樞軸式后緣襟翼驅(qū)動(dòng)連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

中國(guó)商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心 周 彬

目前，民航飛機(jī)的巡航速度越來(lái)越快，同時(shí)又要求飛機(jī)的起飛、著陸速度控制在合理的范圍內(nèi)；這就需要飛機(jī)安裝高升力的增升裝置。通常飛機(jī)的增升裝置包括前緣縫翼和后緣襟翼，其收放機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)獨(dú)特而復(fù)雜的工作[1]。

隨著科技的發(fā)展，比如三維仿真技術(shù)的提高，后緣襟翼的收放機(jī)構(gòu)向簡(jiǎn)單、高效的方向發(fā)展?？湛汀⒉ㄒ糇钚滦偷拿裼每蜋C(jī)都采用了樞軸式后緣襟翼，此類襟翼其整流罩比傳統(tǒng)飛機(jī)的要小得多，結(jié)構(gòu)重量相對(duì)較小。由于這個(gè)特性，降低了油耗和成本，同時(shí)獲得了高效的升阻比性能。另一方面，結(jié)構(gòu)上取消了滑軌，減少了結(jié)構(gòu)零部件，維修隨之減少也易于維護(hù)。

空客飛機(jī)多采用單縫式富勒襟翼，每片襟翼與機(jī)翼后梁多點(diǎn)連接。以空客A350為例，單邊機(jī)翼上設(shè)計(jì)有兩片襟翼，內(nèi)襟翼和外襟翼；每片襟翼由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)連桿驅(qū)動(dòng)。第1支點(diǎn)和第2支點(diǎn)安裝連桿驅(qū)動(dòng)內(nèi)襟翼，第3支點(diǎn)和第4支點(diǎn)安裝連桿驅(qū)動(dòng)外襟翼，如圖1所示。內(nèi)襟翼的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)于外襟翼來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單，襟翼載荷也比較小。故選取外襟翼第3支點(diǎn)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析。

圖1 后緣襟翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置Fig.1 Drive mechanism layout of flap

1 驅(qū)動(dòng)連桿功能簡(jiǎn)述

樞軸式后緣襟翼不同于傳統(tǒng)滑軌式襟翼，采用連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)襟翼做近似圓周運(yùn)動(dòng)。連桿機(jī)構(gòu)分兩段，上端H型連桿連接到固定在機(jī)翼后梁的懸臂肋上，與齒輪箱連接傳遞驅(qū)動(dòng)載荷；下端A型連桿連接到襟翼接頭上，驅(qū)動(dòng)襟翼。同時(shí)，懸臂肋上有一旋轉(zhuǎn)中心，在旋轉(zhuǎn)中心通過(guò)一接頭將懸臂肋和襟翼連接起來(lái)控制運(yùn)動(dòng)軌跡；襟翼可在齒輪箱的驅(qū)動(dòng)下繞旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2所示。

圖2 后緣襟翼驅(qū)動(dòng)連桿裝配圖Fig.2 Assembly diagram of drive link of flap

2 驅(qū)動(dòng)組件細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

驅(qū)動(dòng)連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)分離面。當(dāng)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)軌跡確定后(圖3)；以此為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件，之后經(jīng)強(qiáng)度校核和三維干涉檢查。強(qiáng)度按破損安全多傳力途徑結(jié)構(gòu)件校核，三維干涉檢查要求驅(qū)動(dòng)連桿在運(yùn)動(dòng)方向與其他結(jié)構(gòu)件至少有25mm間隙。

圖3 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)分離面(紅色點(diǎn)、線、面)Fig.3 Kinematic and interface plane (red point, line, plane)

2.1 破損-安全設(shè)計(jì)及主傳力分析

當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)件破壞后，要求[2]：

ηfa≥ ηe=ηd/f (f=1.5) ，

Nex,fa/4 ≥ H ，

式中，ηfa為含損傷結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度系數(shù)；ηe為使用強(qiáng)度系數(shù)；ηd為設(shè)計(jì)強(qiáng)度系數(shù)；f為強(qiáng)度安全系數(shù)；Nex,fa為疲勞試驗(yàn)壽命；H為檢查周期。

襟翼驅(qū)動(dòng)連桿為破損-安全多傳力結(jié)構(gòu)，即主承力構(gòu)件破損后，仍可通過(guò)其他破損-安全構(gòu)件傳遞載荷。驅(qū)動(dòng)連桿和連接軸都為破損-安全結(jié)構(gòu)件。

