用于防止机械反馈致动器中的非命令运动的微型阻尼器

摘要

本发明涉及用于防止机械反馈致动器中的非命令运动的微型阻尼器。一种在高振动环境中将致动器的位置的机械反馈提供至控制器的设备。该设备包括接触致动器的凸轮面的构件，使得致动器和凸轮面的移动使该构件移动。该设备还包括在构件上朝向凸轮面施加力的弹簧，以保持该构件和凸轮面之间的接触。该设备还包括抑制该构件运动的阻尼器，从而消除由振动引起的弹簧和构件的谐振移动。

说明书

技术领域

本发明涉及机械反馈致动器，并且更具体地，涉及用于机械反馈致动 器的剪式机构的弹簧和阻尼器配置。

背景技术

机械反馈致动器可以用于其中即使失去电力也需要提供控制反馈的 应用中。例如，液体燃料火箭发动机经常通过万向悬挂支架安装至太空飞 行器，其能够使发动机枢转并且将转向控制提供至太空飞行器。如果在太 空飞行器上失去电力，期望液体发动机使它们本身集中，使得飞机一直向 前飞行。

机械反馈致动器可包括致动器(例如，活塞)和用于致动器的控制器 之间的机械连杆机构。当与致动器接触的机械连杆机构的第一端响应于致 动器移动而移动时，与控制器接触的机械连杆机构的第二端也可以移动。 机械连杆机构的第二端的移动可以移动控制器的部件，以提供用于致动器 控制的反馈。例如，控制器可打开阀门释放增压的液压流体以使致动器移 位一英寸。随着致动器达到一英寸的位移，机械连杆机构的第二端的相应 运动可以施加关闭阀门的力，从而将致动器停止在一英寸的位移处。

为了提供机械反馈，机械连杆机构需要保持与致动器的接触。弹簧经 常用于提供将机械连杆机构推动为与致动器的反馈表面(例如，凸轮面) 接触的力。然而，弹簧可以受到共振的影响。更具体地，强烈的振动可以 导致弹簧以共振频率振动，这可导致施加于机械连杆机构的力减小，使得 机械连杆机构失去与致动器的接触。在这种情况下，机械连杆机构可将错 误的致动器位置传输至控制器。

发明内容

根据实施方式，一种机械反馈致动器可包括可移动致动器以及被配置 为控制可移动致动器的移动的控制器。可移动致动器可包括随着可移动致 动器可移动的凸轮面。机械反馈致动器还可包括布置为与凸轮面接触的机 械反馈连杆机构。机械反馈连杆机构可以响应于可移动致动器和凸轮面的 移动相对于控制器移动。机械反馈连杆机构的相对于控制器的位置可以表 示可移动致动器至控制器的位置。机械反馈可包括布置为与机械反馈连杆 机构接触的至少一个弹簧。至少一个弹簧可以朝向凸轮面在机械反馈连杆 机构上施加偏置力。机械反馈致动器可包括布置为与机械反馈连杆机构接 触的至少一个阻尼器，以在机械反馈连杆机构上施加阻尼力。

根据实施方式，一种伺服致动器可包括液压致动器、被配置为输出控 制信号的控制器、以及与液压致动器液压连通的电液压伺服阀。电液压伺 服阀可以与控制器连通，并且到达伺服阀的控制信号将液压流体引导至液 压致动器以致动液压致动器。伺服致动器还可包括布置为与液压致动器接 触的机械反馈构件。机械反馈构件响应于液压致动器的移动相对于电液压 伺服阀进行移动。机械反馈构件的相对于电液压伺服阀的位置可以表示液 压致动器至电液压伺服阀的位置。伺服致动器还可包括布置为与机械反馈 构件接触的至少一个弹簧，以朝向液压致动器在机械反馈构件上施加偏置 力。伺服致动器可包括布置为与机械反馈构件接触的至少一个阻尼器，以 在机械反馈构件上施加阻尼力。

