直升機滑動艙門滑軌設計研究

席佳勝

（中航工業(yè)直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

直升機艙門的典型形式包括鉸鏈門、滑動艙門。相對于鉸鏈門，滑動艙門具有開度大、開啟后占用外部空間小等優(yōu)點，大量運用于運輸類和通用型直升機。從結(jié)構(gòu)形式上，滑動艙門可分為外掛式和內(nèi)嵌式2 種。其中，外掛式滑動艙門一般使用布置在機身外側(cè)的直滑軌，結(jié)構(gòu)比較簡單，但對整機的氣動性能有影響；而內(nèi)嵌式滑動艙門需要在機身上布置彎曲型滑軌，內(nèi)嵌的艙門不會影響整機的氣動性能，但對機身內(nèi)的結(jié)構(gòu)布置有較大的影響。

內(nèi)嵌式滑動艙門主要由艙門、滑輪組件、滑點搖臂、滑軌組成。艙門的開啟與關閉依靠滑輪在滑軌上的滾動實現(xiàn)。通常情況下，輕型直升機的滑動艙門使用3 根滑軌，而重型直升機的滑動艙門因為整體尺寸較大使用4 根滑軌。對于3滑軌內(nèi)嵌式滑動艙門，大部分以位置較低的兩根滑軌為主承力滑軌。其中，主承力滑軌既用以提供橫向約束又可支撐艙門重量稱為主滑軌，另一根滑軌僅對艙門提供一個橫向約束稱為次滑軌。相應地，對于四滑軌內(nèi)嵌式滑動艙門，上部2根滑軌或下部2 根滑軌均可作為主滑軌，其余2 根滑軌作為次滑軌。

1 滑動艙門滑軌設計

內(nèi)嵌式滑動艙門開發(fā)的主要難點之一是艙門的運動軌跡設計?；瑒优撻T在關閉狀態(tài)需要嵌入機身，運動軌跡比較復雜；較多的運動附件和復雜的運動關系，很容易發(fā)生運動卡滯等干涉問題。目前國內(nèi)內(nèi)嵌式滑動艙門的滑軌設計缺乏明確的設計規(guī)范和高效設計方法，主要依靠經(jīng)驗。

1.1 滑動艙門主滑軌設計

內(nèi)嵌式滑動艙門開啟的運動順序：艙門先向外后側(cè)平移，待艙門移出機身后再向后平移打開，直至達到所需的開度。關閉運動順序相反。艙門運動過程中，滑軌前端與航向之間的夾角可以實現(xiàn)艙門的內(nèi)嵌，滑軌后端與機身側(cè)圍保持貼合延展直至達到艙門運動的開度要求。據(jù)此，每根滑軌都可以分為兩部分：內(nèi)嵌部分和貼合延伸部分。以某型內(nèi)嵌式四滑軌滑動艙門為例，如圖1 中所示（圖1（b）為圖1（a）對應的俯視圖）?；瑒优撻T上部的前、后兩個滑軌分別為UF與UB，下部前、后兩個滑軌分別為DF 與DB，UF 與UB 為主滑軌。角a 為UB 滑軌前端與航向之間內(nèi)傾夾角，Ay 為UB 滑軌前端起點距后端的y 向距離；角b 為UF 滑軌前端與航向的內(nèi)傾夾角，By 為UF 滑軌前端起點距后端的y 向距離。

圖1 某型滑動艙門

內(nèi)嵌式滑動艙門滑軌設計的基礎是確定前端內(nèi)傾夾角(a、b)和y 向距離(Ay、By)。內(nèi)傾夾角a、b 越小，滑軌過渡段越平緩，艙門運動時越穩(wěn)定。其中，后滑軌內(nèi)傾角a 需大于前滑軌的內(nèi)傾角b，以保證艙門開啟時后部先滑出機身；而滑軌前端起點距后端的y 向距離Ay、By 由艙門的厚度及開啟后艙門與機身的間隙確定?；壾壽E設計過程中，當與造型、機身結(jié)構(gòu)和運動間隙相關的兩根主滑軌的軌跡曲線確定后，其他兩根次滑軌的軌跡線即可唯一確定。