圖4 驅(qū)動(dòng)連桿部件Fig.4 Drive link

驅(qū)動(dòng)連桿分為2段，H型連桿和A型連桿。每段連桿都有3個(gè)零件組合而成，一個(gè)主承力零件，材料為高強(qiáng)鋁合金；2個(gè)破損-安全零件，材料為鈦合金。3個(gè)零件由一系列高鎖螺栓連接起來(lái)，如圖4所示。連接軸共有4根，2根主軸，2根破損-安全零件，材料都為鈦合金。上連接軸連接H型連桿和懸臂肋，下連接軸連接H型連桿和A型連桿，如圖4所示。

驅(qū)動(dòng)載荷通過(guò)齒輪由齒輪箱傳遞到內(nèi)側(cè)的H型連桿破損-安全零件，再傳遞到整個(gè)H型連桿；然后通過(guò)下連接軸傳遞到A型連桿；最后通過(guò)襟翼接頭傳遞到襟翼上，驅(qū)動(dòng)襟翼運(yùn)動(dòng)。

2.2 防轉(zhuǎn)(防松)設(shè)計(jì)

在連桿結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中，只要有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)的結(jié)構(gòu)件之間，必須要有防轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)以避免零件之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦或松動(dòng)。如軸承外圈與孔之間、軸承內(nèi)圈與軸之間、主軸與安全-破損軸之間和螺母等。轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)只發(fā)生在軸承內(nèi)、外圈之間。

防轉(zhuǎn)的常見類型有防轉(zhuǎn)墊片、防轉(zhuǎn)板、防轉(zhuǎn)襯套和防轉(zhuǎn)墊圈、防轉(zhuǎn)螺母等，如圖5和圖6所示。

2.3 選擇軸承設(shè)計(jì)

軸承是一個(gè)支撐軸的零件，它可以引導(dǎo)軸的旋轉(zhuǎn)，也可以承受軸上空轉(zhuǎn)的零件。載荷是選用軸承的最主要因素。滾子軸承用于承受較重的載荷，球軸承用于承受較輕的或中等載荷。

圖6 下連接軸剖面圖Fig.6 Section of lower connection

設(shè)計(jì)中根據(jù)載荷的不同，選擇不同類型的軸承以滿足要求。襟翼驅(qū)動(dòng)連桿共有5處安裝了軸承，支撐上連接軸2處，支撐下連接軸2處，連接襟翼接頭1處。

1號(hào)和2號(hào)軸承支撐上連接軸，將整個(gè)驅(qū)動(dòng)連桿固定在懸臂肋上并具有軸向定位作用。驅(qū)動(dòng)連桿由齒輪箱得到驅(qū)動(dòng)力并傳遞到襟翼接頭上，而齒輪箱布置在機(jī)翼內(nèi)側(cè)；故在第3支點(diǎn)上，內(nèi)側(cè)的1號(hào)軸承徑向載荷較大并承受一定的軸向載荷。外側(cè)的2號(hào)軸承承載形式與1號(hào)軸承相同，載荷較小。1、2號(hào)軸承選用調(diào)心滾子軸承，如圖5所示。

3號(hào)和4號(hào)軸承支撐下連接軸，將H型連桿和A型連桿連接在一起。與上連接軸1號(hào)軸承類似，內(nèi)側(cè)的3號(hào)軸承徑向載荷較大并承受一定的軸向載荷，故選用調(diào)心滾子軸承。4號(hào)軸承徑向載荷較小，也不承受軸向載荷，故選用球面滑動(dòng)軸承，如圖6所示。

5號(hào)軸承將驅(qū)動(dòng)連桿和襟翼接頭連接在一起，其承受徑向、軸向載荷的同時(shí)存在的聯(lián)合載荷，可在一定角度范圍內(nèi)作運(yùn)動(dòng)。故5號(hào)軸承選用球面滑動(dòng)軸承，如圖7所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)連桿與襟翼接頭連接處Fig.7 Connection between drive link and flap fitting

2.4 潤(rùn)滑設(shè)計(jì)

對(duì)軸承來(lái)說(shuō)，潤(rùn)滑是左右其性能的重要因素。潤(rùn)滑劑或潤(rùn)滑方式合適與否將大大影響軸承的壽命。潤(rùn)滑方式主要分為脂潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑。驅(qū)動(dòng)連桿所用軸承都采用了油潤(rùn)滑。

