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

202УЧЕБНИК

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, 2023. — 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 исполни-

тельных механизмов приводных систем летательных аппаратов, в том числе 
к построению архитектуры кинематических, конструктивных и структурных 
схем, а также выбору элементного состава исполнительных механизмов, ис-
пользуемых в авиационной технике и других областях, в которых рассматри-
ваются 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 стати-
ческие и динамические характеристики и влияющих на габаритные размеры. 
Представлен анализ достоинств и недостатков различных типов электро-, пнев-
мо- и гидродвигателей и различных типов механических передач. Приведены 
их основные конструктивные зависимости и методики расчета с минимизацией 
габаритных размеров исполнительных механизмов. Дан сравнительный ана-
лиз относительных объемов различных типов механических передач, исполь-
зуемых в качестве выходной пары редуктора в зависимости от передаточного 
числа.

Составлены расчетные математические модели, включающие инерцион-

ность и жесткость звеньев, а также люфт в механической передаче, для оценки 
динамики приводной системы в целом. Даны примеры расчета габаритов испол-
нительных механизмов с минимизированными параметрами.

Соответствует требованиям федеральных государственных образователь-

ных стандартов высшего образования последнего поколения.

Для студентов-специалистов, магистрантов, аспирантов и инженеров, зани-

мающихся конструированием и проектированием исполнительных механиз-
мов приводных систем.

УДК 62(075.8)
ББК 34.42я73

Предисловие

Учебник содержит сведения, необходимые для освоения дис-
циплины «Основы конструирования исполнительных механизмов 
приводных систем летательных аппаратов с минимизацией габа-
ритных размеров», являющейся частью подготовки инженеров 
по специальности «Системы приводов летательных аппаратов», 
направление подготовки «Интегрированные системы летательных 
аппаратов».
Исполнительным механизмом (ИМ) приводной системы на-
зывается механизм, состоящий из двигателя, механической пере-
дачи 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, кон-
струирования и изготовления. Проектирование и конструирование 
являются результатами умственной деятельности, взаимосвязан-
ными между собой и дополняющими друг друга. Проектирование 
возможно только при предварительно принятых вариантах кон-
структивного исполнения. Конструирование базируется на при-
менении методов проектирования: расчетах основных параметров, 
прочностных расчетах, оптимизации и др.
Результатом проектирования является проект разрабатывае-
мого исполнительного механизма привода, включающий научное 
обоснование технических решений и расчеты, подтверждающие 
их экономическую целесообразность.
Результатом конструирования является конструкторская доку-
ментация на конкретное изделие.
Конструкторская документация отражает все инженерные ре-
шения, принятые при проектировании, а также требования к изго-
товлению и эксплуатации.
Проектирование и конструирование служат одной цели: раз-
работке нового изделия, которое не существует или существует 
в другой форме и имеет иные размеры. Проектирование и кон-
струирование — виды умственной деятельности на основе научных 
знаний. Если эти знания можно выразить в виде программы ЭВМ 
с выпуском конструкторской документации — это решение инже-
нерной 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 лета-
тельного аппарата в безвоздушном пространстве. Какие возможны 
варианты? Привод поворотных аэродинамических рулей неэффек-
тивен 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 управля-
ющего двигателя можно использовать два привода перемещения 
двигателя управления в двух плоскостях (см. рис. П1, а). Допол-
нительно к маршевому двигателю можно использовать четыре дви-

гателя управления, каждый из которых снабжен одним приводом 
для перемещения двигателя управления в плоскости, перпендику-
лярной оси маршевого двигателя (см. рис. П1, б).
Управление можно реализовать за счет регулирования направ-
ления потока в сопле в его узкой части (см. рис. П1, в) или в вы-
ходной 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, рас-
положенными на выходе из сопла (см. рис. П1, д).
Наконец, возможно управление направлением газового потока 
в сопле маршевого двигателя путем отжимания струи или исполь-
зования эффекта эжекции (см. рис. П1, е).
Очевидно, что потребная мощность для управления будет зави-
сеть от схемы и компоновки.
Итак, выбрали конструктивную схему управления, а какой вы-
брать привод: электрический, пневматический, гидравлический?
На рис. П2, а–д представлены варианты схем автономного при-
вода.

