飛機(jī)前起落架轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

劉湘君， 吳林

（中航工業(yè)飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，長沙410200）

0 引言

飛機(jī)設(shè)計(jì)一般要求在給定等級(jí)（給定寬度）的機(jī)場(chǎng)跑道上有180°的轉(zhuǎn)彎能力，對(duì)于大飛機(jī)，還要求在一定寬度的跑道內(nèi)具有良好的機(jī)動(dòng)能力。在飛機(jī)起飛和降落階段，飛機(jī)的地面轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)可以通過差動(dòng)剎車、改變發(fā)動(dòng)機(jī)推力差或轉(zhuǎn)動(dòng)飛機(jī)前起落架來操縱。其中差動(dòng)剎車一般用于后三點(diǎn)式飛機(jī)和輕型飛機(jī)，通過在左、右機(jī)輪上采用大小不同的剎車力使得左、右機(jī)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的速度不同，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的轉(zhuǎn)向要求，但差動(dòng)剎車可使未經(jīng)鋪砌的跑道表面產(chǎn)生腐蝕，會(huì)導(dǎo)致機(jī)輪過熱或機(jī)輪故障［1-2］。改變發(fā)動(dòng)機(jī)壓力差法現(xiàn)已極少使用，因?yàn)樗趯?shí)際操作過程中不易控制。隨著現(xiàn)代飛機(jī)使用對(duì)飛機(jī)的地面操縱技術(shù)要求日益提高，前起落架操縱因其可以改善剎車使用壽命、在抗側(cè)風(fēng)起降、在輪胎偶然爆胎事故中能糾正偏航等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代飛機(jī)上得到了更廣泛的應(yīng)用。本文主要針對(duì)在飛機(jī)上裝備的幾種常見前起落架轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)形式做簡(jiǎn)單介紹及分析，供飛機(jī)起落架相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。

1 起落架轉(zhuǎn)彎角度的確定

在飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)確定飛機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑后，可確定前輪操縱角度。由圖1可見，在前主輪距、主輪距確定的情況下，為滿足飛機(jī)的轉(zhuǎn)彎要求，飛機(jī)軸線離轉(zhuǎn)動(dòng)中心越近，需要的轉(zhuǎn)角越大。當(dāng)飛機(jī)在越狹窄跑道上轉(zhuǎn)彎時(shí)，所需轉(zhuǎn)角越大，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可用轉(zhuǎn)向角度還應(yīng)考慮施加力可大于所需力的情況，應(yīng)對(duì)可用的轉(zhuǎn)彎角度進(jìn)行合理限制。在確定轉(zhuǎn)角大小后，應(yīng)根據(jù)安裝與機(jī)構(gòu)支持位置、機(jī)械、電器與液壓之間的物理聯(lián)系，結(jié)構(gòu)間隙、剛度、阻尼等方面的具體要求，合理選擇轉(zhuǎn)向方式。

2 常見轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)形式

在飛機(jī)的前輪轉(zhuǎn)彎操縱機(jī)構(gòu)中，比較常見的為作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)和齒輪驅(qū)動(dòng)（含齒輪齒條驅(qū)動(dòng)）兩種類型，其中，作動(dòng)筒式又可分為單作動(dòng)筒式與雙作動(dòng)筒式。

圖1

2.1 單作動(dòng)筒式

單作動(dòng)筒轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)彎角度通常小于±45°，Y8 系列飛機(jī)轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)采用單作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)。常見的單作動(dòng)筒轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2

由于單作動(dòng)筒轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)彎角度較小，在地面牽引飛機(jī)時(shí)，若需要較大的牽引轉(zhuǎn)彎角度時(shí)，則需要脫開起落架的轉(zhuǎn)向部分，一般為脫開上下扭力臂（采用快卸銷連接上、下扭力臂），可使前輪牽引較大角度轉(zhuǎn)彎。在飛機(jī)放下起落架時(shí)，可使用前起外筒內(nèi)中凸輪使起落架處于中立位置。當(dāng)前輪接地時(shí)，接通輪載開關(guān)后才能開始地面操縱，此時(shí)緩沖支柱有一定壓縮量 ，緩沖支柱內(nèi)的對(duì)中凸輪已完全脫開，此時(shí)飛行員可轉(zhuǎn)動(dòng)駕駛操縱手輪，通過一系列機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可使操縱閥內(nèi)柱塞運(yùn)動(dòng)，液壓油進(jìn)入作動(dòng)筒相應(yīng)腔，從而控制作動(dòng)筒1伸縮運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)套筒4轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)扭力臂傳遞給機(jī)輪，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。該種形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但轉(zhuǎn)彎角度受限制。

作動(dòng)筒直接連接旋轉(zhuǎn)套筒，旋轉(zhuǎn)角度受到作動(dòng)筒行程及空間限制，當(dāng)需要較大旋轉(zhuǎn)角度時(shí)，可使用作動(dòng)筒加放大聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，作動(dòng)筒1的伸縮運(yùn)動(dòng)傳遞給搖臂2，由搖臂帶動(dòng)連桿3推動(dòng)轉(zhuǎn)彎套筒運(yùn)動(dòng),經(jīng)扭力臂傳遞給機(jī)輪，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

