滚珠丝杠协同驱动的推力矢量全轴摆动喷管.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010152019.3 (22)申请日 2020.03.06 (71)申请人 南京理工大学 地址 210094 江苏省南京市孝陵卫200号 (72)发明人 张小兵王鹏 (74)专利代理机构 南京理工大学专利中心 32203 代理人 赵毅 (51)Int.Cl. F42B 10/66(2006.01) F42B 15/00(2006.01) F42B 15/01(2006.01) (54)发明名称 一种滚珠丝杠协同驱动的推力矢量全轴摆 动喷管 (57)摘要 本发明公开了一种滚。

2、珠丝杠协同驱动的推 力矢量全轴摆动喷管， 该机构包括： 燃烧室、 喷管 喉部、 喷管、 两套连杆传动机构、 两套滚珠丝杠驱 动机构， 伺服电机转子通过联轴器与丝杠连接， 转子的旋转运动驱动机构中的滚珠丝杠， 滚珠丝 杠旋转带动丝杠螺母沿着平行导杆进行直线运 动， 丝杠螺母的直线运动连带十字万向节的十字 轴一起， 万向节连接了丝杠直线轴承与连杆机 构， 连杆与喷管之间球形连接， 进而实现喷管的 单侧摆动。 为了赋予喷管全方位摆动自由度， 两 套连杆和丝杠机构彼此成90度安装定位， 二者协 同工作， 任意确定的喷管摆动角度， 对应唯一确 定的两个丝杠螺母位置。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页。

3、 CN 111322912 A 2020.06.23 CN 111322912 A 1.滚珠丝杠协同驱动的推力矢量全轴摆动喷管， 其特征在于， 包括喷管外罩(1)、 喷管 (2)、 喷管喉部(3)、 燃气室(4)、 滚珠丝杠驱动机构、 连杆传动机构； 所述的喷管(2)、 喷管喉部(1)采用球形连接， 保证喷管全轴摆动的自由度； 所述的喷管喉部(3)、 燃烧室(4)采用法兰连接， 保证连接强度和装置的气密性； 所述的滚珠丝杠驱动机构包括电机外壳(18)、 电机转子(17)、 联轴器(16)、 滚珠丝杠 (13)、 丝杠螺母(14)、 直线轴承(15)、 平行导杆(20)以及丝杠支座(5)； 所述。

4、的电机转子(17) 通过联轴器(16)与滚珠丝杠(13)连接， 所述的平行导杆(11)安装在丝杠支座(5)上， 所述的 直线轴承(15)连接丝杠螺母(14)与平行导杆(20)； 所述的电机转子(17)转动带动滚珠丝杠 (13)， 所述的丝杠螺母(14)与滚珠丝杠(13)螺纹配合， 将滚珠丝杠(13)的转动转换为丝杠 螺母(14)的直线运动， 进而实现直线轴承(15)的直线运动； 所述的连杆传动机构包括十字万向节(12)、 连接杆(11)、 球端连接杆(6)、 球端连接杆 (7)， 十字万向节(12)十字轴一端与直线轴承(15)转动副连接， 十字万向节(12)十字轴另一 端与连接杆(11)转动副。

5、连接， 所述的连接杆(11)与球形连杆A(8)、 球形连杆B(9)固定连接， 所述的球形连杆(8)(9)球形端与固定在活动喷管(2)； 所述的直线轴承(15)直线运动带动 十字万向节(12)， 所述的十字万向节(12)带动连杆传动杆(8)(9)(11)转动， 所述的球形轴 承(7)(10)的空间位置发生变化； 设有两套滚珠丝杠驱动机构及连杆传动机构， 两套滚珠丝杠驱动机构及连杆传动机构 按照90度相互配合， 两台电机转子(17)运动， 驱动喷管(2)绕发动机轴线上一点在各个方向 摆动， 实现提供任何方向上的侧向力。 2.根据权利要求1所述的滚珠丝杠协同驱动的推力矢量全轴摆动喷管， 其特征在于，。

