本書圍繞舵面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)中機構(gòu)間隙碰撞和控制耦合問題開展了相關(guān)研究。全書共7章，涉及含間隙鉸鏈機構(gòu)碰撞動力學(xué)建模理論方法、傳動機構(gòu)和電動舵機動力學(xué)建模、舵面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)聯(lián)合仿真建模與動態(tài)特性分析、實驗驗證等。將系統(tǒng)建模理論和應(yīng)用實例結(jié)合，為工程設(shè)計初始階段快速有效完成系統(tǒng)動力學(xué)特性分析提供借鑒。
本書可供機械工程和航空航天領(lǐng)域的科研工作者、相關(guān)工程技術(shù)人員閱讀，也可作為高校相關(guān)專業(yè)師生的教學(xué)參考書。

黨的二十大報告指出，增加新域新質(zhì)作戰(zhàn)力量比重，太空、深海、極地等領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新是制勝未來的重要突破點之一。作為天地往返運輸并可重復(fù)使用的“空天飛機”，舵面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)是高精度位置伺服系統(tǒng)，是飛控系統(tǒng)不可或缺的組成環(huán)節(jié)，其性能對飛行器的飛行路徑和控制精度具有重要影響。隨著航空/航天工程的快速發(fā)展，對系統(tǒng)提出了高速、高精度、高效率、高可靠性及長壽命等一系列設(shè)計和使用要求，機構(gòu)運動副中普遍存在的間隙及接觸碰撞會導(dǎo)致機構(gòu)出現(xiàn)動態(tài)輸出振蕩、運動精度下降、可靠性和使用壽命降低，甚至功能失效等問題，因此，對于舵面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)，不僅要考慮其控制問題，也需同時考慮間隙對其動力學(xué)特性的影響。
舵面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)由電動舵機和傳動機構(gòu)兩個分系統(tǒng)組成，是多變量、強耦合的機電一體化復(fù)雜系統(tǒng)。由于電動舵機無需安裝液壓管，體積小、可靠性高，因此逐漸在航空領(lǐng)域得到青睞。電動舵機作為新型電傳動系統(tǒng)之一，主要由電機及其控制器、減速機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)三部分組成。隨著電動舵機對系統(tǒng)性能的要求越來越苛刻，研究間隙、摩擦、彈性變形等非線性因素對系統(tǒng)輸出性能的影響非常必要。同時，傳動機構(gòu)作為實現(xiàn)電動舵機和舵面之間運動和動力傳遞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其間隙鉸鏈的碰撞效應(yīng)易降低舵面輸出精度、工作效率并增強噪聲及振動。因此，本書建立了舵面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)耦合模型，其中不僅考慮了電動舵機執(zhí)行機構(gòu)接觸剛度、間隙及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度等非線性環(huán)節(jié)，還考慮了傳動機構(gòu)間隙鉸鏈碰撞動力學(xué)及剛?cè)狁詈咸匦浴?
本書主要內(nèi)容如下：
① 對比分析了八種法向接觸力模型，包括Hertz模型和七種非線性彈簧-阻尼接觸力模型。以軸和軸承一次碰撞為仿真算例，指出各種模型的優(yōu)缺點及適用范圍。
② 提出了一種含多因素的改進法向接觸力模型。該模型可以考慮接觸體幾何形狀、材料特性、軸承軸向尺寸、碰撞過程能量損耗等因素，又不受恢復(fù)系數(shù)限制并適用于大面積接觸碰撞過程。以軸-軸承及含間隙曲柄滑塊機構(gòu)為例，通過理論和實驗的對比，驗證所建立接觸力模型的有效性。
③ 基于提出的改進法向接觸力模型，建立了含多個間隙鉸鏈和多個柔性構(gòu)件的傳動機構(gòu)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型。分析了系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，如間隙尺寸、鉸鏈位置、鉸鏈數(shù)量及運動模式、驅(qū)動速度、構(gòu)件材料、柔性與間隙耦合作用對舵軸響應(yīng)的影響規(guī)律。
④ 構(gòu)建了考慮傳動鏈非線性因素的電動舵機仿真模型，研究了執(zhí)行構(gòu)件行星滾柱絲杠接觸剛度、間隙和電動舵機固定剛度等參數(shù)的影響，并對不同位置階躍指令下的系統(tǒng)響應(yīng)開展分析，且通過文獻驗證了該模型的有效性。結(jié)合電動舵機模型和含多間隙鉸鏈的傳動機構(gòu)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，建立了舵面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)動力學(xué)耦合模型，分析了行星滾柱絲杠接觸剛度、電動舵機固定剛度、行星滾柱絲杠間隙、間隙鉸鏈數(shù)量、構(gòu)件柔性和舵面負載等參數(shù)對系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響。
⑤ 搭建了舵面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)試驗臺，開展了周期矩形脈沖階躍特性和不同頻率下的掃頻特性實驗。通過與相應(yīng)實驗測試結(jié)果的對比分析，驗證了本書建立的舵面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)動力學(xué)耦合模型及各種參數(shù)對含多間隙鉸鏈系統(tǒng)動力學(xué)特性影響規(guī)律的正確性。
通過上述研究工作，以期為飛行器舵面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)動力學(xué)特性的深入研究奠定良好基礎(chǔ)。由于作者水平有限，書中難免存在不足之處，懇請廣大讀者批評指正。

