飛機(jī)起落架撐桿鎖彈簧的分析與設(shè)計(jì)

袁 理，余 晟，鐘 聲，馬 穎，寧曉東

(1. 中航飛機(jī)股份有限公司長(zhǎng)沙起落架分公司，長(zhǎng)沙 410200;2. 海軍駐某部航空軍代室，株洲 412000)

飛機(jī)起落架下位鎖的性能直接影響著飛行安全[1]，而彈簧往往是下位鎖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其功能的關(guān)鍵部件，下位鎖機(jī)構(gòu)中彈簧設(shè)計(jì)的重要性毋庸質(zhì)疑。撐桿鎖是起落架下位鎖最常見的形式，而設(shè)定彈簧在撐桿機(jī)構(gòu)中的邊界條件令設(shè)計(jì)人員感到棘手，形成一套合理有效的撐桿彈簧設(shè)計(jì)和計(jì)算方法是亟待解決的問(wèn)題。

1 撐桿鎖彈簧設(shè)計(jì)思路

1.1 撐桿鎖彈簧的布置形式

可折撐桿鎖是位于起落架撐桿折疊處的連桿鎖，其上鎖后不能折疊，可承受拉壓載荷[2]。按鎖桿機(jī)構(gòu)布置形式，可折撐桿鎖分為自折式和支承式，為保證起落架能自由放下并上鎖[3]，自折式和支承式可折撐桿鎖皆采用彈簧實(shí)現(xiàn)上鎖目的，并利用開鎖作動(dòng)筒解鎖。自折式撐桿鎖的鎖機(jī)構(gòu)在撐桿上，結(jié)構(gòu)剛度較弱，用于收藏空間狹窄的情況[4]。常見的自折式撐桿鎖彈簧的布置形式如圖1所示。

圖1 自折式撐桿鎖彈簧布置Fig.1 Springs in down-lock of self-foldable side stays

支承式撐桿鎖的鎖機(jī)構(gòu)不在撐桿上，結(jié)構(gòu)受力合理且剛度好[5]，應(yīng)用廣泛[6]，但對(duì)彈簧的要求較高。典型的支承式撐桿鎖彈簧布置形式如圖2所示。

1.2 設(shè)計(jì)思路與初始條件

圖2 支承式撐桿鎖彈簧布置Fig.2 Springs in down-lock of lock stays

撐桿鎖彈簧的設(shè)計(jì)是下位鎖撐桿組件乃至整個(gè)收放系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其參數(shù)影響著收放系統(tǒng)中開鎖作動(dòng)筒和收放作動(dòng)筒的設(shè)計(jì)以及整個(gè)收放系統(tǒng)的性能。起落架收放系統(tǒng)中撐桿鎖彈簧和作動(dòng)筒設(shè)計(jì)流程如圖3所示，下位鎖彈簧（撐桿彈簧）初步設(shè)計(jì)完成后開始下位鎖開鎖作動(dòng)筒設(shè)計(jì)，然后利用所得參數(shù)設(shè)計(jì)起落架收放作動(dòng)筒，最后根據(jù)所有計(jì)算結(jié)果考慮起落架自由放性能。如果起落架自由放性能不能滿足目標(biāo)要求，則需調(diào)整下位鎖彈簧的參數(shù)，從而影響開鎖作動(dòng)筒和收放作動(dòng)筒的設(shè)計(jì)。下位鎖彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù)需通過(guò)與開鎖作動(dòng)筒設(shè)計(jì)參數(shù)、收放作動(dòng)筒設(shè)計(jì)參數(shù)和收放系統(tǒng)自由放性能參數(shù)進(jìn)行多次迭代計(jì)算后最終確定。

圖3 撐桿彈簧設(shè)計(jì)流程Fig.3 Design procedure of springs in down-lock mechanism

在撐桿彈簧初始條件設(shè)定時(shí)，與采用受力分析確定彈簧拉力的傳統(tǒng)方法不同，本文對(duì)彈簧拉力的初步設(shè)計(jì)主要考慮兩種工況：防止因地面人員誤操作而導(dǎo)致下位鎖開鎖；防止因20g過(guò)載引起的鎖桿慣性力大于彈簧拉力而導(dǎo)致下位鎖開鎖[7]。以支承式撐桿鎖彈簧的布置形式為例，如圖4所示，雙余度下位鎖彈簧應(yīng)在以下兩種情況下保持上鎖（即上、下鎖桿和彈簧保持原位）：停機(jī)狀態(tài)下，地面操作人員因失誤而施加與下位鎖撓度方向相反的力Fa時(shí)（2個(gè)彈簧正常工作）；上、下鎖桿在20g過(guò)載情況下產(chǎn)生垂直地面向上的質(zhì)量力F1和F2時(shí)（1個(gè)彈簧正常工作）。

