民用飛機(jī)艙門典型單銷連接形式研究

王健

（中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽 110079）

0 引 言

艙門作為飛機(jī)上的運(yùn)動(dòng)部件，其設(shè)計(jì)往往是一個(gè)復(fù)雜的過程。用于旅客進(jìn)出的登機(jī)門、貨物進(jìn)出的貨艙門、應(yīng)急逃生時(shí)使用的應(yīng)急門均需要按適航條款要求設(shè)計(jì)多套機(jī)構(gòu)，如手柄機(jī)構(gòu)、閂機(jī)構(gòu)、鎖機(jī)構(gòu)、打開機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)、視覺指示機(jī)構(gòu)等。在這些機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，常常使用單銷連接。對(duì)于單銷連接設(shè)計(jì)，應(yīng)從適航出發(fā)，綜合考慮安全性、可靠性、互換性、經(jīng)濟(jì)性等。根據(jù)艙門不同結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)位置及性能要求，合理設(shè)計(jì)單銷連接形式，單銷連接設(shè)計(jì)應(yīng)經(jīng)強(qiáng)度校核確認(rèn)后方可確定最終設(shè)計(jì)方案。

1 單銷連接設(shè)計(jì)考慮因素

單銷連接設(shè)計(jì)形式受很多因素影響，在選擇單銷連接形式應(yīng)考慮自對(duì)準(zhǔn)能力、夾緊與非夾緊、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)等因素。

1.1 自對(duì)準(zhǔn)能力

單銷連接可以根據(jù)自對(duì)準(zhǔn)能力分為非自對(duì)準(zhǔn)連接和自對(duì)準(zhǔn)連接。只有在U形接頭的中心線和凸耳的中心線之間沒有預(yù)期的偏差時(shí)，才應(yīng)該考慮使用非自對(duì)準(zhǔn)連接形式。這種連接形式可以傳遞U形接頭和凸耳之間的轉(zhuǎn)矩，并且要求旋轉(zhuǎn)軸必須垂直于凸耳的中心線。自對(duì)準(zhǔn)連接形式主要用于調(diào)整U形接頭中心線與凸耳的中心線之間的偏差。這種連接形式通常不能傳遞U形接頭和凸耳之間的轉(zhuǎn)矩。

1.2 夾緊與非夾緊連接

夾緊連接形式可以防止在銷上擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，在振動(dòng)環(huán)境下尤其適用該種連接形式，夾緊連接形式不推薦應(yīng)用在動(dòng)態(tài)連接應(yīng)用中銷/螺栓直徑大于0.75 in帶潤滑脂潤滑的連接和銷/螺栓直徑大于1.0 in自潤滑的連接當(dāng)中。

非夾緊連接形式用于允許在銷/螺栓上有擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和軸向運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，在動(dòng)態(tài)連接應(yīng)用中，非夾緊連接形式適用于銷/螺栓直徑大于0.75 in帶潤滑脂潤滑的連接和銷/螺栓直徑大于1.0 in自潤滑的連接當(dāng)中。

1.3 靜態(tài)與動(dòng)態(tài)連接

靜態(tài)連接形式主要用于不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的連接中，如艙門一些支座與結(jié)構(gòu)件之間的連接。

動(dòng)態(tài)連接形式主要用于做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的連接中，如艙門各個(gè)機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)件常采用動(dòng)態(tài)連接形式。

2 典型單銷連接形式

2.1 凸耳與凸耳的連接

凸耳與凸耳的連接多用于受力較小的位置，該連接形式常見于艙門閂機(jī)構(gòu)、鎖機(jī)構(gòu)上。根據(jù)適航CCAR-25.783（d）（2）要求：“鎖閂及其操縱機(jī)構(gòu)必須設(shè)計(jì)成，在所有的飛機(jī)飛行和地面載荷狀態(tài)下，在門鎖閂的狀態(tài)下，沒有試圖解開鎖閂的力或力矩。而且，鎖閂系統(tǒng)必須包括一種措施，保證鎖閂處于鎖閂的位置。該措施必須獨(dú)立于鎖定系統(tǒng)[1]?！币虼碎V機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)常采用過中心設(shè)計(jì)，而過中彈簧常被各飛機(jī)制造商設(shè)計(jì)艙門時(shí)選用。過中彈簧典型連接形式如圖1所示。過中彈簧一端與閂軸上的曲柄連接，另一端與固定在橫梁上的支座連接，過中彈簧桿端安有球軸承，該連接是一種夾緊型自對(duì)準(zhǔn)連接形式。

