Основы конструирования исполнительных механизмов приводных систем летательных аппаратов с минимизацией габаритных размеров

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ 

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ 

МЕХАНИЗМОВ 

ПРИВОДНЫХ СИСТЕМ 

ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 

С МИНИМИЗАЦИЕЙ 

ГАБАРИТНЫХ РАЗМЕРОВ

С.Л. САМСОНОВИЧ
В.А. ПОДШИБНЕВ

Под редакцией С.Л. Самсоновича

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 

профессионального образования в качестве учебника для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 

24.05.05 «Интегрированные системы летательных аппаратов» 

(квалификация «инженер») (протокол № 1 от 12.01.2022)

Москва
ИНФРА-М

2022

УЧЕБНИК

УДК 62(075.8)
ББК 34.42я73
 
C17

Р е ц е н з е н т ы :
Левин А.В., доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник 
Экспериментальной мастерской «НаукаСофт»;
Горячев О.В., доктор технических наук, заведующий кафедры системы управления Тульского государственного университета

ISBN 978-5-16-016512-7 (print)
ISBN 978-5-16-108778-7 (online)
©  Самсонович С.Л., Подшиб нев В.А., 
2022

Самсонович С.Л.
C17  
Основы конструирования исполнительных механизмов приводных 
систем летательных аппаратов с минимизацией габаритных размеров : 
учебник / С.Л. Самсонович, В.А. Подшибнев ; под ред. С.Л. Самсоновича. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 391 с. — (Высшее образование: 
Специалитет). — DOI 10.12737/1171992.

ISBN 978-5-16-016512-7 (print)
ISBN 978-5-16-108778-7 (online)
В учебнике предлагается системный подход к конструированию исполнительных механизмов приводных систем летательных аппаратов, в том числе 
к построению архитектуры кинематических, конструктивных и структурных 
схем, а также выбору элементного состава исполнительных механизмов, используемых в авиационной технике и других областях, в которых рассматриваются задачи минимизации массогабаритных показателей и компоновка этих 
механизмов в заданном ограниченном объеме. Предложен морфологический 
синтез конструктивно-кинематических схем исполнительных механизмов 
с последующим расчетом их основных параметров, определяющих их статические и динамические характеристики и влияющих на габаритные размеры. 
Представлен анализ достоинств и недостатков различных типов электро-, пневмо- и гидродвигателей и различных типов механических передач. Приведены 
их основные конструктивные зависимости и методики расчета с минимизацией 
габаритных размеров исполнительных механизмов. Дан сравнительный анализ относительных объемов различных типов механических передач, используемых в качестве выходной пары редуктора в зависимости от передаточного 
числа.
Составлены расчетные математические модели, включающие инерционность и жесткость звеньев, а также люфт в механической передаче, для оценки 
динамики приводной системы в целом. Даны примеры расчета габаритов исполнительных механизмов с минимизированными параметрами.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Для студентов-специалистов, магистрантов, аспирантов и инженеров, занимающихся конструированием и проектированием исполнительных механизмов приводных систем.
УДК 62(075.8)
ББК 34.42я73

Предисловие

Учебник содержит сведения, необходимые для освоения дисциплины «Основы конструирования исполнительных механизмов 
приводных систем летательных аппаратов с минимизацией габаритных размеров», являющейся частью подготовки инженеров 
по специальности «Системы приводов летательных аппаратов», 
направление подготовки «Интегрированные системы летательных 
аппаратов».
Исполнительным механизмом (ИМ) приводной системы называется механизм, состоящий из двигателя, механической передачи и датчика положения и (или) скорости органа управления 
наземной, воздушной, космической или подводной технической 
системы.
Разработка любого нового исполнительного механизма привода 
(любого изделия) осуществляется путем проектирования, конструирования и изготовления. Проектирование и конструирование 
являются результатами умственной деятельности, взаимосвязанными между собой и дополняющими друг друга. Проектирование 
возможно только при предварительно принятых вариантах конструктивного исполнения. Конструирование базируется на применении методов проектирования: расчетах основных параметров, 
прочностных расчетах, оптимизации и др.
Результатом проектирования является проект разрабатываемого исполнительного механизма привода, включающий научное 
обоснование технических решений и расчеты, подтверждающие 
их экономическую целесообразность.
Результатом конструирования является конструкторская документация на конкретное изделие.
Конструкторская документация отражает все инженерные решения, принятые при проектировании, а также требования к изготовлению и эксплуатации.
Проектирование и конструирование служат одной цели: разработке нового изделия, которое не существует или существует 
в другой форме и имеет иные размеры. Проектирование и конструирование — виды умственной деятельности на основе научных 
знаний. Если эти знания можно выразить в виде программы ЭВМ 
с выпуском конструкторской документации — это решение инженерной задачи, в остальных случаях это инженерное творчество — 
задача поискового конструирования.

