第1期 俞必强等：三冗余传动系统的优化设计 111· 础上，给出了系统的传动方案和结构设计方案，分析 作为输出而二级差动轮系以系杆带动行星轮与内齿 了影响系统性能的各项约束条件，建立系统的多学 轮共同作为输入，因此两组差动轮系采用公共行星 科设计优化©-切模型，采用多学科变量耦合优化方 架作为支撑并传递动力.行星架采用悬浮布置，承 法，对影响系统性能的各主要参数进行优化 担两差动轮系的均载任务，使得结构紧凑、受力 设计. 均衡. 1冗余传动总体方案 三冗余传动系统的设计目标是利用冗余驱动方 式满足高可靠性的需求，由三组原动机并行输入动 力，系统对三路输入实现运动和动力耦合，实现各路 输入在任意组合工作模式下的叠加，任何一轴因故 障锁死都会自动切换到其他模式，不会影响系统的 正常工作.同时要求从结构上保证三轴对输出的影 响等效，即三路传动独立工作时具有相同的传动比. 图1为三冗余传动系统总体方案简图.采用两级差 动轮系与定轴轮系相结合，输入轴I和Ⅱ分别通过 定轴轮系中传动系统将运动传递到一级差动轮系中 图2三冗余传动系统结构设计方案 的中心轮Z。和内齿轮Zg,一级差动轮系为NGW Fig.2 Structure design scheme of the triple-redundancy transmission 型，系杆为输出轴.输入轴Ⅲ通过定轴轮系中的一 system 组齿轮将运动传递到二级差动轮系中的内齿轮Zo, 与一级差动轮系输出轴系杆H实现差动输入，二级 2 冗余传动系统设计分析与优化模型的建立 差动轮系以中心轮作为输出，输出轴为X轴.各输 入轴输入运动和动力通过差动轮系实现耦合，当其 三冗余传动系统为复合轮系结构，主要包括差 动轮系和定轴轮系两部分.针对这一特点，采用多 中某一输入轴发生故障锁死时，对应的差动轮系成 学科变量耦合优化设计方法3进行求解.多学 为行星轮系，不影响系统的连续输出.通过合理的 科变量耦合优化设计方法是面向具有独立学科子目 配齿，可使三路传动具有相同的传动比，但由于传动 标的非层级系统的多学科设计优化方法，在求解复 路径差别，三路传动的传动效率并不相同，轴Ⅱ和轴 Ⅲ单独输入时的传动效率比较接近，相对较高，而轴 杂耦合系统时，将系统分解为若干个分属于不同学 科的子系统，各子系统相对独立的进行设计和优化， [则相对较低，这是由差动轮系结构所决定的.若 在系统级对各子系统的优化进程进行协调控制，通 各路传动单独工作时，应优先选用轴Ⅱ或轴Ⅲ作为 过求解理想耦合点来构造耦合函数以调控子系统的 输入的传动链，以获得更高的传动效率.图2为三 优化目标，使各子系统在满足其相互之间的耦合关 冗余传动系统的结构设计方案.一级与二级差动轮 系的前提下，获得系统的全局最优.根据这一方法， 系采用对称布置，一级差动轮系通过行星轮和系杆 将系统分解为差动轮系和定轴轮系两个冗余传动子 原动机 系统，分别进行分析及优化建模 2.1子系统1：差动轮系冗余传动子系统 原动机 (1)设计变量.子系统1的设计变量包括差动 轮系的中心轮齿数Z。、行星轮齿数Z,、模数m。和定 轴轮系传动比i14·其中Z6、Z,为公用变量，m为局 域变量，i4是子系统2中状态函数的替代变量，为状 态变量.根据差动轮系的同心条件有Zg=Z6+2Z, 输出端 H原动机 则可建立变量关联，在设计变量中不出现Z% 输入端 (2)目标函数.三冗余传动系统多用于航空航 二级差动轮系一级差动轮系定轴轮系 图1三冗余传动系统方案简图 天等设备中，体积紧凑、重量轻是在满足基本功能前 Fig.1 Diagram of the triple-redundancy transmission system 提下的主要要求，故子系统1的优化以差动轮系的第 1 期 俞必强等: 三冗余传动系统的优化设计 础上，给出了系统的传动方案和结构设计方案，分析 了影响系统性能的各项约束条件，建立系统的多学 科设计优化［10--12］模型，采用多学科变量耦合优化方 法［13--14］，对影响系统性能的各主要参数进行优化 设计． 