在凸耳與凸耳連接設(shè)計(jì)時(shí)，夾緊型非自對(duì)準(zhǔn)連接形式也常用于艙門機(jī)構(gòu)當(dāng)中。圖2所示為某型飛機(jī)貨艙門視覺指示機(jī)構(gòu)指示牌的連接，由于指示牌只有一端為鉸接點(diǎn)，另一端自由，因此在設(shè)計(jì)指示牌的連接時(shí)采用夾緊型非自對(duì)準(zhǔn)連接形式。

圖1 過中彈簧連接

圖2 指示牌連接

2.2 凸耳與U形接頭的連接

凸耳與U形接頭的連接廣泛應(yīng)用在艙門結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)上。根據(jù)不同使用位置采用不同種連接形式，如結(jié)構(gòu)件之間的連接固定常采用夾緊型非自對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)連接，應(yīng)用于機(jī)構(gòu)件上的連接，常采用動(dòng)態(tài)連接形式，是否夾緊及是否采用自對(duì)準(zhǔn)連接應(yīng)根據(jù)具體情況確定。

對(duì)于艙門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，結(jié)構(gòu)件之間的連接大量采用鉚釘、高鎖螺栓、普通螺栓等緊固件直裝配到一起。但對(duì)于某些特殊位置，也會(huì)采用凸耳零件與U形接頭的連接，這時(shí)往往采用夾緊型單銷連接形式，確保結(jié)構(gòu)件之間穩(wěn)定連接。圖3為某型號(hào)飛機(jī)登機(jī)門滑梯包預(yù)位桿支座與邊框的連接，其采用的便是夾緊型非自對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)連接。

圖3 支座與邊框連接

對(duì)于艙門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，連桿的使用十分廣泛，如提升機(jī)構(gòu)、增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)、模式選擇機(jī)構(gòu)等常常采用各種桿機(jī)構(gòu)來進(jìn)行操縱力傳遞。其中，連桿與各機(jī)構(gòu)軸上曲柄、搖臂的連接是一種典型的凸耳與U形接頭的連接。圖4為某型飛機(jī)登機(jī)門模式選擇機(jī)構(gòu)的一部分，其中連桿兩端的連接采用的是夾緊型自對(duì)準(zhǔn)形式，這種連接形式在艙門機(jī)構(gòu)中尤為常見，在各飛機(jī)制造商各型號(hào)飛機(jī)登機(jī)門、貨艙門、應(yīng)急門上幾乎皆有使用。

艙門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，不同部分可采用不同的連接形式。圖5為某機(jī)型貨艙門打開機(jī)構(gòu)示意圖，其中鉸接點(diǎn)A處為懸掛臂連桿與調(diào)整連桿連接，鉸接點(diǎn)B處為懸掛臂連桿與懸掛臂的連接，該兩處位置連接與典型連桿連接形式一致（如圖4），均為夾緊型自對(duì)準(zhǔn)連接，因此鉸接點(diǎn)C處懸掛臂連桿與懸掛臂的連接采用非夾緊型非自對(duì)準(zhǔn)連接，如圖6所示。其目的是為了避免發(fā)生應(yīng)力裝配，同時(shí)鉸接點(diǎn)A、鉸接點(diǎn)B可以實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)調(diào)整。

圖4 連桿的連接

對(duì)于一些向外翻轉(zhuǎn)打開的艙門，如貨艙門、應(yīng)急門等，艙門與機(jī)身支座的連接通常也采用凸耳與U形接頭的連接形式。圖7為某型飛機(jī)翼上應(yīng)急門與機(jī)身支座的連接及其連接形式。由圖7可見，其中一側(cè)連接為夾緊型連接，并在中間添加墊圈用于航向調(diào)整，另一側(cè)采用非夾緊型連接，并且兩端均為自對(duì)準(zhǔn)型，兩端不同的連接形式可確保整個(gè)艙門安裝到機(jī)身時(shí)的裝配可達(dá)性。