在下位鎖開鎖作動(dòng)筒的設(shè)計(jì)中，需要考慮在最大上鎖力、最低作動(dòng)效率、彈簧皆正常工作、彈簧工作拉力最大、重力與氣動(dòng)力嚴(yán)重阻礙開鎖、最大接頭摩擦力和最大收放作動(dòng)筒載荷并存的條件下必須能使下位鎖開鎖；同時(shí)也要考慮下位鎖開鎖作動(dòng)筒在最小上鎖力、最高作動(dòng)效率、彈簧皆正常工作、彈簧工作拉力最小、1g重力載荷、無(wú)氣動(dòng)力載荷、無(wú)接頭摩擦力和無(wú)收放作動(dòng)筒載荷并存的條件下必須不能使下位鎖開鎖。起落架收放作動(dòng)筒的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮氣動(dòng)載荷、過(guò)載、艙門載荷、液壓系統(tǒng)性能和接頭摩擦力對(duì)起落架收放系統(tǒng)的影響。

2 撐桿鎖彈簧設(shè)計(jì)舉例

以某型飛機(jī)主起落架撐桿彈簧設(shè)計(jì)為例，收放撐桿的運(yùn)動(dòng)形式基于平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[8]，下位鎖系統(tǒng)采用雙彈簧形式，起落架下位上鎖狀態(tài)拉簧長(zhǎng)度Llock=439.5mm，收放過(guò)程中拉簧最大長(zhǎng)度Lmax=619.5mm。

設(shè)定地面人員最大誤操作力Fa=400N，通過(guò)力平衡方法計(jì)算得出兩個(gè)彈簧在下位鎖上鎖狀態(tài)需合計(jì)提供不小于1000N的拉力（2個(gè)彈簧正常工作）以防止開鎖，則單個(gè)彈簧最小工作拉力Fmin1=500N。通過(guò)計(jì)算得出20g過(guò)載工況下單個(gè)彈簧需提供≥550N的拉力（1個(gè)彈簧正常工作）克服質(zhì)量力F1和F2以防止開鎖，則單個(gè)彈簧最小工作拉力Fmin2=550N。如表1所示，考慮10%容差的彈簧最小計(jì)算拉力Fmin=605N。

根據(jù)收放機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)分析，彈簧最大拉伸變化量h=180mm，彈簧中徑D=40mm，設(shè)最大拉力為P=1800N，那么需要的彈簧剛度：

圖4 撐桿鎖意外開鎖力示意圖Fig.4 Unlock force on down-lock mechanism

表1 彈簧最小工作拉力比較

選用17-7PH不銹鋼絲作為彈簧材料，抗拉強(qiáng)度σb=1613MPa，切變模量 G=73.5GPa[9]，則許用切應(yīng)力：

[τ]=0.8×τs=0.8×0.6×σb≈ 774（MPa）初算簧絲直徑[10]：

取簧絲直徑d=7mm，旋繞比C=D/d=5.714，曲度系數(shù)：

初算有效圈數(shù)：

圓整后有效圈數(shù)n=52，那么彈簧剛度：

據(jù)旋繞比C取初切應(yīng)力τ0≈130MPa，則彈簧初拉力[11]：

而考慮兩端結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度后的彈簧并圈高度為414mm，那么彈簧在起落架下位上鎖狀態(tài)提供的拉力值為：

Flock=（Llock-414）×k+F0≈606.8（N）＞ Fmin

彈簧在起落架收放過(guò)程中最大長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的拉力值

Fmax=（Lmax-414）×k+F0≈ 1799.9（N）

驗(yàn)算彈簧使用過(guò)程中最大切應(yīng)力：

滿足使用要求，撐桿鎖彈簧經(jīng)初步設(shè)計(jì)后的主要參數(shù)如表2所示。

接下來(lái)進(jìn)行的下位鎖開鎖作動(dòng)筒、起落架收放作動(dòng)筒和收放系統(tǒng)自由放性能的設(shè)計(jì)和計(jì)算過(guò)程省略。如果收放系統(tǒng)自由放性能不能滿足預(yù)定要求，則需調(diào)整收放機(jī)構(gòu)以及下位鎖彈簧的設(shè)計(jì)。重新設(shè)定下位鎖彈簧的參數(shù)時(shí)，彈簧拉力必須滿足防止因地面人員誤操而開鎖，防止因20g過(guò)載引起的鎖桿慣性力大于彈簧拉力而開鎖這兩個(gè)初始條件。

表2 彈簧主要參數(shù)值

3 結(jié)束語(yǔ)

本文明確了飛機(jī)起落架撐桿鎖彈簧、下位鎖開鎖作動(dòng)筒、收放作動(dòng)筒及收放機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)順序，介紹了一種區(qū)別于傳統(tǒng)受力分析確定撐桿彈簧工作拉力的算法，并例舉了某型飛機(jī)起落架中支承式撐桿鎖彈簧的設(shè)計(jì)和計(jì)算過(guò)程，形成了一套合理有效的設(shè)計(jì)方法，具有較好的可操作性和較高的工程實(shí)踐價(jià)值。

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