起落架外置回中機(jī)構(gòu)摩擦卡滯原因分析

陶周亮 黃建新 汪蘭明

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

0 概述

固定翼飛機(jī)起落架通常具備主動(dòng)轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)，飛機(jī)離地后可通過轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)主動(dòng)操縱回中。而直升機(jī)由于可以通過操縱槳葉控制直升機(jī)地面的轉(zhuǎn)彎，在很多型號(hào)中并不配備主動(dòng)轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)，而在直升機(jī)離地后，又需要直升機(jī)起落架能夠自動(dòng)對(duì)中，并進(jìn)行鎖定。直升機(jī)自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)主要有2種形式：一種內(nèi)置于緩沖器[1]，利用緩沖器的初始?xì)怏w壓力，驅(qū)動(dòng)緩沖器伸長(zhǎng)，帶動(dòng)上下凸輪相互作動(dòng)使起落架回中；另一種是外置式回中機(jī)構(gòu)，對(duì)于緩沖器內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊的可采用這種形式。兩種回中機(jī)構(gòu)的本質(zhì)原理都是通過壓縮彈簧或氣體來產(chǎn)生回中力，并通過設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)使起落架達(dá)到最終需要的回中位置。

對(duì)于外置時(shí)回中機(jī)構(gòu)，外筒和活塞桿通過兩點(diǎn)支撐，凸輪處的側(cè)向力導(dǎo)致這兩點(diǎn)處產(chǎn)生的摩擦力，在整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程可能超過彈簧的回中力，這就導(dǎo)致起落架無法回中，形成了摩擦卡滯自鎖。目前國(guó)內(nèi)對(duì)直升機(jī)起落架自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)的卡滯機(jī)理的研究工作較少，而回中機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的卡滯原理與起落架緩沖器相似，在工程應(yīng)用方面，宋曉晨以某無人機(jī)主起落架為研究對(duì)象[2]，研究了緩沖器卡滯特性工程估算方法。魏小輝等人等對(duì)起落架緩沖器卡滯動(dòng)態(tài)臨界摩擦因數(shù)進(jìn)行了探究[3]。該文以起落架外置自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，建立摩擦卡滯數(shù)學(xué)分析模型，求解發(fā)生摩擦卡滯的臨界摩擦因數(shù)。

1 卡滯模型

如圖1所示，外置回中機(jī)構(gòu)安裝在輪叉上，由筒體、桿體、彈簧、軸承和相關(guān)的連接件組成。回中機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，此時(shí)輪胎不處于中立位置，回中機(jī)構(gòu)內(nèi)部的彈簧有一定的壓縮量，彈簧的回彈力推動(dòng)桿體，軸承與輪叉頭部的凸輪發(fā)生作用，最終使輪叉回到中立位置。

回中機(jī)構(gòu)的桿體通過兩點(diǎn)支撐與筒體接觸，受力模型如圖2所示，假設(shè)筒體兩端支撐處同軸度較好，兩端都有支撐載荷，載荷作用點(diǎn)為支撐段的中心處。桿體可以簡(jiǎn)化為兩端簡(jiǎn)支梁受力模型，主要受到三方面的載荷作用：支撐載荷、彈簧驅(qū)動(dòng)力和軸承處的接觸載荷。由于桿體為階梯圓柱，支撐處產(chǎn)生的摩擦力對(duì)桿體有一個(gè)附加的彎矩，軸承載荷通過軸承與凸輪的接觸點(diǎn)和軸承圓心。

圖1回中機(jī)構(gòu)

圖2 受力模型

回中機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中，軸承處的載荷可分解為沿桿體的軸向載荷和徑向載荷，其中軸向載荷阻礙起落架回中，徑向載荷的作用下在2個(gè)支撐點(diǎn)處形成支撐載荷，支撐載荷產(chǎn)生的摩擦力同樣阻礙起落架回中。要想回中機(jī)構(gòu)能正常運(yùn)行，彈簧力需要能夠克服軸承載荷的軸向分量和支撐處摩擦力的聯(lián)合作用，起落架回中時(shí)，受軸承載荷的軸向分量和支撐處摩擦力的影響，產(chǎn)生一定的延遲。由于起落架回中有時(shí)限要求，因此彈簧力應(yīng)足夠大。

根據(jù)以上分析，回中機(jī)構(gòu)發(fā)生摩擦卡滯的條件為彈簧載荷小于軸承載荷的軸向分量和支撐處摩擦力的合力，并有以下數(shù)學(xué)表達(dá)形式：

式中：Fx和Fy為軸承載荷沿徑向和軸向的分量，F(xiàn)1和F2為支撐載荷，F(xiàn)s為彈簧驅(qū)動(dòng)力，μ為摩擦因數(shù)。

對(duì)兩支撐處，取彎矩平衡：

式中：d1和d2為桿體的直徑，L1為軸承中心支撐點(diǎn)1的軸向距離，L2為支撐點(diǎn)1到支撐點(diǎn)2的軸向距離，H為軸承中心到桿體軸線的距離。