6、 连 动连杆(11)与球形连杆A(8)球形连杆B(9)相对位置通过六角螺栓(21)固定， 调节连动连杆 (11)相对六角螺栓(21)的安装角度可以改变连杆传动机构的作用长度； 所述的球形连杆 (8)(9)球形端与固定在活动喷管(2)侧面的球形轴承(7)(10)同心连接。 3.根据权利要求1所述的滚珠丝杠协同驱动的推力矢量全轴摆动喷管， 其特征在于， 联 轴器(16)为十字滑块式结构。 4.根据权利要求1所述的滚珠丝杠协同驱动的推力矢量全轴摆动喷管， 其特征在于， 球 形连杆(8)(9)与喷管(2)之间的球形连接不会限定喷管(2)自身转动自由度。 5.根据权利要求1所述的滚珠丝杠协同驱动的推力矢。

7、量全轴摆动喷管， 其特征在于， 滚 珠丝杠支座(5)外表面与喷管外罩(1)内表面相切， 支座(5)周边设置螺纹孔， 通过螺钉固连 在喷管外罩(1)内壁面。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111322912 A 2 一种滚珠丝杠协同驱动的推力矢量全轴摆动喷管 技术领域 0001 本发明属于飞行器姿态控制技术领域， 涉及一种滚珠丝杠协同驱动的推力矢量全 轴摆动喷管。 背景技术 0002 在传统的超超音速飞行器动力装置的设计中， 发动机只能提供平行于机身轴向的 动力， 而飞行器的姿态调整需要靠气动舵面偏转所产生的非对称气动力矩来实现。 随着推 力矢量技术在飞行器姿态控制中的不断应用， 飞行器的机。

8、动性得到了较大程度的提升。 推 力矢量技术是指通过改变发动机喷出气流方向来控制飞行器飞行姿态的一种方法。 推力矢 量技术由发动机推力的分量产生气动力矩， 可以直接对飞行器的姿态进行控制， 大大的提 高了飞行器的机动性能。 0003 推力矢量控制伺服系统简称伺服系统， 是导弹控制系统中的执行机构， 它的作用 是根据控制系统的指令， 控制喷管的摆角， 改变发动机喷焰的排出方向， 产生侧向控制力 矩， 改变导弹在飞行中的姿态， 使之按预定轨道稳定飞行。 全轴摆动喷管的活动体可绕发动 机轴线上某点在各个方向摆动， 提供任何方向上的侧向力， 为火箭、 导弹提供俯仰、 偏航控 制力。 两个电机为喷管摆动提。

9、供动力， 两者协同配合实现全轴摆动喷管的闭环稳定控制。 发明内容 0004 本发明的目的在于提供一种滚珠丝杠协同驱动的推力矢量全轴摆动喷管， 以两套 滚珠丝杠传动方式控制俯仰、 偏航方向上的偏转角度， 实现空间任意角度的摆动， 达到姿态 快速调节的目的。 0005 实现本发明目的的技术解决方案为： 0006 一种飞行器全轴摆动喷管装置， 包括燃烧室、 喷管、 喷管外罩、 两套滚珠丝杠传动 机构， 两套连杆连动机构； 0007 喷管喉部、 燃烧室采用法兰连接， 保证连接强度和装置的气密性； 0008 滚珠丝杠传动机构包括电机外壳、 电机转子、 磁电式编码器、 联轴器、 滚珠丝杠、 丝 杠螺母、 。

10、丝杠支座、 直线轴承、 平行导杆， 电机转子与滚珠丝杠通过联轴器连接， 电机转子转 动带动滚珠丝杠转动， 滚珠丝杠与丝杠螺母采用螺纹配合， 丝杠螺母与平行导杆之间安装 有直线轴承， 滚珠丝杠旋转带动丝杠螺母沿平行导杆进行直线运动。 0009 连杆连动机构包括十字万向节， 连动杆， 球形连杆A， 球形连杆B， 十字万向节两个 转动轴分别连接直线轴承和传动杆， 传动杆和球形连杆A、 球形连杆B的转轴端通过六角螺 栓固定连接， 球形连杆A和球形连杆B的球形端与喷管侧面耳部球形轴承A球形轴承B同心连 接， 传动杆和球形连杆A、 球形连杆B安装之前调节相对位置， 由六角螺栓固定连接后， 三者 相对位置不。