1 冗余传动总体方案 三冗余传动系统的设计目标是利用冗余驱动方 式满足高可靠性的需求，由三组原动机并行输入动 力，系统对三路输入实现运动和动力耦合，实现各路 输入在任意组合工作模式下的叠加，任何一轴因故 障锁死都会自动切换到其他模式，不会影响系统的 正常工作． 同时要求从结构上保证三轴对输出的影 响等效，即三路传动独立工作时具有相同的传动比． 图 1 为三冗余传动系统总体方案简图． 采用两级差 动轮系与定轴轮系相结合，输入轴Ⅰ和Ⅱ分别通过 图 1 三冗余传动系统方案简图 Fig． 1 Diagram of the triple-redundancy transmission system 定轴轮系中传动系统将运动传递到一级差动轮系中 的中心轮 Z6 和内齿轮 Z8，一级差动轮系为 NGW 型，系杆为输出轴． 输入轴Ⅲ通过定轴轮系中的一 组齿轮将运动传递到二级差动轮系中的内齿轮 Z10， 与一级差动轮系输出轴系杆 H 实现差动输入，二级 差动轮系以中心轮作为输出，输出轴为 X 轴． 各输 入轴输入运动和动力通过差动轮系实现耦合，当其 中某一输入轴发生故障锁死时，对应的差动轮系成 为行星轮系，不影响系统的连续输出． 通过合理的 配齿，可使三路传动具有相同的传动比，但由于传动 路径差别，三路传动的传动效率并不相同，轴Ⅱ和轴 Ⅲ单独输入时的传动效率比较接近，相对较高，而轴 Ⅰ则相对较低，这是由差动轮系结构所决定的． 若 各路传动单独工作时，应优先选用轴Ⅱ或轴Ⅲ作为 输入的传动链，以获得更高的传动效率． 图 2 为三 冗余传动系统的结构设计方案． 一级与二级差动轮 系采用对称布置，一级差动轮系通过行星轮和系杆 作为输出而二级差动轮系以系杆带动行星轮与内齿 轮共同作为输入，因此两组差动轮系采用公共行星 架作为支撑并传递动力． 行星架采用悬浮布置，承 担两差动轮系的均载任务，使 得 结 构 紧 凑、受 力 均衡． 图 2 三冗余传动系统结构设计方案 Fig． 2 Structure design scheme of the triple-redundancy transmission system 2 冗余传动系统设计分析与优化模型的建立 三冗余传动系统为复合轮系结构，主要包括差 动轮系和定轴轮系两部分． 针对这一特点，采用多 学科变量耦合优化设计方法［13--14］进行求解． 多学 科变量耦合优化设计方法是面向具有独立学科子目 标的非层级系统的多学科设计优化方法，在求解复 杂耦合系统时，将系统分解为若干个分属于不同学 科的子系统，各子系统相对独立的进行设计和优化， 在系统级对各子系统的优化进程进行协调控制，通 过求解理想耦合点来构造耦合函数以调控子系统的 优化目标，使各子系统在满足其相互之间的耦合关 系的前提下，获得系统的全局最优． 根据这一方法， 将系统分解为差动轮系和定轴轮系两个冗余传动子 系统，分别进行分析及优化建模． 2. 1 子系统 1: 差动轮系冗余传动子系统 ( 1) 设计变量． 子系统 1 的设计变量包括差动 轮系的中心轮齿数 Z6、行星轮齿数 Z7、模数 m0和定 轴轮系传动比 i14 ． 其中 Z6、Z7为公用变量，m0为局 域变量，i14是子系统 2 中状态函数的替代变量，为状 态变量． 根据差动轮系的同心条件有 Z8 = Z6 + 2Z7， 则可建立变量关联，在设计变量中不出现 Z8 ． ( 2) 目标函数． 三冗余传动系统多用于航空航 天等设备中，体积紧凑、重量轻是在满足基本功能前 提下的主要要求，故子系统 1 的优化以差动轮系的 ·111·