滑軌UB 的內(nèi)傾夾角b 越小，艙門在滑過拐角時越平穩(wěn)。在By 為某一定值情況下，內(nèi)傾夾角b 越大則滑軌內(nèi)嵌部分越長，相應地，艙門的內(nèi)嵌行程也會越大。但是，艙門內(nèi)嵌行程的增加會加劇其對機身結(jié)構(gòu)布置的影響。通常，滑軌內(nèi)嵌部分的長度不超過滑軌總長的1/5。

在大于內(nèi)傾夾角b 且小于90°的情況下，內(nèi)傾夾角a的增大更有利于艙門的快速打開。但是，內(nèi)傾角a 的增大又會導致艙門開啟力的增加，為保證艙門的正常開啟，艙門開啟力F 沿后滑軌切向的分力F1需克服艙門的摩擦力f，如圖1（b）所示。即：

式中：G 為滑動艙門系統(tǒng)的重量；F 的大小通過人機工程設計準則獲得。

1.2 滑動艙門次滑軌設計

通過艙門的運動學分析可以對兩根次滑軌的軌跡線進行設計。在兩個主滑軌的軌跡和滑輪組件旋轉(zhuǎn)中心被確定后，艙門上任意一點的運動軌跡都是唯一確定的。假設艙門為理想剛體，在艙門運動過程中將其上所有點投影到某一主滑軌平面上，根據(jù)其對滑輪組件各自旋轉(zhuǎn)中心的約束建立運動學方程，進而可確定兩根次滑軌軌跡和艙門任意一點的運動投影軌跡。

在CATIA 軟件中，DMU 運動模塊可用來輔助設計兩根次滑軌。首先在軟件中建立艙門、滑輪組件與滑軌之間的運動副，然后通過運動仿真模擬滑門的開啟，就可以掃掠出次滑軌的軌跡線。

2 滑動艙門的動力學仿真及優(yōu)化

滑動艙門作為直升機的主要活動部件之一，滑動平順性是其運動性能的重要指標。理想的滑動艙門運動過程為所有滑輪在滑軌上只做純滾動，不存在由于相對平動而產(chǎn)生的摩擦異響和振動。然而實際上，滑輪與滑軌會不可避免地出現(xiàn)相對平動而影響到艙門的滑動平順性。

利用多體動力學軟件LMS Virtual.Lab 對滑動艙門進行動力學仿真，分析滑輪組件的承載能力和各個滑輪的受力狀況，同時可得到極端工況和粗暴操作下各運動部件的動態(tài)載荷。這樣在生產(chǎn)試驗前，可以對滑動艙門的滑動性能做出有效的評估。

滑動艙門的滑動性能和操作平順性可以通過各個滑輪在導軌中的受力大小和方向變化來評估。仿真過程中，滑輪組件中的側(cè)滑輪的Y 方向力（側(cè)向力）和垂向輪的Z 方向力（垂向力）是主要分析對象。通常在導軌彎道位置，滑輪受力的大小和方向容易突變，引起較大的振動和異響。

根據(jù)仿真分析可以對滑動艙門運動系統(tǒng)進行優(yōu)化以提高其平順性，主要包括對滑軌和滑輪組的優(yōu)化。其中，優(yōu)化滑軌即改善過渡段形狀，平緩的過渡圓角更有利于艙門滑動平順；優(yōu)化滑輪組即優(yōu)化側(cè)滑輪、垂向輪的組合和排布方式。

3 結(jié)語

通過對國內(nèi)外直升機滑動艙門的結(jié)構(gòu)形式進行對比總結(jié)，針對滑軌軌跡的設計要點進行分析，結(jié)合某型直升機滑動艙門滑軌的設計過程，提出了一種內(nèi)嵌式滑動艙門滑軌的設計方法，提高了滑動艙門移動系統(tǒng)的設計效率和精度。

在設計階段，直升機滑動艙門的平順性可以通過多體動力學軟件LMS Virtual.Lab 進行仿真評估，并且根據(jù)仿真結(jié)果進行優(yōu)化。設計階段的動力學優(yōu)化，不僅改善了滑動艙門的滑動性能，并且對提高滑動艙門移動系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。