圖3

2.2 雙作動(dòng)筒式

雙作動(dòng)筒形式的動(dòng)力轉(zhuǎn)彎角一般大于45°，波音公司系列飛機(jī)多采用雙作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)形式，國內(nèi)客機(jī)ARJ21也采用雙作動(dòng)筒轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)，圖4為一種客機(jī)的雙作動(dòng)筒形式的動(dòng)力轉(zhuǎn)彎裝置。

圖4

以液壓為動(dòng)力，使用兩個(gè)線性位移作動(dòng)筒，可用駕駛手輪來操縱。該前輪操縱機(jī)構(gòu)的動(dòng)力轉(zhuǎn)彎角通常大于±70°。在前輪偏轉(zhuǎn)期間，通過液壓系統(tǒng)使左右轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒分別產(chǎn)生推拉力，通過起落架轉(zhuǎn)彎套筒帶動(dòng)扭力臂偏轉(zhuǎn)前輪。

圖4（a）中，左右作動(dòng)筒在補(bǔ)償器壓力作用下，提供向前直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的減擺阻尼。轉(zhuǎn)彎過程見圖4，由中立位置向左轉(zhuǎn)彎時(shí)，左轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒收縮產(chǎn)生拉力，右轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒伸長產(chǎn)生推力，帶動(dòng)轉(zhuǎn)彎套筒向左旋轉(zhuǎn),見圖4（b）。當(dāng)前輪偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到一定角度時(shí)（波音737為33°）時(shí)，拉力作動(dòng)筒活塞運(yùn)動(dòng)到極限位置，此后，利用轉(zhuǎn)動(dòng)接頭偏轉(zhuǎn)的幾何關(guān)系，停止向拉力作動(dòng)筒供壓，該作動(dòng)筒兩腔皆通回油。此時(shí)右邊的轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒繼續(xù)伸長，推動(dòng)轉(zhuǎn)彎套筒繼續(xù)左轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)左轉(zhuǎn)彎作動(dòng)筒過死點(diǎn)，僅靠推力作動(dòng)筒可完成前輪在中立位置后的轉(zhuǎn)彎驅(qū)動(dòng)，見圖4（c）。右轉(zhuǎn)彎與左轉(zhuǎn)彎時(shí)原理相同。

在整個(gè)轉(zhuǎn)彎過程中，由于轉(zhuǎn)彎角度較大，從中立位置向左或向右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，一個(gè)作動(dòng)筒的運(yùn)動(dòng)是由收縮到伸長的過程，在過死點(diǎn)位置時(shí)，油路的換向通過換向閥來實(shí)現(xiàn)。該種結(jié)構(gòu)形式兩作動(dòng)筒獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，使用維護(hù)方便，但液壓系統(tǒng)中需要設(shè)置換向閥來實(shí)現(xiàn)油路換向，相對(duì)于其他系統(tǒng)較為復(fù)雜。

2.3 齒輪齒條式

大角度轉(zhuǎn)彎的飛機(jī)通常選用雙作動(dòng)筒或齒輪齒條機(jī)構(gòu)?？湛拖盗酗w機(jī)多采用齒輪齒條轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)，圖5為某型客機(jī)齒輪齒條式前輪操縱機(jī)構(gòu)圖。

圖5

該飛機(jī)動(dòng)力轉(zhuǎn)彎角為±75°，牽引轉(zhuǎn)彎角度±95°。前輪偏轉(zhuǎn)時(shí)，由轉(zhuǎn)彎控制閥傳來的高壓油推動(dòng)齒條做直線運(yùn)動(dòng)，齒條推動(dòng)與其配合的齒輪偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)彎。圖6為某種飛機(jī)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)到不同位置時(shí)的示意圖。

圖6

齒輪齒條這種轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)的牽引轉(zhuǎn)彎角度可以大于動(dòng)力轉(zhuǎn)彎角度。牽引轉(zhuǎn)彎時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)彎角度大于動(dòng)力轉(zhuǎn)彎角度時(shí)齒輪與齒條不嚙合，齒條到達(dá)極限位置后齒輪還可以在牽引作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，因此牽引時(shí)可不用脫開轉(zhuǎn)向裝置。這是作動(dòng)筒式轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)不易實(shí)現(xiàn)的。

不足的一面是全部轉(zhuǎn)向力矩只作用在少數(shù)的輪齒上，為保證齒的強(qiáng)度，所需結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)增大，對(duì)空間的要求相對(duì)增高。

3 結(jié)論

飛機(jī)前輪操縱系統(tǒng)從最初的純機(jī)械式操縱系統(tǒng)到機(jī)械-液壓式操縱系統(tǒng)，發(fā)展成電傳操縱系統(tǒng)，到如今以數(shù)字式電傳操縱系統(tǒng)為主，其操縱形式一直在向智能化方向發(fā)展。但轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)形式仍以本文介紹的作動(dòng)筒式與齒輪傳動(dòng)（齒輪齒條）幾種典型方式為主，本文對(duì)這幾種前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)原理進(jìn)行介紹與分析，供起落架設(shè)計(jì)者在工作中參考應(yīng)用，有一定指導(dǎo)意義。

［1］［美］柯里.飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)原理和實(shí)踐［M］.方寶瑞，鄭作棣，譯.北京：航空工業(yè)出版社，1990：165.

［2］ 飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)：第14卷［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2002：329-366.