無人機(jī)剛?cè)狁詈锨拜嗈D(zhuǎn)彎操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

何滿，黎園亮，朱曉寧

（中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，長沙 410200）

0 引言

起落架是飛機(jī)起飛著陸的關(guān)鍵部件，起落架前輪轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)的性能直接影響到飛機(jī)的安全。隨著對起落架轉(zhuǎn)彎操縱技術(shù)需求的不斷提高，其操縱技術(shù)也不斷向前發(fā)展，從早期的機(jī)械式轉(zhuǎn)彎操縱系統(tǒng)、機(jī)械-液壓式轉(zhuǎn)彎操縱系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)代的電傳式轉(zhuǎn)彎操縱機(jī)構(gòu)[1]。另外由于飛機(jī)滑跑過程中會發(fā)生擺振，前起落架還需具備有減擺系統(tǒng)。起落架的轉(zhuǎn)彎和擺振，前者為主動操縱系統(tǒng)，后者為被動阻尼系統(tǒng)，兩者的切換需要一套較復(fù)雜的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)的起落架前輪轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)采用液壓作動筒，有雙作動筒和單作動筒轉(zhuǎn)彎，以單作動筒轉(zhuǎn)彎機(jī)為例，其工作原理為：利用轉(zhuǎn)彎作動筒的往復(fù)運(yùn)動實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎操縱，需另安裝一電磁閥實現(xiàn)減擺。帶減擺功能的電磁閥的工作原理為：轉(zhuǎn)彎時，對轉(zhuǎn)彎作動筒左右兩個腔進(jìn)行通壓，利用左右腔壓差實現(xiàn)前起落架的轉(zhuǎn)彎。在不轉(zhuǎn)彎的情況下，電磁閥處于中立位置，該腔與轉(zhuǎn)彎作動筒形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，在飛機(jī)滑跑的過程中，通過中間減擺腔中阻尼閥上的阻尼孔，對轉(zhuǎn)彎作動筒進(jìn)行減擺，從而實現(xiàn)前起落架的減擺功能[2]。該結(jié)構(gòu)的缺點在于：由于電磁閥安裝位置往往位于機(jī)身上，距離轉(zhuǎn)彎作動筒較遠(yuǎn)，管路較長，導(dǎo)致減擺的靈敏度較低，且轉(zhuǎn)彎控制閥的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，很大程度上限制了起落架的性能、質(zhì)量等要求，對空間較小的無人機(jī)不利。因此設(shè)計一種減擺性能好、結(jié)構(gòu)緊湊的轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)，對起落架整體設(shè)計具有積極意義。

針對上述問題，本文構(gòu)建了一種電傳式剛?cè)狁詈纤倪B桿轉(zhuǎn)彎操縱機(jī)構(gòu)的模型，對其工作原理進(jìn)行了分析。并在此基礎(chǔ)上建立了它的仿真模型，給出了一種其傳動比的分析方法。

1 剛?cè)狁詈纤倪B桿轉(zhuǎn)彎操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計

四連桿機(jī)構(gòu)是連桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)，它結(jié)構(gòu)簡單，承載能力大，能實現(xiàn)多種運(yùn)動軌跡曲線和運(yùn)動規(guī)律，因而廣泛應(yīng)用于工程實踐中。本文提出了一種起落架剛?cè)狁詈纤倪B桿轉(zhuǎn)彎操縱機(jī)構(gòu)模型，包括水平布置的搖臂和減擺器、通過支架安裝在起落架的支柱外筒一側(cè)的轉(zhuǎn)彎驅(qū)動舵機(jī)，以及套設(shè)于起落架的支柱外筒上且可相對支柱外筒旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)彎套筒，轉(zhuǎn)彎套筒的外圓周上設(shè)有安裝支架；轉(zhuǎn)彎驅(qū)動舵機(jī)具有豎向布置的輸出軸，輸出軸與搖臂的一端固連，搖臂的另一端與減擺器的一端鉸接，減擺器的另一端與轉(zhuǎn)彎套筒上的安裝支架鉸接，轉(zhuǎn)彎套筒與起落架的防扭臂固連；轉(zhuǎn)彎驅(qū)動舵機(jī)旋轉(zhuǎn)時可帶動搖臂和減擺器擺動，搖臂和減擺器擺動以驅(qū)動轉(zhuǎn)彎套筒繞支柱外筒旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)彎套筒繞支柱外筒旋轉(zhuǎn)以驅(qū)使防扭臂帶動前輪轉(zhuǎn)彎。四連桿轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)模型如圖1所示。