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 дей-
ствия; передачи, преобразующие поступательное движение во вра-
щательное 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 габа-
ритам характеристики? Ответы на эти вопросы — одна из задач 
курса.
Далее, после выбора схемы приводной системы, расчета по-
требной мощности исполнительного двигателя (ИД) и выбора оп-
тимального передаточного числа редуктора, необходимо ответить 
на вопросы:
 
• Как расположить элемен ты привода, как скомпоновать их с объ-
ектом регулирования (ОР) и неподвижным основанием, чтобы 
вписаться в требуемые габариты?
 
• Какую выбрать кинематическую схему редуктора и из каких ки-
нематических пар он должен состоять?
 
• Какие выбрать опоры на выходном валу привода и как располо-
жить 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 исполни-
тельного 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 состав-
ления заявки на изобретение.
Существует мнение, что умение находить и решать изобрета-
тельские 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 от-
крытия истины и нового решения — ни с чем не сравнимое и ничем 

не заменимое особое удовольствие и наслаждение, которое инте-
ресно 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 па-
раметров определенного типа редуктора). Различия творческих 
и четко определенных расчетных инженерных задач приведены 
в табл. П1.

Таблица П1

Таблица сравнения инженерных дисциплин

Показатель срав-
нения

В обыч ных курсах, 
четко определены 
задачи
В настоящем курсе

Постановка за-
дачи
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, анало-
гичный задаче

Имеется
Отсутствует (если есть 
пример, то задача решена) 

Результат ре-
шения
Как правило, одно-
значен и известен 
преподавателю

Как правило, многозначен 
и неизвестен преподавателю

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

пользуемой энергии, функцио нальными свойствами и пара-
метрическим синтезом параметров, которые обеспечивают ми-
нимальные 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 дина-
мические характеристики приводных систем;
уметь
 
• обоснованно выбирать конструктивную схему приводной 
системы ЛА;
 
• рассчитывать конструктивные параметры деталей и узлов кон-
струкции;
 
• соблюдать требования технического задания (ТЗ) с минимиза-
цией массогабаритных параметров;
владеть
 
• основами конструирования;
 
• способами конструирования с использованием методов, ме-
тодик, программных продуктов и каталогов современных го-
товых покупных изделий, необходимых для реализации кон-
струкции исполнительного механизма с минимизацией массо-
габаритных параметров.
Учебник предназначен для специалистов, бакалавров и маги-
странтов, а также инженеров, занимающихся вопросами конструи-
рования исполнительных механизмов приводных систем в раз-
личных областях техники, для которых важна минимизация массо-
габаритных 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 но-
вого исполнительного механизма» или «новая техника».
Каждое новое изделие, разрабатываемое на производстве, соот-
ветствует 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 функцио-
нальным и техническим характеристикам известные зарубежные 
и отечественные аналоги.
К новой технике относят:
 
• впервые реализуемые результаты научных исследований и при-
кладных 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 требо-
ваниям.
Если новое изделие только повторяет уже достигнутое на ми-
ровом уровне, то в ближайшем будущем на этапе широкого вне-
дрения оно будет отставать от достигнутого уровня. В результате 
изделие будет неконкурентоспособно и не принесет прибыли. 
Отметим, что на современном этапе при наличии рыночных от-
ношений 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 от-
крытии сущности и действия природных процессов с целью 
применения в практических разработках.
За последние два десятилетия можно выделить в качестве ре-
зультатов фундаментальных исследований, которые начали ис-
пользовать и будут иметь дальнейшее развитие в приводных сис-
темах, — это технология изготовления вычислительной техники и, 
как результат, внедрение в приводные системы элемен тов вычисли-
тельной техники (микросхемы); создание материалов с памятью; 
создание жидкостей, изменяющих свои физические свойства 
в результате действия магнитного поля; осознание принципов по-
строения исполнительных механизмов привода на основе волно-
вого принципа действия;
 
• поисковые исследования, включающие в себя выбор идеи. В ходе 
поисковых работ создается научный задел, на котором основы-
ваются последующие работы. Результатом поисковой работы 
являются открытия и изобретения. Например, разработка новых 
типов исполнительных механизмов приводов, ряд функций ко-
торых выполняют элемен ты вычислительной техники, или раз-
работка приводов на основе материалов с памятью, магнитных 
жидкостей, механизмов, действующих на волновом принципе.
Научно-исследовательские работы (НИР) и опытно-конструк-
торские 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 
конструк-
торской 
докумен-
тации (КД) 

Разра-
ботка тех-
нического 
предло-
жения

Изучение и анализ технического задания

Подбор материалов

Разработка КД технического предложения

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