根据实施方式，一种用于在致动器和控制器之间提供机械反馈的剪式 连杆机构可包括第一细长构件，其包括第一端、第二端以及布置在第一端 和第二端之间的第一枢轴。剪式连杆机构还可包括第二细长构件，其包第 三端、第四端以及布置在第三端和第四端之间的第二枢轴。第一枢轴和第 二枢轴彼此同轴，并且第一细长构件和第二细长构件相对于彼此绕着相应 的枢轴旋转。剪式连杆机构可包括布置在第一细长构件和第二细长构件之 间的至少一个弹簧，其中，至少一个弹簧被布置在第一细长构件的第一端 和第一枢轴之间以及第二细长构件的第三端和第二枢轴之间，并且其中， 至少一个弹簧施加力以使第一端和第三端彼此远离。剪式连杆机构还可包 括布置在第一细长构件和第二细长构件之间的至少一个阻尼器，其中，至 少一个阻尼器被布置在第一细长构件的第一端和第一枢轴之间以及第二 细长构件的第三端和第二枢轴之间。

附图说明

图1是液体燃料火箭发动机的示意性侧视图；

图2是流体力学伺服致动器的示意图；

图3A是航天飞机的示图；

图3B是太空发射系统的示图；

图4A是用于流体力学伺服致动器中的剪式连杆机构的侧视图，其中， 剪式连杆机构包括局部隐藏图中示出的三个弹簧和阻尼器；以及

图4B是用于图4A的剪式连杆机构的弹簧和阻尼器的截面侧视图。

具体实施方式

图1是液体火箭发动机102的示意图。发动机102包括将液体燃料供 应到腔室的各种机构108(例如，泵等)以及喷管104。燃烧的燃料通过 喷管104的出口106从发动机102排出。发动机102通过万向悬挂支架以 及致动器112和114连接至火箭的框架110。致动器112和114使发动机 102能够绕着万向悬挂支架上的两个轴相对于框架110旋转。第一致动器 112包括可以相对于汽缸124可伸缩移动的活塞120。致动器112通过第 一枢轴118连接至发动机102并且通过第二枢轴116连接至框架110。因 此，活塞120相对于汽缸124的移动引起发动机102绕着第一轴相对于框 架102枢转。第二致动器114包括相对于汽缸128其次可伸缩移动的活塞 126。致动器114通过第一枢轴130连接至发动机102并且通过第二枢轴 122连接至框架110。因此，活塞126相对于汽缸128的移动引起发动机 102绕着第二轴(垂直于第一轴)相对于框架110枢转。

在高可靠性是重要的环境中，可以提供用于控制的机械反馈的致动器 优于依赖电力的反馈系统(例如，使用传感器检测位置的反馈系统)。液 体燃料火箭发动机可使用具有使发动机能够在电力中断的情况下将它们 自身集中的机械反馈的致动器。图2是可在液体燃料火箭发动机上使用的 机械反馈致动器200的示意图。机械反馈致动器200包括在汽缸208内部 的活塞210。活塞210连接至连接杆206，该连接杆206连接至第一枢轴 202。第二枢轴204可连接至汽缸208。活塞210(和连接杆206)可以通 过选择性地将液压流体(等)泵进以及泵出汽缸中的腔室212和214而相 对于汽缸208可伸缩地移动。例如，为了沿箭头D的方向移动活塞210 和连接杆206，液压流体可被泵进腔室212中并且泵出腔室214。

通过包括动力阀232的致动器控制220控制液压流体泵进汽缸208 的腔室212和214中。动力阀232可以沿箭头G的方向(或者沿相反方向) 滑动以选择性地使液压源P能够与腔室212或者腔室214连通。类似地， 动力阀232的移动引起另一个腔室212和214与液压回流R连通。动力阀 232的移动通过一个或多个伺服阀222控制。多个伺服阀222可用于提供 控制动力阀的冗余度。

在正常操作下，各个伺服阀222的操作通过电信号进行控制。各个伺 服阀222可包括转矩电机224。可以施加电流使转矩电机224中的电枢226 相对于磁体如通过箭头A(或者沿相反方向)示出地扭转，。电枢226的 扭转使挠曲套筒(flexuresleeve)228沿箭头B的方向(或者根据电流流 动方向沿相反方向)侧向移位。挠曲套筒228的侧向移位打开阀门230， 这提供了液压源P和液压回流R与伺服阀222之间的连通。伺服阀222 还可以沿箭头B的方向(或者沿相反方向)移动，以将液压提供至动力阀 232的正面，使动力阀232在箭头G的方向上移动。