圖5 某型飛機(jī)貨艙門打開機(jī)構(gòu)示意圖

圖6 鉸接點(diǎn)C處連接

圖7 某型飛機(jī)應(yīng)急門與機(jī)身連接示意圖

2.3 U形接頭與U形接頭的連接

U形接頭與U形接頭的連接主要用于U形接頭兩耳片距離比較大的連接區(qū)域。圖8為某型飛機(jī)貨艙門手柄機(jī)構(gòu)中手柄組件與翻板組件的連接及其連接形式，此連接采用夾緊型非自對(duì)準(zhǔn)連接，單側(cè)夾緊在最右側(cè)耳邊上，最左側(cè)零件孔內(nèi)壓入的襯套為鉸孔型襯套，可提高鉸孔后襯套內(nèi)孔之間的同軸度，提高裝配可達(dá)性并且可以減小零件間的間隙量，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)發(fā)生在間隔襯套與中間壓入翻板的兩凸緣襯套的內(nèi)孔間，作為旋轉(zhuǎn)配合的襯套選用自潤滑襯套。

圖8 某型飛機(jī)貨艙門手柄機(jī)構(gòu)連接示意圖

3 耳片連接設(shè)計(jì)的基本原則

3.1 避免應(yīng)力裝配

在單銷連接設(shè)計(jì)時(shí)，如果采用夾緊形式的連接，應(yīng)保證螺栓通過螺母、襯套等夾緊在U形接頭單側(cè)耳片上，并且應(yīng)保證單側(cè)耳片能夠承受全部的軸向載荷。圖9所示的單銷連接形式，U形接頭的兩側(cè)耳片均被夾緊，這種夾緊形式的連接會(huì)產(chǎn)生裝配應(yīng)力，無論什么時(shí)候，這種連接形式都應(yīng)該盡量避免采用。

圖9 雙側(cè)耳片夾緊示例

3.2 零件保護(hù)

對(duì)于耳片單銷連接設(shè)計(jì)，無論是凸耳與凸耳還是與U形接頭的連接，在設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)盡量避免直接以零件孔作為旋轉(zhuǎn)配合面，因?yàn)檫@樣的設(shè)計(jì)在飛機(jī)整個(gè)服役期內(nèi)極易對(duì)零件造成磨損、破壞，不僅縮短零件檢驗(yàn)、更換周期，還會(huì)對(duì)飛機(jī)安全性造成影響。因此在單銷連接設(shè)計(jì)時(shí)，在U形接頭兩個(gè)耳片孔內(nèi)均安裝襯套，在凸耳零件耳片孔內(nèi)安裝襯套或軸承，同時(shí)，要做好腐蝕防護(hù)處理。

3.3 結(jié)構(gòu)防腐考慮

對(duì)暴露在腐蝕環(huán)境中的機(jī)體結(jié)構(gòu)應(yīng)采取腐蝕防護(hù)措施，以保證所設(shè)計(jì)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)滿足耐久性要求，使腐蝕、脫層、磨損及由腐蝕導(dǎo)致的其它損傷減至最低限度。在單銷連接設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)控制接觸腐蝕，在零件材料選擇時(shí)應(yīng)盡量采用同類別材料接觸，當(dāng)不同類別材料接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，因此需要在其中的一個(gè)零件上使用鍍層或涂層來避免腐蝕的發(fā)生。如艙門結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)中的凸耳零件、U形接頭很多采用鋁合金材料，而與之配合安裝的襯套常采用不銹鋼材料，其處理辦法是選用帶鍍鋁或鍍鎘的襯套（考慮到對(duì)環(huán)境的保護(hù)，可以盡量選擇鍍鋁的襯套）。為了進(jìn)一步提高腐蝕防護(hù)能力，襯套安裝時(shí)通常采用濕安裝，并且進(jìn)行填角密封處理。

按電化學(xué)腐蝕序列，常用材料分類如表1所示。

4 標(biāo)準(zhǔn)件選用

表1 常用材料的類別

標(biāo)準(zhǔn)件被大量應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，標(biāo)準(zhǔn)件的使用可以大量減少零件的總數(shù)量，減少對(duì)工裝的需求，便于規(guī)?；a(chǎn)，并有利于售后維護(hù)及修理工作，同時(shí)也是降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本的一條有效途徑。在單銷連接設(shè)計(jì)時(shí)，螺栓、螺母、墊圈、襯套等標(biāo)準(zhǔn)件被廣泛使用，并且具有良好的可靠性和互換性[2],在標(biāo)準(zhǔn)件的選用時(shí)應(yīng)從適航、安全、強(qiáng)度、腐蝕防護(hù)、零件保護(hù)等多方面綜合考慮，對(duì)于不同型號(hào)項(xiàng)目，還應(yīng)考慮采購難易程度、成本控制、環(huán)境保護(hù)等。

