某型民用飛機艙門外手柄機構研究分析

楊炎通

（中航沈飛民用飛機有限責任公司，沈陽 110179）

0 引言

手柄的類型并沒有固定的形式，滿足適航要求和設計要求即可。艙門機構的設計[1]要求簡單直接，因此外手柄的位置布置不僅要考慮艙門結構空間的要求，而且外手柄還要靠近閂鎖機構位置，最后還要考慮人機工程因素[2]。本文中介紹的外手柄機構為上下翻轉打開的形式。

1 外手柄機構的功能

本文外手柄機構的詳細功能如下：操作人員在飛機外側扳動外手柄可以直接打開艙門；操作人員在飛機內部用內手柄開門時，外手柄保持靜止，且不會對此過程造成任何阻礙；在用內手柄打開艙門后并將艙門保持打開位置時，可以通過外手柄來關閉并鎖定艙門。

2 外手柄機構的設計要求

艙門對飛機安全有著直接影響，而艙門打開或關閉的運動需要手柄機構才能進行，按照CCAR25.783[3]艙門條款的說明：“每扇外部艙門必須有措施鎖定并保險，以防止飛行中打開（被人無意中打開或是由于關閉時或關閉后機構損壞或單個結構元件損壞而打開）”。針對自身功能和適航條款的要求，大多數(shù)飛機艙門外手柄會有以下設計要求：

1）外手柄能夠被95%的男性帶著手套進行操作；

2）手柄把手的形狀和位置在聯(lián)合定義階段確定；

3）外手柄上的任意點能承受來自任何方向的300 lb（約合136 kg）的極限載荷；

4）空氣動力、重力、振動、擺動、結冰或溫度等單獨或組合作用下，外手柄都不能被意外操作。

3 外手柄機構的原理設計及分析

本套外手柄機構可以分為翻板鎖機構和離合機構兩部分，兩機構為串聯(lián)式機構[4]。

3.1 離合機構

離合機構可以實現(xiàn)內外手柄相互獨立且在特定情況下可以聯(lián)動的功能，如圖1所示，由多個拉桿、搖臂、彈簧等構成的小構件組成。下文將對外手柄機構的各個過程進行逐一分析。

圖1 離合機構

1）外手柄關閉并鎖定。門處于關閉狀態(tài)時，彈簧拉桿和連桿1的合力是讓手柄翻板趨于關閉的。

2）扳動外手柄開門。翻板在趨于打開時（此時忽略下文中提到的橡膠圈，單獨分析手柄自身），翻板轉動帶動彈簧拉桿擺動，由于連桿1長度不變，拉桿想要擺動需要拉桿1和滑塊發(fā)生相對運動，即滑塊壓縮彈簧1，翻板轉動需要克服彈簧1的力，沒有力驅使彈簧2變形，彈簧拉桿總長度不變。

隨著翻板翻動，通過彈簧拉桿、搖臂、連桿等帶動離合鉤繞軸轉動，到達一定角度后，離合鉤勾緊離合襯套，此時離合鉤由于被襯套阻擋無法繼續(xù)運動，即造成了搖臂“卡滯”，故繼續(xù)扳動翻板會使彈簧拉桿會變長，即彈簧2被壓縮。

在翻板翻動一定角度后，翻板軸、鉸接點、彈簧拉桿會處于同一條直線上，此時達到“過中心”狀態(tài)，此時彈簧拉桿的長度需大于它的初始長度，保證離合鉤在翻板“過中心”后也始終鎖緊離合襯套，完成“上鎖”。

曲柄2是與外手柄固連的（如圖1），曲柄1與手柄軸固連，外手柄在開啟時曲柄2直接推動曲柄1運動，此時如果需要關閉外手柄，離合鉤才會拉住離合襯套，從而帶動手柄軸完成關閉運動。

3）扳動外手柄開門。在內手柄開門時，內手柄軸通過齒輪箱或其他聯(lián)動機構帶動外手柄軸轉動，與外手柄軸固連的曲柄1會隨動，但曲柄1上的離合襯套會直接跨過離合鉤，不會帶動外手柄上的其它零件運動，從而實現(xiàn)從內手柄打開登機門時外手柄不會隨動的功能。

在用內手柄開門后，想用外手柄關門，需先將外手柄處于打開狀態(tài)。如圖2所示，在翻板完全打開后，扳動外手柄，當外手柄轉動到一定角度時離合鉤外曲面接觸離合襯套，由于手柄翻板處于打開限位處，無法繼續(xù)打開，離合襯套被手柄軸限制無法被離合鉤向外擠壓而運動，繼續(xù)扳動外手柄時，離合鉤不得不通過搖臂拉動彈簧拉桿使之變長（即壓縮彈簧2），在彈簧力的作用下，離合鉤與離合襯套一直緊貼并發(fā)生相對運動，如圖2所示，外弧面先接觸離合襯套并發(fā)生相對滑動，直到圖2中最后的狀態(tài)，在離合鉤小弧面跨過彈簧襯套后，離合鉤會被已被拉長的彈簧拉桿勾住離合襯套，完成鎖定，此時可用外手柄關閉并上鎖已經(jīng)打開的艙門。