机械反馈致动器200可将机械反馈提供至致动器控制器220。活塞210 可耦接至包括面向内的锥形面262的内部锥形凸轮260。锥形凸轮260随 着活塞210相对于汽缸208是可移动的(沿箭头H的方向)。剪式连杆机 构242可设置有在锥形凸轮260内的第一端。剪式连杆机构242可包括第 一细长构件246和第二细长构件248。分别在剪式连杆机构242的第一细 长构件246和第二细长构件248的第一端上的滚轴250和252可以使锥形 凸轮260能够相对于剪式连杆机构242的第一端平移(translate)。弹簧254 将第一细长构件246的第一端和第二细长构件248的第一端推开。第二细 长构件248的第二端可以绕着(例如，相对于第二枢轴204锚定的)锚定 件枢转。第一细长构件246的第二端可连接至第一反馈连杆258。

随着活塞210和锥形凸轮260相对于剪式连杆机构242移动，第一细 长构件246的第一端和第二细长构件248的第一端将沿箭头E的方向彼此 相对或者彼此远离地移动。第一细长构件246的第二端和第二细长构件 248的第二端将沿相反方向移动。例如，如果活塞210和锥形凸轮260沿 箭头D和H的方向移动，则第一细长构件246的第一端和第二细长构件 248的第一端沿箭头E的方向将彼此远离地移动。同时，第一细长构件246 的第二端和第二细长构件248的第二端将朝向彼此移动。如上所述，第二 细长构件248的第二端可以通过锚定件256被固定在适当位置。换句话说， 第二细长构件248的第二端可以绕着锚定件256枢转，但是不可以相对于 锚定件256平移。因此，第一细长构件246的第二端和第二细长构件248 的第二端之间的任何移动都被传送至第一反馈连杆258。继续上述实例， 第一细长构件246的第二端和第二细长构件248的第二端朝向彼此的移动 导致反馈连杆沿箭头F的方向移动。

第一反馈连杆258的移动可以传递至第二反馈连杆240。第二反馈连 杆240可以枢转地连接至锚定件272，并且从而第二反馈连杆240的移动 可以传送至反馈杆265。反馈杆265可连接至弹簧264，弹簧264可以推 动各个伺服阀222的反馈配线266。另外的弹簧268可连接至固定锚定件 270。另外的弹簧268可以提供使得反馈杆265趋于朝向中心位置移动的 偏置力。反馈配线266可连接至挠曲套筒228。如上所述，可以将电流施 加至各个伺服阀222的电枢226以使电枢226沿箭头A的方向扭转。在各 种实施方式中，可以将定量的电流或电压施加至电枢226以导致一定量的 偏转(并且最终移动活塞210)。例如，施加于电枢226一伏可导致活塞 210(从中心位置)一英寸的位移，施加于电枢226两伏可导致活塞210 两英寸的位移等。弹簧264将力施加于反馈配线266并且最终施加于挠曲 套筒228，这可以抵消作用于电枢226的电磁力。继续该实例，随着活塞 210达到1英寸的位移，剪式连杆机构242、第一反馈连杆258和第二反 馈连杆240的合成移动导致弹簧264和弹力的移动，它们抵消了作用于挠 曲套筒228上的来自电枢226的电磁力。因此，伺服阀222将靠近，从而 停止液压流体至和自汽缸208的腔室212和214的流动。

当使活塞210偏转的电信号被从电枢226去除时(例如，当主控制器 想以活塞210为中心或者如果控制器失去电力时)，弹簧264将沿相反方 向(沿箭头C的方向)推动反馈配线266和挠曲套筒228，导致液压流体 沿相反方向流动以将活塞210移动回到中心位置。