Итак, настоящий курс предназначен для освоения комплексных 
задач конструирования и компоновки исполнительных механизмов 
приводных систем.
Пусть нужно разработать привод управления полетом летательного аппарата в безвоздушном пространстве. Какие возможны 
варианты? Привод поворотных аэродинамических рулей неэффективен в безвоздушном пространстве, по это му рассмотрим варианты 
управления направлением реактивной тяги (рис. П1).

а
д

б

в

г

е

ж

Рис. П1. Варианты схем управления направлением реактивной тяги

Дополнительно к тяге маршевого двигателя можно создать тягу 
от двигателя управления. Для регулирования положения управляющего двигателя можно использовать два привода перемещения 
двигателя управления в двух плоскостях (см. рис. П1, а). Дополнительно к маршевому двигателю можно использовать четыре дви

гателя управления, каждый из которых снабжен одним приводом 
для перемещения двигателя управления в плоскости, перпендикулярной оси маршевого двигателя (см. рис. П1, б).
Управление можно реализовать за счет регулирования направления потока в сопле в его узкой части (см. рис. П1, в) или в выходной части сопла (см. рис. П1, ж).
Дополнительно к маршевому двигателю можно использовать 
четыре сопла, расположенных перпендикулярно к продольной оси 
маршевого двигателя. Управление заключается во включении того 
или иного сопла или совокупности сопел (см. рис. П1, г).
Можно также осуществлять управление газовыми рулями, расположенными на выходе из сопла (см. рис. П1, д).
Наконец, возможно управление направлением газового потока 
в сопле маршевого двигателя путем отжимания струи или использования эффекта эжекции (см. рис. П1, е).
Очевидно, что потребная мощность для управления будет зависеть от схемы и компоновки.
Итак, выбрали конструктивную схему управления, а какой выбрать привод: электрический, пневматический, гидравлический?
На рис. П2, а–д представлены варианты схем автономного привода.

а

АБ

АБ

КС

КС

ПУ

ПУ
К

А
РМ

РМ

РМ

РЕД

ВАД

ТР

ТР

ТР

РМ

РМ

ГГ

ГГ

г

д

б

в

Рис. П2. Варианты схем приводных систем:
АБ — аккумуляторная батарея; КС — кабельная сеть; РМ — рулевые машинки; 
ПУ — гидравлическая питающая установка; ТР — трубопровод; ВАД — воздушный 
аккумулятор давления; РЕД — редуктор (газовый); ГГ — газогенератор

Выбрали тип привода. Что дальше?
Известны двигатели поступательного и вращательного действия; передачи, преобразующие поступательное движение во вращательное и вращательное в поступательное; высокоскоростные 
и моментные двигатели. Так какую комбинацию выбрать? Какие 
существуют критерии выбора? При какой комбинации устройств 
и их параметров можно обеспечить оптимальные по массе и габаритам характеристики? Ответы на эти вопросы — одна из задач 
курса.
Далее, после выбора схемы приводной системы, расчета потребной мощности исполнительного двигателя (ИД) и выбора оптимального передаточного числа редуктора, необходимо ответить 
на вопросы:
 
• Как расположить элемен ты привода, как скомпоновать их с объектом регулирования (ОР) и неподвижным основанием, чтобы 
вписаться в требуемые габариты?
 
