某型民用飛機散貨艙門打開機構(gòu)設(shè)計及分析

張秀麗，馬巖

（中航沈飛民用飛機有限責(zé)任公司，沈陽 110179）

0 引言

散貨艙門位于后機身地板平面下部，在后貨艙門后部與后貨艙相通，散貨艙主要用于存放旅客的散件行李。散貨艙門在機身上的位置如圖1所示，圖中的白色曲線為散貨艙門在機身上的開口曲線。散貨艙門采用堵塞式設(shè)計方案，艙門與口框縱梁間采用擋塊的形式進行連接，艙門打開的時候向艙內(nèi)向上翻轉(zhuǎn)打開。打開機構(gòu)用于實現(xiàn)艙門從關(guān)閉位置到打開位置的功能，并控制艙門在打開過程中的姿態(tài)[1]。

圖1 散貨艙門在機身上的位置

1 打開機構(gòu)的組成

艙門的打開機構(gòu)一般包括打開機構(gòu)與打開驅(qū)動機構(gòu)兩部分，由于該散貨艙門是向內(nèi)向上打開的，不存在半堵塞式艙門提升后艙門位于機身開口上部的問題，只需定義艙門的鉸接點直接控制艙門的旋轉(zhuǎn)運動，所以將艙門上的鉸鏈臂與艙門結(jié)構(gòu)固接，并定義鉸鏈臂與機身結(jié)構(gòu)的鉸接點，通過鉸鏈臂的旋轉(zhuǎn)就可以帶動整個艙門旋轉(zhuǎn)，與艙門固接的鉸鏈臂即可作為艙門的打開機構(gòu)。所以該打開機構(gòu)設(shè)計的重點就是打開驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計。

2 打開驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計要求及動力源的選擇

2.1 打開驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計要求

打開驅(qū)動機構(gòu)由打開動力源和傳動機構(gòu)兩部分組成。打開驅(qū)動機構(gòu)為艙門的打開提供動力，并控制打開速率。打開驅(qū)動機構(gòu)應(yīng)滿足如下設(shè)計要求：

1）在艙門完全關(guān)閉時，打開驅(qū)動機構(gòu)應(yīng)該只對艙門有很小的驅(qū)動載荷，并且此載荷不應(yīng)使艙門有打開的趨勢。

2）使艙門在打開的過程中不需要外力驅(qū)動或者只需要比較小的外力驅(qū)動；因艙門在打開過程中打開角度的變化，艙門重力及風(fēng)載等對轉(zhuǎn)軸的力矩也在不斷變化，導(dǎo)致打開艙門需要的力矩是不斷變化的，因此打開驅(qū)動機構(gòu)應(yīng)盡量設(shè)計成開門驅(qū)動力矩與艙門打開所需力矩的變化相匹配，不會遠遠大于開門所需力矩，使艙門的整個打開運動相對平緩，避免打開過快或者不能完全打開艙門。

3）打開驅(qū)動機構(gòu)的布置不能影響艙門的凈開口[2-3]。

2.2 打開驅(qū)動機構(gòu)動力源的選擇

艙門打開驅(qū)動機構(gòu)的動力源即為艙門打開運動提供動力的裝置，飛機艙門上常見的動力源主要有液壓式、氣動式、電動式和機械式等[4]，如表1所示。

表1 艙門常用動力源

在選擇動力源時主要考慮的因素有：動力源的輸出載荷大小、動力源是否安全可靠、在有限的空間內(nèi)是否可以對其進行外觀及性能等方面參數(shù)的設(shè)計。由于散貨艙門相對較小，質(zhì)量輕，不需要太大的驅(qū)動力，再綜合艙門空間布局等因素，本艙門采用了氣動式的驅(qū)動方案。氣動式驅(qū)動比較典型的應(yīng)用就是氣彈簧，由于氣彈簧是獨立的裝置，不需要機身動力系統(tǒng)的支持，相對更加安全可靠。打開及打開驅(qū)動機構(gòu)構(gòu)型如圖2所示。圖中的驅(qū)動四桿機構(gòu)與動力源和艙門結(jié)構(gòu)相連。

圖2 打開及打開驅(qū)動機構(gòu)組成

打開驅(qū)動機構(gòu)應(yīng)根據(jù)艙門結(jié)構(gòu)形式及打開艙門所需要的推力選取氣彈簧。氣彈簧作為動力源不但為艙門打開提供動力，還可通過合理的設(shè)計提供合適的阻尼從而限制艙門打開速度。

驅(qū)動四桿機構(gòu)的作用為：1）將氣彈簧和機身結(jié)構(gòu)連接起來；2）由于制造誤差可能會導(dǎo)致氣彈簧不能完全與設(shè)計位置重合，而中間增加可調(diào)節(jié)桿長的四桿機構(gòu)就可以很好地實現(xiàn)安裝調(diào)整；3）可以實現(xiàn)氣彈簧的驅(qū)動力矩的調(diào)整，使驅(qū)動載荷與重力和風(fēng)載保持基本匹配，避免載荷突變。

3 打開驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計原理及分析

3.1 打開驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計原理

圖3中ACD為艙門結(jié)構(gòu)，AB為機身固定端。鉸鏈臂與艙門結(jié)構(gòu)固定連接。艙門圍繞鉸鏈臂的鉸接點A旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)打開。

