高性能剛?cè)峄旌掀鹇浼茉O(shè)計研究

張威， 李田囡， 黃海清

（中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，長沙410200）

0 引 言

板簧式起落架結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、造價低廉、維護(hù)簡單，一直受到小型飛機(jī)及小型無人機(jī)的青睞。隨著小型飛機(jī)和無人機(jī)的飛速發(fā)展，起落架輕質(zhì)化、空間緊湊、低過載已成為現(xiàn)代小型飛機(jī)的重要需求。

通常，對于板簧式起落架，飛機(jī)在同樣下沉速度情況下，飛機(jī)過載大小主要通過起落架變形量的大小調(diào)節(jié)，同樣下沉速度，過載越小需要越大的變形量來保證，而板簧式起落架主要通過板簧結(jié)構(gòu)變形來調(diào)節(jié)，其所承受載荷與其變形量相互影響，很難兼顧大的下沉速度及小過載要求。為了提升板簧式起落架的使用性能，許多研發(fā)人員從多個維度（如滿應(yīng)力設(shè)計、工藝優(yōu)選、試驗方法等方面）進(jìn)行了深入研究[1-3]，以期獲得更好的使用性能及輕量化要求。

針對現(xiàn)代小型飛機(jī)起落架輕質(zhì)化、空間緊湊、低過載等需求，本文提出了一種新的解決思路。結(jié)合板簧和全油液式緩沖器的特點(diǎn)，創(chuàng)新設(shè)計一種板簧式起落架+全油液緩沖器集成緩沖模式，通過板簧和油液緩沖器各自緩沖特點(diǎn)，性能互補(bǔ)，有效提高起落架系統(tǒng)下沉量（有助于降低無人機(jī)過載）和緩沖效率，減小起落架結(jié)構(gòu)空間布局和質(zhì)量。同時，實現(xiàn)了在板簧上設(shè)置輪載傳感器，實時監(jiān)測飛機(jī)起降和接地狀態(tài)，解決常規(guī)板簧起落架上輪載傳感器安裝問題，為飛機(jī)精確控制提供信號依據(jù)。

1 高性能剛?cè)峄旌掀鹇浼芊桨冈O(shè)計

高性能剛?cè)峄旌掀鹇浼苎b置主要由板簧、機(jī)輪組件、全油液式緩沖器、拉伸彈簧、輪載開關(guān)、連接座等組成。板簧與機(jī)身和緩沖器通過鉸接和轉(zhuǎn)動副機(jī)構(gòu)連接。在飛機(jī)著陸過程中，板簧起落架主要通過板簧結(jié)構(gòu)變形、繞機(jī)體轉(zhuǎn)動的全油液緩沖器阻尼行程，以及輪胎變形吸收飛機(jī)下沉速度產(chǎn)生的能量，使其著陸過載控制在一定的范圍內(nèi)。起落架結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1、圖2所示。

圖1 起落架方案

圖2 起落架機(jī)構(gòu)原理簡圖

起落架工作原理：飛機(jī)在地面滑跑階段，起落架處于停機(jī)狀態(tài)，緩沖器被完全壓縮，拉簧被拉伸，輪載開關(guān)傳感器的接觸頭與板簧上表面脫離。飛機(jī)在滑跑過程中的振動能量主要由輪胎和板簧吸收。

飛機(jī)起飛后，輪胎脫離地面，在起落架自重和拉簧的共同作用下，帶動板簧繞機(jī)身轉(zhuǎn)動，輪載開關(guān)傳感器的接觸頭與板簧上表面接觸，并向飛機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出一個信號，告知飛機(jī)已處于起飛離地狀態(tài)，同時，緩沖器上腔中的油液沿阻尼孔流入緩沖器下腔，回復(fù)到初始未被壓縮的狀態(tài)。在空中，拉伸彈簧仍然處于拉伸狀態(tài)，防止起落架隨機(jī)身振動而擺動，確保飛機(jī)在著陸時緩沖器處于初始行程未壓縮狀態(tài)。

在飛機(jī)著陸前，飛控系統(tǒng)檢查輪載開關(guān)傳感器位置信息確認(rèn)起落架是否滿足著陸要求。

當(dāng)飛機(jī)著陸過程中，輪胎接觸地面發(fā)生變形，板簧發(fā)生結(jié)構(gòu)變形并繞機(jī)身轉(zhuǎn)動，輪載開關(guān)傳感器的接觸頭與板簧上表面脫開并向飛控系統(tǒng)發(fā)送一個信號，告知起落架已經(jīng)處于著陸狀態(tài)，同時，拉簧被拉伸，緩沖器被壓縮，起落架達(dá)到全壓縮狀態(tài)。此過程中，輪胎通過自身結(jié)構(gòu)變形和壓縮其內(nèi)部氣體將飛機(jī)著陸的動能轉(zhuǎn)化為熱量耗散，板簧受力并發(fā)生彈性變形，消耗飛機(jī)著陸動能，飛機(jī)著陸時的巨大沖擊使緩沖器下腔中的油液快速通過阻尼孔進(jìn)入緩沖器上腔，摩擦生熱耗散能量，在輪胎、板簧和緩沖器三者共同作用下，吸收飛機(jī)著陸撞擊能量。