• Какую выбрать кинематическую схему редуктора и из каких кинематических пар он должен состоять?
 
• Какие выбрать опоры на выходном валу привода и как расположить их так, чтобы замкнуть на них действующие возмущения?
 
• Как обеспечить жесткость конструкции?
 
• Как осуществить соединение подвижных частей с минимальной 
величиной люфта и максимальным значением жесткости?
 
• Как рассчитать кинематический люфт и жесткость исполнительного механизма привода для выбранной схемы и принятых 
допусков на размеры или какие использовать элемен ты и какие 
задать допуски на размеры передач исполнительного механизма, 
чтобы получить требуемые статические ошибки привода?
 
• Как построить и реализовать кинематическую схему обратной 
связи в приводе?
Ответы на эти вопросы являются основой настоящего курса, 
который предназначен для обучения навыкам поиска новых более 
эффективных, конструктивных решений и освоения формы составления заявки на изобретение.
Существует мнение, что умение находить и решать изобретательские задачи — «дар божий», которому нельзя научить. Как 
относиться к такой точке зрения? Может ли каждый научиться 
изобретать? Здесь аналогично спорту: каждого здорового человека 
можно научить играть в волейбол или шахматы, но у спортсменов, 
имеющих соответствующие природные данные, результаты будут 
выше. Состояние творческого поиска и возбуждения в момент открытия истины и нового решения — ни с чем не сравнимое и ничем 

не заменимое особое удовольствие и наслаждение, которое интересно испытать.
Рассмотрим, чем отличается данный курс по конструированию 
от традиционных учебных курсов и как он будет построен. Почти 
все учебные курсы, начиная с математики и механики и заканчивая 
специальными дисциплинами, дают знания и навыки решения 
четко определенных инженерных задач (например, определение 
момен тов инерции тел сложной формы в математике, расчеты 
устойчивости и точности в курсе следящих приводов, расчеты параметров определенного типа редуктора). Различия творческих 
и четко определенных расчетных инженерных задач приведены 
в табл. П1.

Таблица П1

Таблица сравнения инженерных дисциплин

Показатель сравнения

В обыч ных курсах, 
четко определены 
задачи
В настоящем курсе

Постановка задачи
Имеется
Неконкретна («Постарайся 
мне добыть то, чего не может 
быть», — Л.А. Филатов) 

Метод (способ) 
решения
Как правило, указан 
один или несколько
Интуиция и опыт

Обучающий 
пример, аналогичный задаче

Имеется
Отсутствует (если есть 
пример, то задача решена) 

Результат решения
Как правило, однозначен и известен 
преподавателю

Как правило, многозначен 
и неизвестен преподавателю

Различия между этими курсами требуют и принципиально 
новой формы обучения. По программе этого курса будут проводиться «деловые игры» по созданию новых конструкций приводов 
с использованием методов решения изобретательских задач.
Таким образом, в результате освоения курса «Основы конструирования исполнительных механизмов приводных систем летательных аппаратов с минимизацией габаритных размеров» обучающийся будет обладать следующими компетенциями:
знать
 
• многообразные возможности реализации конструкций исполнительного механизма привода летательного аппарата (ЛА) 
с различным элементным составом, отличающихся видом ис

пользуемой энергии, функцио нальными свойствами и параметрическим синтезом параметров, которые обеспечивают минимальные габаритные размеры конструируемой приводной 
системы;
 
• достоинства и недостатки различных функцио нальных 
элемен тов исполнительных механизмов летательных аппаратов;
 
• способы минимизации массогабаритных показателей;
 
• особо важные конструктивные параметры, влияющие на динамические характеристики приводных систем;
уметь
 
• обоснованно выбирать конструктивную схему приводной 
системы ЛА;
 
• рассчитывать конструктивные параметры деталей и узлов конструкции;
 
• соблюдать требования технического задания (ТЗ) с минимизацией массогабаритных параметров;
владеть
 
• основами конструирования;
 
• способами конструирования с использованием методов, методик, программных продуктов и каталогов современных готовых покупных изделий, необходимых для реализации конструкции исполнительного механизма с минимизацией массогабаритных параметров.
Учебник предназначен для специалистов, бакалавров и магистрантов, а также инженеров, занимающихся вопросами конструирования исполнительных механизмов приводных систем в различных областях техники, для которых важна минимизация массогабаритных параметров.
Предисловие, главы 1, 2 и 4 написаны С.Л. Самсоновичем; главы 
3, 5–10 — С.Л. Самсоновичем и В.А. Подшибневым.

