鵝頸鉸鏈設計要點研究

牛福春，劉旭

（中航沈飛民用飛機有限責任公司，沈陽110079）

0 引 言

鵝頸鉸鏈組件是飛機的常見結構件,用于實現(xiàn)艙門、口蓋等結構的旋轉。相對于琴鍵鉸鏈組件，鵝頸鉸鏈組件在大曲率部位更有優(yōu)勢，適用于尺寸大的檢修門，還具有方便結構密封、旋轉軸線所在位置可設計性強等優(yōu)點[1-2]。

對于鵝頸鉸鏈組件，在優(yōu)化旋轉軸線位置、選擇鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座構型、確定鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座連接方式、選用配套標準件、確定相關配合精度及設計間隙、確定標準件安裝要求、防過打開設計、電搭接設計等方面，國內飛機設計部門往往缺乏系統(tǒng)的指導文件。本文對鵝頸鉸鏈組件的幾個設計要點進行了研究，包括旋轉軸線位置的優(yōu)化、鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座構型的確定、鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座連接形式的選擇。給出了旋轉軸線的合理創(chuàng)建步驟與優(yōu)化方法。介紹了兩種鵝頸鉸鏈組件構型的特點與應用范圍，對幾種不同的連接形式進行了分類說明與對比分析，結合工程實例對幾種鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座的連接形式進行了重點探討。

1 鵝頸鉸鏈組件簡介

如圖1所示，鵝頸鉸鏈組件包括3個主要部分：鵝頸鉸鏈，鉸鏈支座，以及連接二者的配套標準件。鵝頸鉸鏈底座固定在需要旋轉的結構上；鉸鏈支座底座固定在開口周邊的壁板、梁、框等結構件上。

圖1 鵝頸鉸鏈組件典型結構

鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座連接用到的標準件類型包括關節(jié)軸承、帶凸緣襯套、直襯套、扭轉彈簧、螺栓、開槽螺母、開口銷、平墊圈、沉頭墊圈、桿部有孔平頭直銷、開口銷等。不同旋轉結構的鵝頸鉸鏈組件可能選用不同形式的配套標準件，即使同一旋轉結構不同位置的鵝頸鉸鏈組件也可能選用不同形式的配套標準件。單個需要旋轉的飛機結構大多需要2～3個鵝頸鉸鏈組件，不同位置的鵝頸鉸鏈組件的旋轉軸線應相同。

2 設計要點分析

2.1 旋轉軸線的確定

旋轉軸線可通過以下步驟創(chuàng)建（以矩形口蓋為例，其他類似）：1）向內偏移口蓋外形面獲得面A1；2）在口蓋外側作包含旋轉軸線的平面A2；3）創(chuàng)建面A1與平面A2的交線L；4）確定口蓋垂直旋轉軸線的兩個端面：面A3、A4；5）創(chuàng)建交線L與面A3、A4的交點P1、P2；6）創(chuàng)建過P1、P2點的直線，該直線即為旋轉軸線。

可能要多次調整面A1、平面A2的位置，以使旋轉軸線滿足口蓋的打開角度、口蓋在旋轉過程中與周邊固定結構的間隙等要求，還要使結構盡可能緊湊，質量輕。使用二維幾何原理圖設定邊界條件和調整參數(shù)非常方便，可以利用CATIA草圖工具創(chuàng)建二維幾何原理圖優(yōu)化旋轉軸線的位置[3]。

簡單的二維幾何原理圖如圖2所示，當旋轉軸線在①、②、③、④位置時，口蓋沿環(huán)行箭頭方向旋轉90°后的的位置分別在a、b、c、d處。從圖中可以看出，旋轉軸線位置越低、越遠離口蓋，越有利于避免口蓋在旋轉過程中與固定結構干涉。

圖2 旋轉軸線影響分析二維幾何原理圖

2.2 鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座構型的選擇

鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座通常采用以下兩種配套構型：1）構型1。鵝頸鉸鏈為單耳結構，鉸鏈支座為雙耳結構，如圖1(a)所示。2）構型2。鵝頸鉸鏈為雙耳結構，鉸鏈支座也為雙耳結構，如圖1(b)所示。構型1結構緊湊，質量小，應用最廣泛。構型2適用于僅布置1個鵝頸鉸鏈組件的小口蓋。

2.3 鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間連接形式的確定

2.3.1 連接形式分類

按是否安裝關節(jié)軸承劃分成自調整式與非自調整式：1）非自調整式對鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座中心線的同軸度要求高，旋轉軸線必須平行于鉸鏈支座中心線，可以在鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間傳遞轉矩；2）自調整式對鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座中心線的同軸度要求低，旋轉軸線可以與鉸鏈支座中心線之間有一定夾角，但是只有在鵝頸鉸鏈旋轉到特定位置后才可以在鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間傳遞轉矩。

按是否允許鵝頸鉸鏈沿旋轉軸線方向相對螺栓移動劃分成非夾緊式與夾緊式。對于旋轉結構，采用非自調整式時，只能采用非夾緊式；采用自調整式時，既可以采用夾緊式，也可以采用非夾緊式，采用夾緊式可以限制關節(jié)軸承內圈與螺栓之間的相對運動。

按是否允許鵝頸鉸鏈沿旋轉軸線方向相對鉸鏈支座移動劃分成游動式與非游動式：1）非游動式可以限定旋轉結構沿旋轉軸線方向的位置，可以在鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間傳遞沿旋轉軸線方向的軸向力；2）游動式不能夠限定旋轉結構沿旋轉軸線方向的位置，不利于在鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間傳遞沿旋轉軸線方向的軸向力。