著者

1 緒論
1.1 本書寫作背景與意義	2
1.2 國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀	4
1.2.1 含間隙鉸鏈機構(gòu)碰撞動力學(xué)研究現(xiàn)狀	4
1.2.2 電動舵機研究現(xiàn)狀	8
1.2.3 舵面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)研究現(xiàn)狀	10
1.3 現(xiàn)有研究中存在的問題	10
1.4 本書主要研究內(nèi)容	11

2 含間隙鉸鏈機構(gòu)碰撞動力學(xué)建模理論方法研究
2.1 概述	16
2.2 含間隙鉸鏈機構(gòu)動力學(xué)建模方法	16
2.2.1 間隙描述方法	16
2.2.2 間隙鉸鏈數(shù)學(xué)模型	17
2.2.3 間隙鉸鏈接觸力模型對比	19
2.3 含間隙鉸鏈多體系統(tǒng)動力學(xué)方程	35
2.3.1 剛性多體系統(tǒng)動力學(xué)方程	35
2.3.2 柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)方程	36
2.4 改進的非線性法向接觸力模型	37
2.4.1 改進接觸力模型對比驗證	38
2.4.2 基于改進接觸力模型的曲柄滑塊機構(gòu)算例驗證	39
2.4.3 不同工況仿真分析	43
2.5 本章小結(jié)	48

3 考慮鉸鏈間隙與柔性的傳動機構(gòu)動力學(xué)特性研究
3.1 概述	52
3.2 嵌入改進接觸力模型建模方法驗證	52
3.2.1 嵌入改進接觸力模型的動力學(xué)仿真建模方法	52
3.2.2 不同間隙尺寸下曲柄滑塊機構(gòu)模型驗證	53
3.3 考慮鉸鏈間隙的傳動機構(gòu)剛體動力學(xué)模型及分析	56
3.3.1 不同徑向間隙尺寸	58
3.3.2 不同間隙鉸鏈位置	60
3.3.3 不同間隙鉸鏈數(shù)量	62
3.3.4 組合運動模式	68
3.4 考慮鉸鏈間隙的傳動機構(gòu)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型及分析	71
3.4.1 柔性構(gòu)件動力學(xué)建模	71
3.4.2 含柔性構(gòu)件的系統(tǒng)動力學(xué)特性分析	72
3.4.3 柔性與間隙耦合的系統(tǒng)動力學(xué)特性分析	77
3.5 本章小結(jié)	84

4 電動舵機建模與動力學(xué)特性分析
4.1 概述	88
4.2 結(jié)構(gòu)組成	88
4.3 電動舵機仿真模型	90
4.3.1 永磁同步電機模型	91
4.3.2 永磁同步電機矢量控制	94
4.3.3 執(zhí)行機構(gòu)模型	100
4.3.4 舵面模型	102
4.4 電動舵機動力學(xué)特性分析	104
4.4.1 非線性影響因素分析	104
4.4.2 電動舵機響應(yīng)	106
4.4.3 電動舵機模型驗證	109
4.5 本章小結(jié)	110

5 舵面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)聯(lián)合仿真模型參數(shù)影響研究
5.1 概述	112
5.2 舵面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)聯(lián)合仿真建模	112
5.3 舵面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)參數(shù)影響分析	115
5.3.1 行星滾柱絲杠接觸剛度	115
5.3.2 電動舵機固定剛度	117
5.3.3 行星滾柱絲杠間隙	118
5.3.4 不同間隙鉸鏈數(shù)量	120
5.3.5 構(gòu)件柔性	123
5.3.6 舵面載荷	124
5.4 本章小結(jié)	126

6 舵面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)動力學(xué)實驗研究
6.1 概述	130
6.2 試驗臺系統(tǒng)組成及工作原理	130
6.2.1 控制系統(tǒng)	130
6.2.2 測試系統(tǒng)	133
6.2.3 工作原理	133
6.3 實驗結(jié)果	134
6.3.1 階躍特性實驗	134
6.3.2 舵機掃頻實驗	135
6.4 實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比	138
6.4.1 空載掃頻特性	139
6.4.2 加載掃頻特性	142
6.5 本章小結(jié)	145

7 總結(jié)與展望
7.1 本研究的主要內(nèi)容及結(jié)論	148
7.2 本研究的創(chuàng)新之處	150
7.3 本研究的不足與展望	151

參考文獻	153