圖3 打開驅(qū)動機構(gòu)原理分析圖

DG為驅(qū)動動力源，當(dāng)前方案選擇為氣彈簧。DG驅(qū)動連桿CEG轉(zhuǎn)動，連桿CEG、連桿BE、連桿AC、AB構(gòu)成一套四桿機構(gòu)，連桿CEG的轉(zhuǎn)動運動，可以實現(xiàn)艙門結(jié)構(gòu)AC相對機身結(jié)構(gòu)AB的轉(zhuǎn)動。因此活動構(gòu)件為連桿CEG、連桿BE、連桿AC。

機構(gòu)自由度F的計算：F=3N－2PL－Ph。式中：N為活動連桿的數(shù)量；PL為低副連接的數(shù)量；Ph為高副的數(shù)量。N=3；4個鉸接點分別為A、B、C、E，PL=4；沒有高副，則Ph=0。

該機構(gòu)自由度為F=3×3－2×4－0=1，機構(gòu)運動形式唯一[5]。

3.2 氣彈簧載荷分析

為了選擇合適的氣彈簧需要對艙門打開過程中所承受的載荷進行分析，艙門在打開過程中主要承受重力載荷、風(fēng)載、摩擦力，以及氣彈簧的驅(qū)動載荷。由于在打開過程中重力、風(fēng)載與氣彈簧輸出力對艙門的轉(zhuǎn)軸的力矩是不斷變化的，在這里基于CATIA草圖分析模塊，通過作圖法可以得到艙門打開任意角度時氣彈簧和重力載荷對艙門旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)矩，如圖4所示。

圖4 氣彈簧打開力矩分析草圖

由于氣彈簧在打開過程中是不斷伸長的，即圖4中L長度變長，其輸出的力也是不斷變化的，通過CATIA草圖模擬分析，可以得到氣彈簧輸出力一定時對A點的轉(zhuǎn)矩與氣彈簧長度L和艙門打開角度α之間的關(guān)系，再結(jié)合氣彈簧輸出力與長度的關(guān)系就可以得出氣彈簧的輸出力矩與打開角度α的關(guān)系。同理，通過草圖模擬可以得出重力及風(fēng)載對A點的力矩與打開角度α的關(guān)系。

綜上，在已知風(fēng)載和艙門重力的情況下可以選擇合適的氣彈簧使開門全行程內(nèi)氣彈簧的驅(qū)動力矩與重力及風(fēng)載等載荷對艙門的關(guān)門力矩盡量匹配，從而盡可能選擇輸出力相對小的氣彈簧，以減小氣彈簧質(zhì)量，并減少關(guān)門力矩。同時在草圖分析時可以調(diào)節(jié)每個連桿的長度及其相互之間的角度，就會得到不同的氣彈簧輸出力矩曲線，從而選擇最優(yōu)的方案。

4 運動仿真

以上通過草圖模塊設(shè)計出打開機構(gòu)的運動原理圖，并模擬了該打開機構(gòu)的平面運動[6]。但是平面草圖不能清晰地了解各個零件之間及其與艙門結(jié)構(gòu)零件之間的空間位置關(guān)系，因此可通過CATIA的運動仿真模塊對艙門的打開運動進行模擬。根據(jù)以上設(shè)計的機構(gòu)運動原理草圖，創(chuàng)建三維模型并進行裝配，如圖5所示。

在將所有相關(guān)零件數(shù)模裝配到位后，即可對艙門的運動進行模擬。在CATIA的運動仿真模塊中，根據(jù)機構(gòu)運動原理在各個零組件之間添加運動副，在該艙門打開運動模擬時共需在艙門結(jié)構(gòu)、機身結(jié)構(gòu)及打開機構(gòu)的驅(qū)動四桿和氣彈簧之間添加6個轉(zhuǎn)動副和1個移動副，驅(qū)動命令為氣彈簧的長度伸長75 mm，實現(xiàn)艙門打開角度為60°，滿足凈開口要求。通過仿真模擬發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動連桿在運動過程中與艙門上邊框干涉，故將該拉桿修改成彎曲的形式，修改后重新模擬，沒有出現(xiàn)干涉和卡滯，機構(gòu)滿足時序和功能要求。艙門完全關(guān)閉和完全打開時的狀態(tài)如圖6所示。

圖5 打開機構(gòu)三維模型

圖6 艙門關(guān)閉和打開狀態(tài)

5 結(jié)論

通過對散貨艙門的打開機構(gòu)的簡要分析引入打開驅(qū)動機構(gòu)，并對打開驅(qū)動機構(gòu)動力源的選擇、機構(gòu)原理及驅(qū)動力矩進行了詳細的分析，最終通過運動模擬驗證所設(shè)計的艙門打開機構(gòu)滿足功能要求。通過以上過程可得出以下結(jié)論：1）基于散貨艙門的打開方式、艙門質(zhì)量及結(jié)構(gòu)布置等，結(jié)合各種動力源的特點選擇氣彈簧作為該艙門的驅(qū)動動力源可以滿足要求；2）可通過CATIA草圖分析模塊完成機構(gòu)的初步原理設(shè)計及初步的載荷分析，并基于分析結(jié)果選擇合適的氣彈簧；3）可通過CATIA運動仿真模擬艙門的打開運動，從而驗證機構(gòu)運動原理及可行性。