11、会变化。 0010 滚珠丝杠传动机构和连杆连动机构通过十字万向节连接， 滚珠丝杠机构中直线轴 承的直线运动改变连杆连动机构的空间角度， 继而改变喷管一个方向的偏转角度。 说明书 1/4 页 3 CN 111322912 A 3 0011 设有两套滚珠丝杠传动机构和两套连杆连动机构相互配合协同工作， 给定喷管空 间任意偏转角度， 对应唯一确定的连杆空间位置和空间角度， 继而可以唯一由两个直线轴 承的位置确定。 0012 电机转子带动丝杠转动， 转化为丝杠螺母的直线运动， 丝杠螺母通过直线轴承带 动万向节直线运动， 万向节连动连杆机构， 驱动连杆机构推动喷管的一侧； 两套滚珠丝杠传 动和连杆连动机。

12、构， 分别成90度安装配合， 推动喷管到空间任意给定方向。 0013 与现有技术相比， 本发明的优点在于： 0014 (1)推力矢量全轴摆动喷管， 只需一个单一喷管就可以提供俯仰和偏航方向的控 制力和控制力矩， 减小系统的复杂性和重量， 降低了系统的成本； 0015 (2)在推力矢量控制中引入滚珠丝杠驱动， 摩擦损失小， 传动效率高， 控制精度高， 并且电力消耗小； 在喷管底部摆动和喷管侧面受推动中引入了球形连接， 保证了摆动自由 度， 摩擦损失小， 喷管摆动驱动力矩小； 0016 (3)使用两套滚珠丝杠驱动控制结构(滚珠丝杠传动机构、 连杆连动机构)， 对喷管 全轴任意摆动角度位置进行协同控。

13、制， 并且可以通过观测信息(电机转速、 喷管姿态)反馈 实现对喷管摆动角度的闭环稳定控制， 系统工作可靠性高。 附图说明 0017 图1是本发明推力矢量全轴摆动喷管的总体外部示意图。 0018 图2是本发明推力矢量全轴摆动喷管的总体内部剖面示意图。 0019 图3是本发明推力矢量全轴摆动喷管的内部结构布局示意图。 0020 图4是本发明推力矢量全轴摆动喷管的喷管及机械传动机构示意图。 0021 图5是本发明推力矢量全轴摆动喷管的喷管及机械传动机构的剖面结构图。 0022 图6是本发明推力矢量全轴摆动喷管的滚珠丝杠连动连杆机构的结构图。 具体实施方式 0023 下面结合附图对本发明进行进一步的详。

14、细描述 0024 本发明飞行器推力矢量的全轴摆动喷管装置， 包括喷管外罩1、 喷管2、 喷管喉部3、 燃烧室4、 滚珠丝杠驱动机构、 连杆传动机构燃烧室； 0025 喷管2、 喷管喉部3采用球形连接， 保证喷管全轴摆动的自由度； 0026 喷管喉部3、 燃烧室4采用法兰连接， 保证连接强度和装置的气密性； 0027 滚珠丝杠传动机构包括电机外壳18、 电机转子17、 磁电式编码器19、 联轴器16、 丝 杠13、 丝杠螺母14、 丝杠支座5、 直线轴承15、 平行导杆20， 伺服电机转子17与丝杠13通过联 轴器16连接， 电机转子17转动带动丝杠13转动， 丝杠13与丝杠螺母14采用螺纹配合。

15、， 丝杠螺 母14与平行导杆20之间安装有直线轴承15， 丝杠13旋转带动丝杠螺母14沿平行导杆进行直 线运动。 0028 连杆连动机构包括十字万向节12， 连动杆11， 球形连杆A 8， 球形连杆B 9,两个转 动轴分别连接直线轴承15和传动杆9， 传动杆9和球形连杆A 8、 球形连杆B 9的转轴端通过 六角螺栓21固定连接， 球形连杆A 8和球形连杆B 9的球形端与喷管2球形连接， 传动杆9和 球形连杆A 8、 球形连杆B 9安装之前调节相对位置， 由六角螺栓21固定连接后， 三者相对位 说明书 2/4 页 4 CN 111322912 A 4 置不会变化。 0029 滚珠丝杠传动机构和连。

16、杆连动机构通过十字万向节12连接， 滚珠丝杠机构中直线 轴承15的直线运动改变连杆连动机构的空间角度和喷管2一个方向的偏转角度。 0030 两套滚珠丝杠传动机构和两套连杆连动机构相互配合协同工作， 给定喷管2空间 任意偏转角度， 对应唯一确定的连杆9空间位置和空间角度， 继而可以唯一由两个直线轴承 15的位置确定。 0031 电机转子17带动丝杠13转动， 转化为丝杠螺母14的直线运动， 丝杠螺母14通过直 线轴承15带动万向节12直线运动， 万向节12连动连杆机构， 驱动连杆机构推动喷管2的一 侧； 两套滚珠丝杠传动和连杆连动机构， 分别成90度安装配合， 推动喷管2到空间任意给定 方向。 。

