值和方差以及实际参与啮合的输出级齿轮齿对数生成随机数；并两两组合找寻误差最大的一对齿轮，该过程多次迭代，选取误差最大的一对齿；

例如主动轮齿数17，从动轮齿数20，分别生成随机数分别为w1,w2,w3……w17以及ww1,ww2,……ww20，两两组合，w1与ww1(误差值为w1-ww1),w2与ww2(误差值为w2-ww2)……；w1与ww2(误差值为w1-ww2),w2与ww3(误差值为w2-ww3),……；……直到w1与ww20(误差值为w1-ww20),w2与ww1(误差值为w2-ww1)……。分别计算两两组合的误差值，找到误差最大的一对齿。

步骤s5：查齿轮手册找到所选取齿轮精度等级下的齿轮侧隙，将侧隙叠加到步骤s4的误差中得到这一级传动总位置误差；从而计算这一级传动的角度误差；

步骤s6：将不同级传动带来的角度误差传递到起落架上叠加得到整个减速机构的角度误差。

本发明提出了一整套的齿轮式电传前轮操纵系统角度误差计算方法和流程，该方法一方面可作为对系统角度误差的评估，另一方面能够作为改进前起落架和前轮操纵机电作动器配合公差的工具，指导设计，避免公差选择不合理带来的齿轮卡死等一级致命故障。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例是在实施例2的基础上进行优化，根据公式(1)-公式(5)计算中心距偏差带来的重合度偏差：

a＝m×(z1+z2)(5)

式中：

αa1、αa2分别为两齿轮齿顶圆处渐开线展角；

r1、r2为两齿轮基圆半径；

ra1、ra2为两齿轮齿顶圆半径；

α'为中心距变动后的啮合角；

a为标准中心距离；a′为变动后的中心距；

εa为中心距变动后的重合度。

根据(6)-公式(11)计算位置误差的均值和方差：

e(fpb)＝0(8)

式中：

e(ff)、d(ff)分别为齿形误差引起的位置误差均值和方差；

e(fpb)、d(fpb)分别为基节偏差所产生的齿轮固有位置误差的均值和方差；

e(ef)、d(ef)分别为齿形误差、基节偏差组合成的齿轮短周期误差均值和方差。

按照公式(12)将位置误差s转换为角度误差alphaw，该误差即为这一级传动的角度误差：

式中：

alphaw为位置误差带来的角度误差；

s为总位置误差；

m为起落架齿轮模数；

z为起落架齿轮输出齿轮的齿数。

本发明解决了现阶段无直接估算中心距误差对角度误差影响的这一问题，更加真实的反映不同齿的误差。本发明提出了一种可用于计算齿轮传动中由尺寸公差、配合公差等带来的角度误差，与传统的需要通过动力学建模仿真分析或经验法评估的方式相比，具有计算方便快捷、计算精度高的优势，该方法不仅可用作计算齿轮传动的角度误差，也可用作齿轮式电传前轮转弯系统的角度误差。

本发明提出了一整套的齿轮式电传前轮操纵系统角度误差计算方法和流程，该方法一方面可作为对系统角度误差的评估，另一方面能够作为改进前起落架和前轮操纵机电作动器配合公差的工具，指导设计，避免公差选择不合理带来的齿轮卡死等一级致命故障。

本实施例的其他部分与上述实施例2相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例是在实施例2或3的基础上进行优化，常用的齿轮式电传前轮操纵系统，分执行机构误差、传感器误差和控制盒误差三个方面估算。传感器误差按照厂家出厂时给出的不同角度范围下的误差百分比计算，用转弯角度乘以误差百分比即可得到传感器角度误差；控制盒角度误差按照软件中设置的动作精度。

齿轮式电传前轮操纵系统的角度误差是步骤s6计算的传动机构角度误差、传感器角度误差和控制盒角度误差三项相加。其中整个减速机构的角度误差的计算公式如下：

alpha＝i1/u2/u3/u4+i2/u3/u4+i3/u4+i4(13)

式中：

alpha为传递到起落架上的角度误差；

i1为第一级减速的角度误差；

i2为第二级减速的角度误差；

u2为传动比；

i3为第三级减速的角度误差；

u3为传动比；

i4为输出级的角度误差；

u4为传动比。

本发明提出了一整套的齿轮式电传前轮操纵系统角度误差计算方法和流程，该方法一方面可作为对系统角度误差的评估，另一方面能够作为改进前起落架和前轮操纵机电作动器配合公差的工具，指导设计，避免公差选择不合理带来的齿轮卡死等一级致命故障。

本实施例的其他部分与上述实施例2或3相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。