民用飛機(jī)高升力系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器力矩限制機(jī)構(gòu)研究

徐向榮

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院飛控部，上海 200232)

旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器是高升力系統(tǒng)的操縱執(zhí)行部件，其內(nèi)部零件承受載荷能力是一定的。當(dāng)高升力系統(tǒng)出現(xiàn)卡阻時(shí)(旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器卡阻)，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置(PDU)的輸出扭矩在其打滑之前會(huì)不斷增大，作動(dòng)器內(nèi)部零件承受載荷也隨之不斷增大。如果沒有有效的途徑來限制不斷增大的載荷，作動(dòng)器就會(huì)損壞，飛機(jī)不得不更換作動(dòng)器，從而增加了成本。因此，為了保護(hù)作動(dòng)器，作動(dòng)器內(nèi)部應(yīng)該有一個(gè)裝置來限制其承受的扭矩。

安裝在旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器上的力矩限制機(jī)構(gòu)的主要作用就是保護(hù)旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器的行星減速機(jī)構(gòu)和作動(dòng)器輸出端的機(jī)體結(jié)構(gòu)，保證旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器不輸出大的載荷。當(dāng)旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器輸入載荷過大時(shí)，力矩限制機(jī)構(gòu)能夠產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦力矩抵消掉過大的輸入載荷。

1 基本原理

1.1 力矩限制的實(shí)現(xiàn)

旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

扭矩限制機(jī)構(gòu)的基本工作原理如圖2所示，在正常操縱情況下，有預(yù)載的盤狀彈簧11與扭矩限制器彈簧5之間的平衡保證了動(dòng)摩擦盤與靜摩擦盤9表面之間有一定的間隙，從而保證了作動(dòng)器的正常運(yùn)動(dòng)。當(dāng)過載情況(系統(tǒng)卡阻)發(fā)生時(shí)，作動(dòng)器輸入扭矩增加，當(dāng)輸入扭矩超過扭矩限制裝置設(shè)定的最小值(扭矩限制裝置的設(shè)定值靠調(diào)節(jié)扭矩限制器彈簧的預(yù)壓力而定)，扭矩限制器彈簧受壓，滾珠10繼續(xù)移動(dòng)到輸入盤2、輸出盤3的第二個(gè)斜坡上，使得輸入盤、輸出盤間隙加大，從而減小動(dòng)摩擦盤與靜摩擦盤表面之間的間隙。隨著載荷的加大，動(dòng)、靜摩擦盤之間的間隙不斷減少，直到為零，此時(shí)來自動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的扭矩除部分通過輸出軸6傳到小齒輪外，其他扭矩通過靜摩擦盤傳到作動(dòng)器殼體7再傳到飛機(jī)結(jié)構(gòu)上。PDU的扭矩繼續(xù)增加到一定值后，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)部打滑，運(yùn)動(dòng)停止，襟縫翼計(jì)算機(jī)關(guān)閉系統(tǒng)，并發(fā)故障的告警信息。

圖1 旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 滾珠的運(yùn)動(dòng)

1.1 中提到，在力矩限制機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)中需要通過扭矩限制器彈簧受壓使?jié)L珠移動(dòng)到輸入盤和輸出盤的第二個(gè)斜坡上，因此滾珠的運(yùn)動(dòng)起到了關(guān)鍵的作用，在此將對其進(jìn)行分析以研究其運(yùn)動(dòng)原理。力矩限制機(jī)構(gòu)的輸入盤、輸出盤球窩形式完全相同，利用鋼球在球窩中的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)傳遞力矩所需的軸向間隙，控制最大輸出力矩，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

圖2 扭矩限制機(jī)構(gòu)原理圖

鋼球在球窩內(nèi)處于力平衡狀態(tài)，其受力如圖3所示。軸向力用于抵消扭矩限制彈簧的彈簧力;而徑向力則用于產(chǎn)生繞驅(qū)動(dòng)軸的力矩，在制動(dòng)后用于抵消摩擦盤的摩擦力。下面給出影響扭矩限制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要影響參數(shù)，其中影響滾珠受力的各項(xiàng)參數(shù)尤其重要:球窩的升角 φ(°);鋼球直徑 d(mm);輸入盤和輸出盤的軸向間隙增加值s(mm);輸入盤和輸出盤的相對徑向偏移量t(mm);傳遞力矩時(shí)鋼球收到的沿輸入盤(或者輸出盤)旋轉(zhuǎn)方向的切向力F(N);單個(gè)鋼球承受的力矩T(N·m);球窩幾何中心到輸入盤旋轉(zhuǎn)軸線的距離R(mm);鋼球受到的軸向壓力Fax(N);鋼球?qū)η虻佬泵娴恼龎毫(N)。

圖3 滾珠受力分析

設(shè)計(jì)扭矩限制器時(shí)理論上鋼球的數(shù)量取大于3個(gè)，但是鋼球數(shù)量一般選取3個(gè)，因?yàn)?個(gè)接觸點(diǎn)確定1個(gè)平面，能保證每個(gè)鋼球都與球窩接觸，承受的正壓力基本相同。如果取大于3個(gè)鋼球，由于制造和裝配的原因只能保證3個(gè)鋼球接觸，這就造成球窩受力不均，易發(fā)生故障。

2 結(jié)束語

由以上分析可以看出，扭矩限制機(jī)構(gòu)在高升力系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器的功能中起著至關(guān)重要的保護(hù)作用。對扭矩限制機(jī)構(gòu)的選擇以及扭矩限制值的確定應(yīng)該根據(jù)載荷情況和作動(dòng)器材料、運(yùn)行環(huán)境等一系列復(fù)雜因素而定，同時(shí)也要結(jié)合旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量等實(shí)際情況進(jìn)行選用。