潤(rùn)滑劑的更換或補(bǔ)充需要考慮結(jié)構(gòu)通路問(wèn)題。如上連接軸內(nèi)側(cè)軸承安裝后，外圈結(jié)構(gòu)空間開敞，便于補(bǔ)充潤(rùn)滑劑，不需要額外考慮；而上連接軸外側(cè)軸承安裝后，軸承周圍都已被其他結(jié)構(gòu)件包圍，沒(méi)有結(jié)構(gòu)通路去補(bǔ)充潤(rùn)滑劑。故在上連接破損-安全軸外側(cè)鉆了一個(gè)空腔，并用螺帽、堵頭封閉?？涨粌?nèi)儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，維護(hù)時(shí)通過(guò)打開堵頭來(lái)補(bǔ)充潤(rùn)滑油?？涨粌?nèi)在軸承處開有4個(gè)φ2.5mm的孔，貫穿主軸和破損-安全軸。這樣潤(rùn)滑油就能從空腔流到軸承內(nèi)，如圖8所示。

2.5 限位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖8 軸承潤(rùn)滑通路Fig.8 Access of Bearing lubricate

實(shí)際上襟翼驅(qū)動(dòng)連桿是一個(gè)搖臂機(jī)構(gòu)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)連桿通過(guò)軸承固定在懸臂肋上，從齒輪箱傳遞驅(qū)動(dòng)載荷到襟翼。襟翼的運(yùn)動(dòng)軌跡及起始、終止位置都是確定的。為保證驅(qū)動(dòng)連桿在齒輪箱的驅(qū)動(dòng)下正常工作，就必須設(shè)計(jì)限位機(jī)構(gòu)來(lái)控制驅(qū)動(dòng)連桿的起始和終止的位置[3]。

限位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到機(jī)構(gòu)的可靠性和重量。概念設(shè)計(jì)時(shí)，定位銷或限位塊設(shè)計(jì)在H型連桿和A型連桿上，通過(guò)控制兩者之間的相對(duì)位置來(lái)限位。這種設(shè)計(jì)加大了結(jié)構(gòu)重量，同時(shí)，空間緊張也加大了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度。后期在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，改進(jìn)了設(shè)計(jì)思路。限位塊設(shè)計(jì)在H型連桿破損-安全零件和加強(qiáng)結(jié)合盤上，受力直接，功能可靠，如圖9所示。

圖9 驅(qū)動(dòng)連桿限位機(jī)構(gòu)Fig.9 Limit location mechanism of drive link

2.6 襯套設(shè)計(jì)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，襯套一般用在不同材質(zhì)的結(jié)構(gòu)件之間，避免軸與孔直接接觸擠壓、摩擦等。有些時(shí)候，也用作軸向定位件使用。

襟翼驅(qū)動(dòng)連桿中所用襯套根據(jù)功能主要分為兩種：

圖10 2類典型襯套(干涉襯套、軸向定位襯套)Fig.10 Two kinds of typical bush (frozen bush, locate bush )

一種干涉襯套以大干涉量裝配在孔內(nèi)，以提高孔的擠壓強(qiáng)度、疲勞性能等；一種作為軸向定位件以間隙配合裝配在軸上，如圖10所示。

3 結(jié)論

在一定的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)分離面來(lái)進(jìn)行襟翼驅(qū)動(dòng)連桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。整個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)按破損-安全多傳力結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)與校核。

為確保驅(qū)動(dòng)連桿功能的有效實(shí)施，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)除考慮強(qiáng)度因素外，還必須注意結(jié)構(gòu)件的防轉(zhuǎn)、防松，軸承的選擇與潤(rùn)滑，限位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，襯套的選擇與應(yīng)用，以及維護(hù)方便等因素。

[1] 牛春勻. 實(shí)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì). 北京：航空工業(yè)出版社，2008.

[2] 王遠(yuǎn)達(dá)，梁永勝，王宏偉. 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的耐久性與損傷容限設(shè)計(jì) . 飛機(jī)設(shè)計(jì)，2009，29(1)： 37-43.

[3] 嚴(yán)少波，黃建國(guó). 飛機(jī)后緣襟翼運(yùn)動(dòng)同步性設(shè)計(jì)和計(jì)算. 民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2011(1)： 20-24，32.