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1、第31卷第6期振动、测试与诊断Vol.31No.62011年12月Dec.2011JournalofVibration,Measurement&DiagnosisX运用超声电机的燃油调节器活门顶杆机构任杰,芦小龙,梁大志,朱华(南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京,210016)摘要设计了一种基于超声电机的燃油调节器活门顶杆机构。该机构通过滚珠丝杆与旋转型行波超声电机(trav-eling-waverotaryultrasonicmotor,简称TRUM)的输出轴相连,将电机的回
2、旋运动转化成执行元件即活门顶杆的直线运动,通过控制PSoC产生脉冲信号的个数实现了超声电机的步进驱动,可以精确调节油门的大小。针对机构的工作环境对现有的TRUM型超声电机进行了密封性改进,使其可以适用于油压工况。建立了活门顶杆的数学模型,对其进行动力学分析,并通过样机试验进行验证,得到的结果与理论分析基本一致。试验表明,该机构样机可以达到设计要求并实现纳米级的定位精度。关键词超声电机燃油调节器步进驱动定位精度中图分类号TH113超声电机进行发动机的燃油量调节,能够代替复杂引言的液压机构,取得很好
3、的效果。本文提出了基于超声电机的燃油调节器活门顶杆机构的设计方案。现代的发动机控制系统由综合控制器、执行机构和传感器等组成。其中,控制供油量的执行机构,1燃油调节器的结构及工作原理即供油调节器是最主要的执行机构。航空发动机都以供油量为主要控制参量来控制发动机。因此,供油1.1超声电机的工作原理、结构及改进调节器的工作性能直接影响到发动机工作的好坏。早期的机械式供油调节器只适应于发动机简单工作超声电机的实质是依靠压电陶瓷的逆压电效应规律的控制,满足不了现代发动机的性能要求。随着将电能转化为弹性体的
4、机械能,使定子产生高频的[5]模拟电子式控制系统的普及,供油调节器的结构也微幅振动(微米级),再利用接触和摩擦作用将定[1]发生了很大的改进。子的微幅振动转换为转子的回转或者直线运动,从现在发动机燃油调节器基本是通过液压来调节而输出机械能以带动负载工作。[2]计量活门的运动。液压系统有很多优点,如力放本文方案选取的TRUM-60型超声电机的结构大、运行过程平稳安静、系统可实现自动润滑、操作及性能技术参数见图1及表1。简便、自动化程度高等,但是液压调节机构往往比较复杂,其成本较高且传动效率低。因此
5、,有必要设计一种新型的活门顶杆动力传动装置,在继承液压系统优点的同时简化调节机构,降低成本。超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动的新型微电机,已经应用到的领域有旋转的精确定位、扫描电子显微镜试料架的驱动、某些自动升降装置(如窗帘的静音升降设计)、空间飞行器的驱动机械、强磁[3-4]环境条件周边的驱动器(如核磁共振装置)。其小体积、小质量、低转速、大扭矩、高精度、能自锁等优点也非常适用于燃油调节器的动力传动装置。通过图1TRUM-60电机结构图X航空科学基金资助项目(编号:200806
6、52009);国家自然科学基金资助项目(编号:50905085,90816003);南京航空航天大学基本科研业务费专项科研资助项目(编号:NS2010034)收稿日期:2010-12-30;修改稿收到日期:2011-02-21第6期任杰,等:运用超声电机的燃油调节器活门顶杆机构701表1TRUM-60电机技术参数定子直径/驱动频率/额定扭矩/额定转速/堵转扭矩/电机自重/起动响应关断响应-1mmkHz(N·m)(r·min)(N·m)g时间/ms时间/ms60410.51201.2250<3<1
7、该燃油调节器的工作介质为某型号航空煤油,工键的约束下沿螺母导向座轴向做直线运动,顶杆在[7]作压力为0.5MPa,为保证超声电机正常工作,燃油滚珠丝杠螺母的带动下推动活门运动。图4所示不得从电机输出轴及其他密封处渗入电机内部。现有为燃油调节器活门顶杆机构及其控制器的实物图。的TRUM系列超声电机并不具备燃油密封性,为了使超声电机能够在油压环境下正常工作,需要对电机进行密封处理,因此在电机底座部分加装了某型骨架油封以实现电机输出轴轴向密封,如图2所示。图2电机底座剖面图图4活门顶杆机构及其控制器实
8、物图本设计选取的是单唇骨架油封,其密封原理在于2活门顶杆的数学模型油封与轴之间存在着油封刃口控制的油膜,此油膜具有流体润滑特性。在液体表面张力的作用下,油膜的燃油调节器活门顶杆的移动速度及其负载力是刚度恰好使油膜与空气接触端形成一个新月面,防止衡量其性能的重要参数。由于滚珠丝杆与电机是通了工作介质的泄漏,从而实现旋转轴的密封。过轴销固定链接的,所以其输出扭矩和转速等于电1.2活门顶杆机构的工作原理及结构机的输出扭矩T和转速n。已知滚珠丝杆的导程为L,根据运动学方程得该活门顶杆机构的工作原理是通过