2.3.2 連接形式選用

旋轉結構尺寸較小，其上的鵝頸鉸鏈組件數(shù)量不超過2個時，鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間一般采用非自調整、非夾緊、游動式連接。

圖3所示為國外某成熟機型口蓋上廣泛采用的一種非自調整、非夾緊、游動式連接設計，下面對其設計要點進行介紹與分析。

圖3 一種非自調整/非夾緊/游動式連接結構

鉸鏈支座上的襯套為鉸孔型，材料為不銹鋼；鵝頸鉸鏈上的襯套為非鉸孔型，材料為鋁硅青銅。鉸鏈支座上之所以采用鉸孔型襯套，是為了保證鉸鏈支座中心線的同軸度。如果口蓋尺寸很小，其上只布置1個鵝頸鉸鏈組件，鉸鏈支座上也可以采用非鉸孔型襯套。鵝頸鉸鏈上之所以采用鋁硅青銅襯套，主要是因為鋁硅青銅具有高耐磨性。

扭轉彈簧兩端頭套有熱收縮管M23053/8-004-C，一端固定在鉸鏈支座上，一端固定在鵝頸鉸鏈上，可以控制口蓋的打開角度與打開速度。

與扭轉彈簧接觸的間隔襯套與平墊圈材料為Teflon，Teflon具有極低的摩擦因數(shù)與良好的耐磨性，可起潤滑作用，力學性能優(yōu)異，還具有不導電、抗老化、耐腐蝕等良好特性。目前，Teflon產品在國外民用飛機上已有廣泛應用，在國產民機上的應用范圍有待提高[4]。

為了限制鵝頸鉸鏈沿旋轉軸線方向的位置，根據(jù)實際間隙情況在鉸鏈支座襯套與鵝頸鉸鏈襯套之間增加墊片，墊片的材料也為Teflon。只在鵝頸鉸鏈組件的單側增加墊片；如果旋轉結構上有2個鵝頸鉸鏈組件，只在1個鵝頸鉸鏈組件上增加墊片。

旋轉結構尺寸較大，其上布置的鵝頸鉸鏈組件數(shù)量超過2個時，鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間一般采用自調整式連接。同一旋轉結構上的多個鵝頸鉸鏈組件如果都采用非游動式連接，裝配時會有過定位問題；如果都采用游動式連接，不能夠限制旋轉結構沿旋轉軸線方向的自由度，不利于傳遞旋轉結構與其支持結構之間沿旋轉軸線方向的軸向力。因此，尺寸較大的旋轉結構上的鵝頸鉸鏈組件一般組合采用非游動式連接與游動式連接。

國外某成熟機型APU艙門為雙扇對開結構，單扇APU艙門上布置3個鵝頸鉸鏈組件，中間鵝頸鉸鏈組件采用自調整、夾緊、非游動式連接，如圖4(a)所示；其余2個鵝頸鉸鏈組件采用自調整、夾緊、游動式連接，如圖4(b)所示。下面對這兩種連接設計的設計要點進行介紹與分析。

鉸鏈支座上的襯套為鉸孔型，材料為不銹鋼。滑動襯套選用的是直襯套，也可以選用帶凸緣襯套。

自調整、夾緊、非游動式連接中，鵝頸鉸鏈上的關節(jié)軸承通過直襯套與螺栓組夾緊到雙耳鉸鏈支座的1個耳片上，該耳片能夠直接承受鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間沿旋轉軸線方向的載荷。

圖4 某機型APU艙門鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座的連接結構

自調整、夾緊、游動式連接中，鉸鏈支座的2個耳片不能夠承受鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間沿旋轉軸線方向的載荷。國內某型飛機APU艙門的鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間采用了類似上述方案的連接設計，由于該艙門有沿旋轉軸線方向的較大載荷，為了使采用自調整、夾緊、游動式連接處的鉸鏈支座的耳片，也承受沿旋轉軸線方向的載荷，在帶凸緣襯套的凸緣與墊圈的間隙處增加了墊圈。非自調整式額外增加墊圈，門打開時鵝頸鉸鏈上的襯套與額外增加的墊圈之間會有摩擦，不利于門打開；自調整式不會有這個問題，且對額外增加的墊圈沒有耐磨損要求。

圖4(b)中之所以采用夾緊式，是因為可以保證APU艙門打開或關閉時，關節(jié)軸承內圈不動，僅外圈相對內圈運動。圖5所示的非夾緊式連接，不能限制關節(jié)軸承內圈與螺栓之間的相對運動，旋轉結構打開或關閉時，關節(jié)軸承內圈有可能相對螺栓轉動，關節(jié)軸承外圈也有可能相對關節(jié)軸承內圈運動。

圖5 一種自調整/非夾緊/游動式連接

3 結語

1）使用二維幾何原理圖，利用CATIA草圖工具創(chuàng)建二維幾何原理圖優(yōu)化旋轉軸線的位置。優(yōu)化目標包括：滿足旋轉結構打開角度要求；滿足旋轉結構開閉時與周邊固定結構的間隙要求等。2）旋轉結構尺寸較小，其上的鵝頸鉸鏈組件數(shù)量不超過2個時，鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間采用非自調整、非夾緊、游動式連接。3）旋轉結構尺寸較大，其上布置的鵝頸鉸鏈組件數(shù)量超過2個時，鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間采用自調整式連接。4）通過組合采用非游動式連接與游動式連接防止過定位。