Глава 1. 
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, КЛАССИФИКАЦИИ 
И КОНЦЕПЦИИ КОНСТРУИРОВАНИЯ 
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ 
ПРИВОДНЫХ СИСТЕМ

1.1. ПОНЯТИЕ И ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ НОВОЙ ТЕХНИКИ

Прежде всего установим, что означают термины «разработка нового исполнительного механизма» или «новая техника».
Каждое новое изделие, разрабатываемое на производстве, соответствует новым техническим требованиям — как правило, более 
ужесточенным, чем требования к предшествующим изделиям. 
Но каждое ли новое изделие соответствует определению «новая 
техника» и в каком случае оно превышает по своим функциональным и техническим характеристикам известные зарубежные 
и отечественные аналоги.
К новой технике относят:
 
• впервые реализуемые результаты научных исследований и прикладных разработок, содержащие изобретения;
 
• новые или более совершенные технологические процессы, также 
содержащие изобретения.
Изделия новой техники должны задействовать новые решения, 
быть лучше, чем аналогичные изделия, отвечающие тем же требованиям.
Если новое изделие только повторяет уже достигнутое на мировом уровне, то в ближайшем будущем на этапе широкого внедрения оно будет отставать от достигнутого уровня. В результате 
изделие будет неконкурентоспособно и не принесет прибыли. 
Отметим, что на современном этапе при наличии рыночных отношений очень большое значение приобретает создание новой 
техники на уровне изобретений. Итак, любое изделие является 
новым, если принцип его действия основан на новых физических 
процессах, или использованы известные физические процессы 
в новом исполнении, или известные устройства соединены так, что 
получены новые свойства.
Рассмотрим этапы разработки новой техники.

Этапы разработки классифицируются следующим образом:
 
• фундаментальные научные исследования, охватывающие самые 
общие вопросы материального мира. Они заключаются в открытии сущности и действия природных процессов с целью 
применения в практических разработках.
За последние два десятилетия можно выделить в качестве результатов фундаментальных исследований, которые начали использовать и будут иметь дальнейшее развитие в приводных системах, — это технология изготовления вычислительной техники и, 
как результат, внедрение в приводные системы элемен тов вычислительной техники (микросхемы); создание материалов с памятью; 
создание жидкостей, изменяющих свои физические свойства 
в результате действия магнитного поля; осознание принципов построения исполнительных механизмов привода на основе волнового принципа действия;
 
• поисковые исследования, включающие в себя выбор идеи. В ходе 
поисковых работ создается научный задел, на котором основываются последующие работы. Результатом поисковой работы 
являются открытия и изобретения. Например, разработка новых 
типов исполнительных механизмов приводов, ряд функций которых выполняют элемен ты вычислительной техники, или разработка приводов на основе материалов с памятью, магнитных 
жидкостей, механизмов, действующих на волновом принципе.
Научно-исследовательские работы (НИР) и опытно-конструкторские работы (ОКР) являются прикладными исследованиями. 
В результате НИР и ОКР информация о возможностях создания 
новой техники превращается в разработку конкретного образца 
изделия. При этом проверяется и обосновывается экономическая 
целесообразность конструкторского и технологического решения.
Каждый этап разработки нового изделия состоит из нескольких 
стадий, определенных в ГОСТ 2.103–2013 (табл. 1.1) [1].

Таблица 1.1

Стадии разработки нового изделия

Стадия разработки
Этап выполнения работ

Разработка 
проектной 
конструкторской 
документации (КД) 

Разработка технического 
предложения

Изучение и анализ технического задания

Подбор материалов

Разработка КД технического предложения

Рассмотрение и утверждение КД технического 
предложения с присвоением КД литеры «П»