2 剛?cè)狁詈纤倪B桿轉(zhuǎn)彎操縱機(jī)構(gòu)工作原理

圖1所示四連桿機(jī)構(gòu)，舵機(jī)輸出軸中心到支柱外筒中心的距離構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu)機(jī)架桿長，搖臂兩端連接中心孔間的距離構(gòu)成第一連架桿桿長，減擺器可以左右擺動一個微小距離，減擺器構(gòu)成四連桿中的氣動連桿，轉(zhuǎn)彎套筒與減擺器的連接中心到支柱外筒的中心距離構(gòu)成第二連架桿桿長。飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時，給舵機(jī)輸入一個轉(zhuǎn)彎角度，舵機(jī)輸出軸的運(yùn)動啟動四連桿機(jī)構(gòu)，四連桿機(jī)構(gòu)帶動轉(zhuǎn)彎套筒繞支柱外筒旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)彎套筒通過上下防扭臂將運(yùn)動傳遞到輪叉上，輪叉轉(zhuǎn)動帶動起落架支柱活塞桿在支柱外筒內(nèi)部旋轉(zhuǎn)，從而固定在輪叉上的前輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎操縱。飛機(jī)前輪左轉(zhuǎn)彎如圖2（a）所示，回中如圖2（b）所示，右轉(zhuǎn)如圖2（c）所示。

圖1 四連桿轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)模型

圖2 轉(zhuǎn)彎操縱示意圖

減擺器作為四連桿機(jī)構(gòu)中的氣動連桿，當(dāng)飛機(jī)前輪轉(zhuǎn)彎操縱時充當(dāng)剛性連桿，當(dāng)飛機(jī)直線滑行時，充當(dāng)阻尼器作為柔性連桿能有效避免機(jī)體發(fā)生擺振，剛?cè)狁詈?，集轉(zhuǎn)彎減擺為一體，結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)型緊湊。減擺器工作原理如下文所述。

2.1 減擺器

減擺器結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示，減擺器的A腔體和B腔體通過充氣孔充有設(shè)定壓力的高壓氣體，設(shè)定氣體壓力的值應(yīng)能平衡起落架最大轉(zhuǎn)彎力矩，C腔體為正常大氣壓力。當(dāng)減擺器的活塞桿耳環(huán)接頭受到向右的拉力，并且該力不足以克服B腔體氣體的壓力，此時活塞桿處于中立位置不移動，整個減擺裝置相當(dāng)于一個剛性連桿；如果該力較大，可以克服B腔體內(nèi)的壓力，活塞桿向右移動，E腔體的油液通過阻尼孔進(jìn)入D腔體，減擺裝置作阻尼器使用。如果這個外力是一個向左的壓力，并且該力不足以克服氣體彈簧內(nèi)A腔體內(nèi)的壓力時，此時活塞桿不會移動，此時減擺裝置作剛性連桿使用；當(dāng)該力可以克服A腔體內(nèi)的壓力時，活塞桿帶動活塞向左移動，阻尼器內(nèi)的油液從D腔體竄入E腔體，減擺裝置作阻尼器使用。