合并，化簡(jiǎn)得最終方程：

式中：V為軸承載荷，θ為V與桿體軸線的夾角。

當(dāng)V→∞，求解臨界摩擦因數(shù)，可得回中機(jī)構(gòu)自鎖條件為

最終得臨界摩擦因數(shù)μc如下：

上式中m為用于簡(jiǎn)化公式的中間變量，計(jì)算公式為：

2 計(jì)算分析

根據(jù)上一節(jié)得到的臨界摩擦因數(shù)公式，已知回中機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和彈簧性能參數(shù)，可計(jì)算回中機(jī)構(gòu)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中彈簧行程與臨界摩擦因數(shù)之間的關(guān)系曲線，如圖3所示。由于凸輪外形采用了漸開線設(shè)計(jì)，在運(yùn)動(dòng)過程中，臨界摩擦因數(shù)曲線均勻增加且光滑。由曲線可以知道，臨界摩擦因數(shù)在行程的初始位置時(shí)有最小值，而在初始位置時(shí)，彈簧的驅(qū)動(dòng)又是最小的，因此回中機(jī)構(gòu)最可能發(fā)生摩擦卡滯的地方位于初始位置，而后隨著彈簧行程增加和凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，臨界摩擦因數(shù)不斷增大，由初始的1.33一直增加到2.01。

圖3 彈簧行程與臨界摩擦因數(shù)之間的關(guān)系

該文中提到的回中機(jī)構(gòu)，其桿體的材料為不銹鋼，筒體支撐處的內(nèi)圈襯套材料為鋁青銅，經(jīng)查詢，可得不銹鋼與鋁青銅的摩擦因數(shù)為0.15～0.18[4]。在實(shí)際使用中，桿體與襯套的表面涂有潤(rùn)滑脂，摩擦因數(shù)進(jìn)一步下降，遠(yuǎn)低于1.33，因此，該回中機(jī)構(gòu)不存在發(fā)生摩擦卡滯的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 支撐長(zhǎng)度對(duì)臨界摩擦因數(shù)的影響

為進(jìn)一步優(yōu)化桿體尺寸參數(shù)，達(dá)到增大臨界摩擦因數(shù)的目的。在本小節(jié)分析了桿體與筒體的支撐長(zhǎng)度對(duì)臨界摩擦因數(shù)的影響。結(jié)構(gòu)參數(shù)L1為支撐點(diǎn)1到軸承的軸向距離，參數(shù)L2為支撐點(diǎn)1到支撐點(diǎn)2的軸向距離。由圖4可知，增大L1將導(dǎo)致臨界摩擦因數(shù)整體下降，意味著將更容易發(fā)生摩擦卡滯，從回中機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)來看，L1的增大將導(dǎo)致軸承載荷徑向分量的力臂變大，在兩支撐點(diǎn)處的支撐載荷變大，相應(yīng)的摩擦力變大，發(fā)生摩擦卡滯所需要的摩擦因數(shù)就更小，與模型中求解得到的結(jié)果是一致的。

圖4 支撐長(zhǎng)度與臨界摩擦因數(shù)的關(guān)系

而增大參數(shù)L2的值，臨界摩擦因數(shù)曲線整體上移，發(fā)生摩擦卡滯風(fēng)險(xiǎn)變小，相對(duì)來說，L2的增大對(duì)臨界摩擦因數(shù)影響較大，相對(duì)來說，調(diào)節(jié)L2來增大臨界摩擦因數(shù)所達(dá)到的效果比減小L1帶來的效果更大?？偟膩碚f，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)允許的條件下，盡量增大參數(shù)L2，并減小參數(shù)L1，能增大臨界摩擦因數(shù)，降低回中機(jī)構(gòu)發(fā)生摩擦卡滯的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 桿體直徑對(duì)臨界摩擦因數(shù)的影響

除了支撐長(zhǎng)度以外，桿體直徑對(duì)臨界摩擦因數(shù)的影響也很大。如圖5所示為不同桿體尺寸與臨界摩擦因數(shù)之間的關(guān)系。其中結(jié)構(gòu)參數(shù)d1為桿體前端直徑，參數(shù)d2為桿體后端直徑，當(dāng)增大d1時(shí)，從圖中可看出臨界摩擦因數(shù)整體增大，而且增幅較大，此時(shí)回中機(jī)構(gòu)發(fā)生摩擦卡滯的風(fēng)險(xiǎn)將大幅降低。而當(dāng)增大d2時(shí)，臨界摩擦因數(shù)小幅度降低，回中機(jī)構(gòu)發(fā)生摩擦卡滯的風(fēng)險(xiǎn)將提高。通過分析可知，增大d1或減小d2都將增加臨界摩擦因數(shù)，而相對(duì)來說，d1的增加帶來的效果將更大。

3 結(jié)語

該文根據(jù)起落架外置回中機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，在滿足一定假設(shè)的前提下，將桿體的受力模型簡(jiǎn)化成兩端簡(jiǎn)支梁模型，建立數(shù)學(xué)模型，求解得到了臨界摩擦因數(shù)的表達(dá)式。以某型機(jī)回中機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行計(jì)算分析，最終可形成以下結(jié)論：凸輪采用漸開線設(shè)計(jì)，臨界摩擦因數(shù)均勻增加，摩擦卡滯最高風(fēng)險(xiǎn)位于初始位置；在滿足外筒兩端支撐同軸度較好的前提條件下，回中機(jī)構(gòu)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)產(chǎn)生摩擦卡滯；增大L2或減小L1將增大臨界摩擦因數(shù)，另外增大d1或減小d2也將達(dá)到同樣的效果，在工程設(shè)計(jì)中，可優(yōu)化上述尺寸，降低回中機(jī)構(gòu)發(fā)生摩擦卡滯的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 桿體直徑與臨界摩擦因數(shù)的關(guān)系