4.1 螺栓和螺母

應(yīng)用于飛機(jī)艙門上的典型單銷連接，螺栓通常選用不銹鋼抗剪型六角螺栓，抗拉型螺栓或其他高強(qiáng)度螺栓可能被使用到夾緊與非夾緊連接形式當(dāng)中，但必須由強(qiáng)度部門確認(rèn)后方可選用。

根據(jù)適航CCAR-25.607（a）要求，下列任一情況下，每個(gè)可卸的螺栓、螺釘、螺母、銷釘或其它可卸緊固件，必須具有兩套獨(dú)立的鎖定裝置：1）它的丟失可能妨礙在飛機(jī)的設(shè)計(jì)限制內(nèi)用正常的駕駛技巧和體力繼續(xù)飛行和著陸；2）它的丟失可能使俯仰、航向或滾轉(zhuǎn)操縱能力或響應(yīng)下降至低于本部B分部的要求[1]。因此，在螺母選用時(shí)通常選擇開槽自鎖螺母，并配合使用開口銷進(jìn)行防松。

4.2 墊圈

在單銷連接設(shè)計(jì)中，墊圈的選用通常有兩種形式，一種是平墊圈，另一種是沉頭墊圈。墊圈的主要作用是保護(hù)零件、調(diào)整間隙，調(diào)整軸向位置，增加接觸面積等，沉頭墊圈主要用于螺栓頭一側(cè)，用于與螺栓頭根部小圓角配合，避免發(fā)生干涉，平墊圈主要用于螺母一側(cè)或U形接頭與凸耳之間用來軸向調(diào)整等。

4.3 襯套

襯套的種類很多，從結(jié)構(gòu)形式上可分為帶凸緣襯套和不帶凸緣的平襯套；從是否帶潤滑層可分為自潤滑襯套和非自潤滑襯套；從內(nèi)孔是否適用鉸削可分為鉸孔型襯套和非鉸孔型襯套。在單銷連接設(shè)計(jì)中，不帶凸緣的普通平襯套通常用來實(shí)現(xiàn)軸向夾緊。凸緣襯套主要用于安裝在零件內(nèi)孔內(nèi)，使襯套內(nèi)孔成為抗磨損表面，提供具有較低摩擦力的摩擦面[3]，對(duì)于以襯套內(nèi)孔為旋轉(zhuǎn)配合面時(shí)，通常適用自潤滑襯套。對(duì)于典型的凸耳與U形接頭的連接設(shè)計(jì)，U形接頭一次耳片內(nèi)通常安裝鉸孔型凸緣襯套，其目的是安裝襯套后進(jìn)行鉸削，從而提高連側(cè)耳片內(nèi)孔同軸度，提高裝配可達(dá)性。圖10所示為典型U形接頭鉸孔型襯套使用示意圖（圖10中尺寸單位為英寸）。

凸緣襯套與U形接頭耳片內(nèi)孔通常采用過盈配合，合理的過盈量可提高內(nèi)孔抗疲勞性能。內(nèi)孔直徑大于1 in時(shí)，襯套外圈與耳片內(nèi)孔的過盈量通過控制在0.1%～0.2%左右，對(duì)于內(nèi)孔直徑小于1 in時(shí)，襯套外圈與耳片內(nèi)孔的過盈量通常最小在0.1%左右，隨孔徑減小適當(dāng)變大，但最大不宜超過0.5%。

凸緣襯套材料通常選用不銹鋼，壓入鋁合金零件孔內(nèi)，通常選用鍍鎘或噴涂鋁表面處理方式，對(duì)于壓入不銹鋼零件孔內(nèi)，直接鈍化即可。鉸孔型凸緣襯套材料常選用鋁青銅，鋁青銅具有良好的耐磨性和抗腐蝕性，因此鉸削后無需另作表面處理。

圖10 鉸孔型襯套使用示意圖

5 結(jié) 語

本文以單銷連接為研究對(duì)象，重點(diǎn)介紹應(yīng)用于艙門上的典型單銷連接形式。詳細(xì)介紹了單銷連接應(yīng)考慮的因素和應(yīng)遵循的基本原則，同時(shí)對(duì)單銷連接設(shè)計(jì)中常用標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行介紹。本文所介紹的單銷連接形式廣泛應(yīng)用于各型號(hào)飛機(jī)艙門中，可以為飛機(jī)設(shè)計(jì)人員在新型號(hào)艙門研制設(shè)計(jì)中提供一定參考。