圖3 減擺器結(jié)構(gòu)簡圖

減擺器作為剛?cè)狁詈线B桿，當(dāng)起落架轉(zhuǎn)彎操縱時，減擺器內(nèi)部高壓氣體將減擺器保持在中立位置。此時，減擺器作為轉(zhuǎn)彎四連桿機(jī)構(gòu)中的一個剛性連桿。起落架在地面直線滑跑時，機(jī)輪輪胎受到的沖擊載荷迫使起落架左右擺振，當(dāng)沖擊載荷傳遞到減擺器上，強(qiáng)大的沖擊載荷將減擺器壓縮或拉伸，迫使減擺器一腔體中油液通過活塞中阻尼孔流入另一腔體，從而將沖擊能量在一定周期內(nèi)耗散掉，實現(xiàn)起落架減擺阻尼，此時減擺器為柔性連桿。下文將具體研究減擺器充當(dāng)剛性連桿時轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)的傳動比。

3 剛?cè)狁詈纤倪B桿轉(zhuǎn)彎操縱機(jī)構(gòu)仿真分析

在平面四連桿機(jī)構(gòu)中，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和雙曲柄機(jī)構(gòu)是最常用的兩種。根據(jù)前輪轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)的實際應(yīng)用，本文中四連桿轉(zhuǎn)彎操縱機(jī)構(gòu)選取曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，四連桿轉(zhuǎn)彎操縱機(jī)構(gòu)如圖4所示，ABCD為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，AB（支柱外筒）為機(jī)架，BC（搖臂）曲柄為輸入構(gòu)件，CD（阻尼器/減擺器）為連桿，AD（轉(zhuǎn)彎套筒）搖桿為輸出構(gòu)件。

圖4 四連桿運(yùn)動機(jī)構(gòu)簡圖

當(dāng)曲柄處于BC時，四連桿機(jī)構(gòu)中曲柄存在的條件為：1）BC+CD≤AD+AB；2）BC+AD≤AB+CD。

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的成立的條件為：1）最長桿和最短桿之和不大于其余兩桿之和；2）最短桿為曲柄。

根據(jù)上述機(jī)械原理的應(yīng)用[3]，選?。篈B=94 mm; BC =35 mm；CD=119 mm；AD=82 mm。

傳動比是連桿機(jī)構(gòu)最基本的性能參數(shù)，對于四桿機(jī)構(gòu)而言，其傳動比大小不是固定不變的，而是在一定數(shù)值范圍內(nèi)波動。掌握四連桿機(jī)構(gòu)傳動比的數(shù)值波動范圍，可根據(jù)原動件的運(yùn)動規(guī)律，求出從動件的運(yùn)動規(guī)律。本文在CATIA環(huán)境下對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真，給原動件一個驅(qū)動角度，得到從動件的輸出角度，從而求出傳動比的數(shù)值波動范圍。

在CATIA的DMU運(yùn)動機(jī)構(gòu)環(huán)境中，建立4個link分別為AB（支柱外筒）、BC（搖臂）、CD（阻尼器/減擺器）、AD（轉(zhuǎn)彎套筒）及4個REVOLUTE JOIN：J001～ J004均為旋轉(zhuǎn)副，J001有一個常數(shù)驅(qū)動即舵機(jī)輸出軸旋轉(zhuǎn)，其輸入角度范圍為-30°～30°。建立模型仿真機(jī)制后，啟動機(jī)制，激活傳感器，監(jiān)測J004的輸出角度，機(jī)構(gòu)仿真界面如圖5所示。

圖5 四連桿運(yùn)動機(jī)構(gòu)仿真界面

圖6 轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)傳動比與轉(zhuǎn)彎角度關(guān)系曲線

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了一種剛?cè)狁詈纤倪B桿轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)，在四連桿機(jī)構(gòu)中集成了剛?cè)狁詈线B桿，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)彎、減擺一體化功能，分析了其工作原理，并通過CATIA軟件對剛性四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模仿真分析，給出了一種其傳動比的分析方法。在實際應(yīng)用中可根據(jù)傳動比結(jié)合工況設(shè)置舵機(jī)的驅(qū)動角度。與傳統(tǒng)的起落架前輪轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)相比，剛?cè)狁詈纤倪B桿轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)大大降低了結(jié)構(gòu)的空間占用率，減重效果顯著，傳動可靠，為起落架研發(fā)人員給出了一種新的設(shè)計思路。