雙冗余拉伸彈簧設(shè)計既保證了飛機(jī)在飛行中讓板簧復(fù)位防止其隨機(jī)體一起振動，也讓全油液式緩沖器在飛機(jī)著陸前始終處于未被壓縮狀態(tài)。

安裝在緩沖器上的補(bǔ)償器其內(nèi)部的單向閥結(jié)構(gòu)可以保證油液體積隨溫度熱脹冷縮緩慢變化時，油液在補(bǔ)償器與緩沖器內(nèi)部自由流動，同時還實現(xiàn)了當(dāng)飛機(jī)著陸時，緩沖器內(nèi)部油液被劇烈壓縮，單向閥瞬間關(guān)閉，確保緩沖器緩沖效率。

因此，在常規(guī)板簧起落架基礎(chǔ)上增加了緩沖器壓縮產(chǎn)生的輪軸垂向位移，實現(xiàn)了板簧起落架大變形，有效降低飛機(jī)使用過載。

2 仿真分析

基于LMS motion多體動力學(xué)軟件，對常規(guī)板簧式起落架及剛?cè)峄旌掀鹇浼苓M(jìn)行緩沖性能仿真分析[4]。

通過對板簧進(jìn)行柔性化處理，采用Craig—Bampton模態(tài)疊加法，用模態(tài)柔性來描述板簧的彈性，并輸入板簧材料不同頻率下對應(yīng)的阻尼比，以此來模擬板簧在彈性變形過程中結(jié)構(gòu)所耗損的能力。

根據(jù)飛機(jī)質(zhì)量和下沉速度值，讓一定投放質(zhì)量的起落架從一定的高度落下，模擬飛機(jī)著陸的過程，從而驗證設(shè)計的板簧式起落架緩沖性能是否滿足要求。仿真分析模型如圖3所示。

完成板簧式起落架虛擬仿真建模之后，利用LMS軟件后處理功能進(jìn)行落震虛擬仿真分析。

圖3 板簧式起落架緩沖性能仿真分析簡圖

依據(jù)同樣起落架著陸下沉速度、過載要求，分別對常規(guī)板簧起落架及剛?cè)峄旌掀鹇浼苓M(jìn)行了緩沖性能仿真計算，常規(guī)板簧應(yīng)力及變形如圖4所示，結(jié)構(gòu)空間如圖5所示。

最大應(yīng)力為900～1000 MPa；板簧質(zhì)量為19.96 kg。

剛?cè)峄旌掀鹇浼軕?yīng)力及變形如圖6所示，結(jié)構(gòu)空間布局如圖7所示。

最大應(yīng)力為900 ～1000 MPa；板簧質(zhì)量為13.7 kg。

3 對比分析

對常規(guī)板簧和高性能剛?cè)峄旌掀鹇浼芫彌_性能分析、強(qiáng)度校核及結(jié)構(gòu)空間進(jìn)行對比，在飛機(jī)同樣下沉速度和過載情況下，高性能剛?cè)峄旌掀鹇浼艽蟠蠼档土私Y(jié)構(gòu)空間占有率，減重效果明顯，具體對比結(jié)果如表1所示。

圖4 常規(guī)板簧應(yīng)力及變形分析

圖5 常規(guī)板簧結(jié)構(gòu)空間布局尺寸

圖6 剛?cè)峄旌掀鹇浼馨寤蓱?yīng)力及變形分析

圖7 高性能剛?cè)峄旌掀鹇浼芙Y(jié)構(gòu)空間布局尺寸

表1 參數(shù)性能比對項目

4 結(jié) 論

本文在常規(guī)板簧基礎(chǔ)上集成了油液緩沖裝置，通過LMS motion對起落架裝置緩沖性能進(jìn)行仿真分析，在同樣的下沉速度及過載要求下，剛?cè)峄旌掀鹇浼芴嵘税寤善鹇浼艿氖褂孟拗疲蟠蠼档土私Y(jié)構(gòu)空間占有率，減重效果明顯，為起落架研發(fā)人員提供了一種新的設(shè)計思路。