如上所述，弹簧254向外推动第一细长构件246和第二细长构件248， 使得滚轴250和252与锥形凸轮260的锥形面262保持接触。现在参考图 3A和图3B，在相对较低的振动环境中，弹簧254可足以为滚轴250和252 与锥形凸轮260的锥形面262之间提供接触。例如，图3A是配置为起飞 的航天飞机300的前视图。航天飞机300包括与图1中示出的发动机102 类似的三个液体火箭发动机以及两个固体火箭助推器(booster)304。如 在图3A中可以看出，航天飞机300的液体燃料发动机302被布置为明显 高于固体火箭助推器发动机304。因此，液体燃料发动机302受到由离开 固体火箭助推器发动机304的尾气所产生的相对少量的振动。在其他应用 中，这样的液体燃料发动机可暴露于较高水平的振动。例如，图3B示出 了由波音公司开发的太空发射系统(SLS)310。在SLS310中，液体燃料 发动机302’和固体火箭助推器发动机304’彼此对齐。因此，液体燃料发动 机302’可经受来自固体火箭助推器304’的明显较高水平的振动。这样的增 加水平的振动可在剪式连杆机构242的弹簧254中诱发谐振。这样的谐振 可导致剪式连杆机构242的滚轴250和252与锥形凸轮260的锥形面262 失去接触。因此，机械反馈致动器200将不能接收活塞210的控制的反馈， 者可导致发动机102的控制偏移。

图4A和图4B示出了用于高振动环境(诸如，用于SLS310的液体 燃料发动机302’的环境)中的剪式连杆机构400的实施方式。剪式连杆机 构包括第一细长构件402和第二细长构件404，它们绕着枢轴406相对于 彼此可枢转。第一细长构件402包括可以与锥形凸轮260相互作用的滚轴 408。类似地，第二细长构件404包括可以与锥形凸轮260相互作用的滚 轴408。第一细长构件402和第二细长构件404可以限定可容纳一个或多 个弹簧/阻尼器单元414的内部体积410。内部体积410可包括保持弹簧/ 阻尼器单元414的端部的凹槽412。

图4B示出了用于剪式连杆机构400的弹簧/阻尼器单元414的局部截 面图。弹簧/阻尼器414可包括第一主体416和第二主体418。第一主体416 可包括端部422，该端部422可以与第一细长构件402或者第二细长构件 404中的凹槽412接口连接(interfacewith)。类似地，第二主体418可包 括端部428，该端部428可以与第一细长构件402或者第二细长构件404 中的凹槽412接口连接。第一主体416可包括凸缘424和底座(seat)426， 并且第二主体可包括凸缘430和底座432。弹簧420可以靠着底座426和 432并且通过底座426和432锁定。连接杆434可从第一主体416延伸并 且以活塞436终止。活塞436和连接杆434的一部分可布置在第二主体418 中。第二主体418可以限定其中活塞436可以移动的腔体438和440。腔 体438、440可以充满阻止活塞436移动的流体(例如，阻尼油)。活塞436 可包括一个或多个节流孔(orifice)442，随着活塞在腔438和440内移动， 阻尼流体可以穿过该节流孔。例如，图4B示出了节流孔为活塞436与腔 体438和440的壁之间的环形节流孔。

在一个实施方式中，弹簧420可以具有0.5英寸的外径并且配线直径 可以为0.047英寸。弹簧420可以具有1.125英寸的自由长度，并且当安 装在底座426和432之间时，安装长度为1英寸。弹簧420的弹簧刚度可 以为每英寸7.46磅。在各种其他实施方式中，弹簧420可以具有不同的尺 寸和/或弹簧刚度。

在一个实施方式中，活塞436可以具有0.1875英寸的直径。活塞436 可以限定两个孔径(aperture)，各个孔径具有0.03125英寸的直径。活塞 436在1.12英寸的腔体438和440中可以具有总冲程量。腔体438和440 可以充满重量为80的硅基油。所得的阻尼器可以具有5.345Lbf-秒/英寸 的阻尼系数。在各种其他实施方式中，阻尼系数可以在5.3Lbf-秒/英寸和 5.4Lbf-秒/英寸之间。在各种其他实施方式中，阻尼系数可以在5Lbf-秒/ 英寸和6Lbf-秒/英寸之间。在各种其他实施方式中，阻尼器可以具有不同 的尺寸和/或阻尼系数。

组合弹簧/阻尼器可以是临界阻尼的(即，阻尼比为1)、过阻尼的(即， 阻尼比大于1)、或者欠阻尼的(即，阻尼比小于1)。在各种实施方式中， 可以选择弹簧刚度和阻尼系数，使得阻尼比尽可能接近于1。