圖2 門在打開后扳動外手柄至打開狀態(tài)

在關閉外手柄鎖定艙門時，離合襯套給離合鉤的力不應有脫鉤的趨勢，傳動角應設置成驅動離合鉤上鉤的狀態(tài)。

4）扳動外手柄開門。如外手柄各個機構示圖所示，機構中采用多套平面四桿機構，但是四桿機構設計比較復雜，存在誤差，會使機構不易精確地實現(xiàn)運動規(guī)律，所以在設計時要減小誤差對機構運動規(guī)律的干擾。減小誤差有兩個方法，一是通過研究桿件長度等機構因素來分析四桿機構的運動規(guī)律，從而提高傳動精度。為避免輸出角φ3波動過大，l1和l3的公差應盡可能取小值，l2和l4的長度變化對輸出角φ3的影響可以相互抵消[5]，故在設計時可以考慮嚴格控制l1和l3的公差，稍微放開l2和l4以節(jié)約制造成本。

二是通過設置調整組件來彌補機構在制造過程中產(chǎn)生的誤差對傳動精度的影響。當離合機構因為誤差而無法完成某些功能時，可以調節(jié)離合襯套及離合鉤轉軸的位置，來彌補制造和裝配的誤差。

3.2 翻板鎖機構

翻板鎖機構的主要作用是鎖定/解除鎖定手柄機構，由翻板、翻板鎖（叉子）、襯套、彈簧桿、橡膠圈組成，如圖4所示。翻板鎖、橡膠圈與艙門結構（手柄盒）固連，襯套固連在翻板上，彈簧桿一端鉸接在翻板上，一端與搖臂鉸接。

圖3 四桿機構分析圖

圖4 翻版鎖機構

艙門關閉并鎖定時，手柄翻板在彈簧桿的作用下處于關閉的狀態(tài)，襯套被與結構固連的翻板鎖勾住，此時外手柄被翻板鎖鎖定，外手柄不會因為慣性力、氣動力等其他外力打開，但是需要設計翻板關閉限位來保證翻板、手柄和艙門蒙皮的階差。

扳動外手柄前需打開翻板，翻動翻板的同時，翻板上的襯套離開翻板鎖，此時手柄處于解鎖狀態(tài)，可以扳動外手柄。當操作者需要通過外手柄來開門時，人手指按下手柄翻板、伸入手柄并握住手柄把手，在翻板向內翻動一定距離時（距離的具體數(shù)值由設計者給定，滿足人機功效學要求），橡膠圈和彈簧連桿的合力應使驅使手柄翻板閉合，即設計者可以選擇此時翻板沒有過中心，或者翻板已經(jīng)過中心但橡膠圈給翻板的力大于彈簧力，這樣設計的意義在于翻板在任何時候可以自動關閉。同樣，需要設計翻板打開位置限位。

如圖5所示，翻板在閉合情況下關閉外手柄，手柄旋轉至襯套剛好接觸翻板鎖后繼續(xù)轉動手柄，襯套會沿著翻板鎖曲面滑動，同時帶動手柄翻板克服彈簧拉桿拉力向內翻動（翻板打開），直至滑動到鎖底部（翻板關閉），同時手柄完全關閉，此時襯套在彈簧拉桿的作用下進入鎖底部，完成手柄上鎖。

圖5 在翻板關閉時關閉外手柄

如圖6所示，翻板在打開的情況下關閉手柄，外手柄關閉時，手柄翻板內緣會先接觸橡膠圈，隨著手柄繼續(xù)關閉，橡膠圈的壓縮量逐漸變大，到某一時刻橡膠圈的彈力會大于彈簧拉桿給翻板的拉力，促使翻板完成過中心運動，進而關閉翻板并使手柄上鎖。

圖6 在翻板打開時關閉外手柄

4 結論

本文對一種外手柄機構的各個功能及其原理進行了詳細介紹，分析了各個狀態(tài)下機構中每個零組件的作用，并得出以下結論：

1）內手柄開門時，內手柄帶動外手柄軸上的曲柄（安裝離合襯套的曲柄）越過離合鉤運動，即外手柄軸動而外手柄不動。

2）外手柄開門時，與外手柄固連的曲柄推動與手柄軸固連的曲柄進行解閂解鎖運動；外手柄關門時，離合鉤勾緊離合襯套，完成外手柄驅動手柄軸的運動。

3）用外手柄關門并鎖定時，離合襯套給離合鉤的合力，不應驅使離合鉤解鉤。

4）多套四桿機構應設計成桿長對機構運動結果影響較小，以避免因制造和裝配誤差而造成外手柄功能失效的情況發(fā)生。