17、0032 结合图1、 图2 0033 本发明推力矢量全轴摆动喷管机构， 包括喷管外罩1、 喷管2、 喷管喉部3、 燃烧室4， 喷管2与喷管喉部3采用球形连接， 保证喷管全轴摆动的自由度， 并在连接处填充润滑材料， 保证气密性和减小摩擦； 喷管喉部3、 燃烧室4采用法兰连接， 保证连接强度和装置的气密 性。 0034 再结合图3、 图4、 图5、 图6 0035 本发明推力矢量全轴摆动喷管机构， 包括两套滚珠丝杠传动机构、 两套连杆连动 机构， 并以90度安装配合。 0036 参照图5、 图6， 滚珠丝杠传动机构包括电机外壳18、 电机转子17、 磁电式编码器19、 联轴器16、 滚珠丝杠13、。

18、 丝杠螺母14、 丝杠支座5， 伺服电机转子17一端固定在丝杠支座的底 部平面上， 电机采用高速的直流无刷电机， 电机输出轴可以与磁电式编码器19固定连接， 磁 电式编码器19可以实时测量伺服电机输出轴转动角速度。 伺服电机转子17另一端输出轴通 过联轴器16与滚珠丝杠连接， 为了避免加工精度对安装精度的影响， 联轴器采用十字滑块 式结构。 伺服电机实现了对丝杠螺母的闭环位置反馈控制。 为了保证丝杠螺母的平行运动， 在丝杠支座上安装了平行导杆， 为了减少摩擦， 平行导杆与丝杠螺母之间安装了直线轴承。 为了安装方便， 伺服电机与滚珠丝杠以及平行导杆都安装在了丝杠支座上， 丝杠支座整体 安装在喷管。

19、外罩的丝杠支座孔里， 通过螺钉紧固。 0037 参照图4， 连杆连动机构包括十字万向节12， 连动杆11， 球形连杆A 8， 球形连杆B 9， 传动杆9和球形连杆A 8、 球形连杆B 9的转轴端通过六角螺栓21固定连接， 三者相对位置 不会变化， 可以视为一个可以稳定连接喷管2和十字万向节12的长度可预先调节的连接杆。 0038 参照图3， 两个丝杠支座5采用90度的角度安装， 丝杠支座5外表面与喷管外罩的内 表面同弧度， 保证完全贴合。 丝杠13中轴线与喷管外罩中轴线所构成平面与直线轴承保持 垂直， 在喷管不发生摆动时候， 连杆连动机构同在丝杠中轴线与喷管外罩中轴线所构成平 面中。 0039。

20、 本发明工作时， 两个伺服电机旋转运动， 此时与电机上的磁电式编码器19测量电 机的转速， 电机输出轴通过联轴器16转动滚珠丝杠的丝杠轴， 丝杠轴的旋转带动丝杠螺母 沿平行导杆进行直线运动， 直线轴承15连接丝杠螺母14和平行导杆20， 两个电机带动两个 直线轴承直线运动； 两个直线轴承15的平动通过十字万向节12带动两套连杆机构转动， 连 杆9带动与其固联的球形连杆8、 9一起运动， 球形连杆8、 9与喷管球形连接， 两套连杆机构分 说明书 3/4 页 5 CN 111322912 A 5 别从喷管90度侧面推动， 确定喷管摆动到空间任意角度； 喷管摆动角度由电位器检测， 通过 稳定控制算法可以实现全轴摆动喷管的角度定位。 0040 确定一空间摆动角度， 电机控制器解算出唯一对应的两滚珠丝杠所需行程， 以及 两电机所需转动角度， 电机伺服控制回路跟踪转动指令， 喷管姿态反馈实现系统闭环稳定 控制。 说明书 4/4 页 6 CN 111322912 A 6 图1 图2 说明书附图 1/3 页 7 CN 111322912 A 7 图3 图4 说明书附图 2/3 页 8 CN 111322912 A 8 图5 图6 说明书附图 3/3 页 9 CN 111322912 A 9 。