阻尼器可以抑制弹簧中的任何谐振，从而防止剪式连杆机构400在高 振动环境中与锥形凸轮260失去接触。在图4A中示出的实施方式中，阻 尼器与弹簧420同位。在各种其他实施方式中，阻尼器可以位于紧邻(即， 与弹簧并排)弹簧420。另外，剪式连杆机构400可包括任意数量的弹簧 和阻尼器。例如，在某些实施方式中，剪式连杆机构可包括单个弹簧和单 个阻尼器、两个弹簧和两个阻尼器、或者其他数量的弹簧和阻尼器。

阻尼器还可结合到这样的机械反馈致动器中的其他弹簧中，诸如，图 2中示出的致动器200。例如，阻尼器可结合到反馈杆265中的弹簧264 和268中，以抑制这些弹簧的任何谐振。

进一步地，本公开内容包括根据下列项的实施方式：

项1.一种机械反馈致动器，包括：可移动致动器；控制器，被配置 为控制可移动致动器的移动；凸轮面，能够随着可移动致动器移动；以及 机械反馈连杆机构，布置为与凸轮面接触，其中，机械反馈连杆机构响应 于可移动致动器和凸轮面的移动相对于控制器移动，其中，反馈连杆机构 相对于控制器的位置表示可移动致动器至控制器的位置；至少一个弹簧， 布置为与机械反馈连杆机构接触，以朝向凸轮面在机械反馈连杆机构上施 加偏置力；以及至少一个阻尼器，布置为与机械反馈连杆机构接触，以在 机械反馈连杆机构上施加阻尼力。

项2.根据项1所述的机械反馈致动器，其中，凸轮面包括具有内部 锥形面的锥形凸轮，并且其中，机械反馈连杆机构包括剪式连杆机构，所 述剪式连杆机构包括：相对于彼此枢转的第一细长构件和第二细长构件； 其中，第一细长构件的第一端和第二细长构件的第一端被布置为与内部锥 形面接触，其中，第一端彼此相对并且彼此远离是可移动的，其中，第一 细长构件和第二细长构件的第二端能够彼此相对并且彼此远离地移动，并 且其中，第二端中的至少一个相对于控制器移动；其中，至少一个弹簧包 括布置在第一细长构件和第二细长构件的第一端之间的至少一个弹簧，其 中，至少一个弹簧施加力以朝向内部锥形面移动第一端；并且其中，至少 一个阻尼器包括布置在第一端之间的至少一个阻尼器。

项3.根据项2所述的机械反馈致动器，其中，至少一个弹簧包括大 于每英寸7.2磅的弹簧刚度。

项4.根据项2所述的机械反馈致动器，其中，至少一个阻尼器包括 在5.3Lbf-秒/英寸和5.4Lbf-秒/英寸之间的阻尼系数。

项5.根据项1所述的机械反馈致动器，进一步包括：第二弹簧，布 置在机械反馈连杆机构和控制器之间；以及第二阻尼器，布置在机械反馈 连杆机构和控制器之间。

项6.根据项1所述的机械反馈致动器，其中，至少一个弹簧和至少 一个阻尼器被同轴布置。

项7.根据项1所述的机械反馈致动器，其中，弹簧被布置为紧邻阻 尼器。

项8.一种伺服致动器，包括：液压致动器；控制器，被配置为输出 控制信号；电液压伺服阀，与液压致动器液压连通，其中，电液压伺服阀 与控制器连通，其中，到达电液压伺服阀的控制信号将液压流体引导至液 压致动器以致动液压致动器；机械反馈构件，布置为与液压致动器接触， 其中，机械反馈构件响应于液压致动器的移动相对于电液压伺服阀移动， 其中，机械反馈构件相对于电液压伺服阀的位置表示液压致动器至电液压 伺服阀的位置；至少一个弹簧，布置为与机械反馈构件接触，以朝向液压 致动器在机械反馈构件上施加偏置力；以及至少一个阻尼器，布置为与机 械反馈构件接触，以在机械反馈构件上施加阻尼力。

项9.根据项8所述的伺服致动器，其中，液压致动器包括具有内部 锥形面的锥形凸轮，并且其中，机械反馈构件包括剪式连杆机构，所述剪 式连杆机构包括：相对于彼此枢转的第一细长构件和第二细长构件；其中， 第一细长构件的第一端和第二细长构件的第一端被布置为与内部锥形面 接触，其中，第一端能够彼此相对并且彼此远离地移动，其中，第一细长 构件和第二细长构件的第二端能够彼此相对并且彼此远离地移动，并且其 中，第二端中的至少一个相对于电液压伺服阀移动；其中，至少一个弹簧 包括布置在第一细长构件的第一端和第二细长构件的第一端之间的至少 一个弹簧，其中，至少一个弹簧施加力以朝向内部锥形面移动第一端；并 且其中，至少一个阻尼器包括布置在第一端之间的至少一个阻尼器。

项10.根据项9所述的伺服致动器，其中，至少一个弹簧包括大于每 英寸7.2磅的弹簧刚度。

项11.根据项9所述的伺服致动器，其中，至少一个阻尼器包括在 5.3Lbf-秒/英寸和5.4Lbf-秒/英寸之间的阻尼系数。

项12.根据项8所述的伺服致动器，进一步包括：第二弹簧，布置在 机械反馈构件和电液压伺服阀之间；以及第二阻尼器，布置在机械反馈构 件和电液压伺服阀之间。

项13.根据项8所述的伺服致动器，其中，至少一个弹簧和至少一个 阻尼器被同轴布置。

项14.根据项8所述的伺服致动器，其中，弹簧被布置为紧邻阻尼器。

项15.一种用于在致动器和控制器之间提供机械反馈的剪式连杆机 构，所述剪式连杆机构包括：第一细长构件，包括第一端、第二端以及布 置在第一端和第二端之间的第一枢轴；第二细长构件，包括第三端、第四 端以及布置在第三端和第四端之间的第二枢轴，其中，第一枢轴和第二枢 轴彼此同轴，并且其中，第一细长构件和第二细长构件绕着相应的枢轴相 对于彼此枢转；至少一个弹簧，布置在第一细长构件和第二细长构件之间， 其中，至少一个弹簧被布置在第一细长构件的第一端和第一枢轴之间以及 第二细长构件的第三端和第二枢轴之间，并且其中，至少一个弹簧施加力 以推动第一端和第三端彼此远离；以及至少一个阻尼器，布置在第一细长 构件和第二细长构件之间，其中，至少一个阻尼器被布置在第一细长构件 的第一端和第一枢轴之间以及第二细长构件的第三端和第二枢轴之间。

项16.根据项15所述的剪式连杆机构，其中，至少一个弹簧包括大 于每英寸7.2磅的弹簧刚度。

项17.根据项15所述的剪式连杆机构，其中，至少一个阻尼器包括 在5.3Lbf-秒/英寸和5.4Lbf-秒/英寸之间的阻尼系数。

项18.根据项15所述的剪式连杆机构，其中，至少一个弹簧和至少 一个阻尼器被同轴布置。

项19.根据项15所述的剪式连杆机构，其中，弹簧被布置为紧邻阻 尼器。

为了说明的目的已经提出了本发明的各种实施方式的描述，但是不意 在彻底的或者局限于所公开的实施方式。在不偏离所描述的实施方式的范 围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显 而易见的。本文中使用的术语选定为超过在市场中发现的技术来最好的解 释实施方式的原理、实际应用或者技术改造，或者使其他本领域的普通技 术人员能够理解本文所公开的实施方式。

在下文中，参考本公开内容中提出的实施方式。然而，本公开内容的 范围不限于具体描述的实施方式。而是，不管是否与不同的实施方式有关， 以下特征和元件的任何组合都被预期为实现并且实践所预期的实施方式。 此外，尽管本文所公开的实施方式可实现超过其他可能的解决方案或者超 过现有技术的优点，但是具体优点是否通过给定的实施方式来实现不限于 本公开内容的范围。因此，以下方面、特征、实施方式和优点仅是说明性 的，并且不考虑除了权利要求中明确陈述之外的所附权利要求的元件或者 限制。同样，参考“本发明”将不解释为本文所公开的任何发明主题的普 通性，并且将不被认为是除了权利要求中明确陈述之外的所附权利要求的 元件或者限制。

尽管上述针对本发明的实施方式，但是在不偏离本发明的基本范围的 情况下可以设计本发明的另一实施方式，并且本发明的范围由以上权利要 求进行确定。