軸內(nèi)操縱自動(dòng)傾斜器運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析*

于富侃，董錦山，鄭俊偉，李永鑫

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

0 引 言

直升機(jī)飛行所需的動(dòng)力是旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，飛行過(guò)程中的操縱力來(lái)源則是通過(guò)操縱旋翼槳葉改變升力合力方向來(lái)實(shí)現(xiàn)。而自動(dòng)傾斜器則是實(shí)現(xiàn)旋翼操縱的最重要部件之一。

自動(dòng)傾斜器的主要功能是傳遞運(yùn)動(dòng)和操縱載荷。為了能將駕駛員的周期變距操縱和總距操縱傳遞至繞旋翼軸高速旋轉(zhuǎn)的每片槳葉，自動(dòng)傾斜器應(yīng)該由繞旋翼軸高速旋轉(zhuǎn)部分和不旋轉(zhuǎn)部分兩大部分組成，這兩部分之間有相對(duì)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，并且能夠一起滑移和任意方向的傾斜運(yùn)動(dòng)。

目前絕大多數(shù)自動(dòng)傾斜器構(gòu)型均為軸外操縱構(gòu)型，設(shè)計(jì)分析也相對(duì)成熟。但是對(duì)于國(guó)內(nèi)直升機(jī)很少采用的軸內(nèi)操縱自動(dòng)傾斜器的涉足不深，設(shè)計(jì)分析手段也稍顯不足。

筆者主要介紹一種應(yīng)用于蹺蹺板式旋翼的軸內(nèi)操縱構(gòu)型自動(dòng)傾斜器，搭建此類構(gòu)型自動(dòng)傾斜器的運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)，仿真分析該型自動(dòng)傾斜器的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)分析解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中參數(shù)確定的問(wèn)題。

1 自動(dòng)傾斜器構(gòu)型及運(yùn)動(dòng)仿真

常規(guī)軸外自動(dòng)傾斜器為環(huán)式球鉸結(jié)構(gòu)，具體構(gòu)成包括動(dòng)環(huán)組件、不動(dòng)環(huán)組件、大球鉸組件、大軸承、扭力臂組件、防扭臂組件和變距拉桿組件等(見(jiàn)圖1)。

在功能上，常規(guī)軸外自動(dòng)傾斜器通過(guò)沿固定在主減上端的導(dǎo)筒上下滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋翼的總距操縱，通過(guò)繞大球鉸的傾轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)旋翼的周期變距操縱；扭力臂組件通過(guò)與主軸相連的卡環(huán)帶動(dòng)動(dòng)環(huán)與主軸同步旋轉(zhuǎn)；防扭臂一端連接在主減速器殼體上，防止不動(dòng)環(huán)被動(dòng)環(huán)帶轉(zhuǎn)；不動(dòng)環(huán)三個(gè)叉耳分別與三個(gè)操縱舵機(jī)相連。來(lái)自舵機(jī)的旋翼操縱(含總距和周期變距操縱)通過(guò)不動(dòng)環(huán)和大軸承傳遞到動(dòng)環(huán)上，進(jìn)一步傳遞到變距拉桿，最終完成槳葉的變距。

圖1 常規(guī)環(huán)式球鉸自動(dòng)傾斜器組成

運(yùn)動(dòng)分析基于Catia Kinetimatics模塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，通過(guò)模擬真實(shí)自動(dòng)傾斜器運(yùn)動(dòng)情況，有效求解各部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，輔助確定各結(jié)構(gòu)參數(shù)。能夠解決傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中周期長(zhǎng)、效率低、精度低，參數(shù)調(diào)整等困難。

常規(guī)自動(dòng)傾斜器的運(yùn)動(dòng)仿真建模步驟：

定義機(jī)架件：導(dǎo)筒，定義運(yùn)動(dòng)性質(zhì)包括以下4個(gè)。

(1)總距操縱：大球鉸沿導(dǎo)筒的上下平動(dòng)。

(2)周期變距縱向操縱：動(dòng)環(huán)不動(dòng)環(huán)組件繞橫向變距軸的傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)。

(3)周期變距橫向操縱：動(dòng)環(huán)不動(dòng)環(huán)組件繞縱向變距軸的傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)。

(4)旋翼方位：動(dòng)環(huán)繞不動(dòng)環(huán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

定義運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接運(yùn)動(dòng)副的類型：

(1)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)副：旋翼軸/導(dǎo)筒，卡環(huán)/扭力臂方形臂，扭力臂方形臂/扭力臂三角臂，防扭臂安裝座/防扭臂方形臂，防扭臂方形臂/防扭臂三角臂，動(dòng)環(huán)/不動(dòng)環(huán)。

(2)球鉸運(yùn)動(dòng)副：不動(dòng)環(huán)/大球鉸，扭力臂三角臂/動(dòng)環(huán)，防扭臂三角臂/不動(dòng)環(huán)，變距拉桿/變距搖臂，變距拉桿/動(dòng)環(huán)，舵機(jī)/不動(dòng)環(huán)。

(3)圓柱運(yùn)動(dòng)副：大球鉸/導(dǎo)筒。

(4)固接：卡環(huán)/旋翼軸，導(dǎo)筒/舵機(jī)下安裝座/防扭臂安裝座。

建立骨架模型：根據(jù)各構(gòu)件的主要輪廓特征建立對(duì)應(yīng)的骨架模型，該模型應(yīng)能體現(xiàn)構(gòu)件的主要幾何參數(shù)并盡量簡(jiǎn)單，并且所有可變幾何尺寸應(yīng)參數(shù)化以便后期的快速更改。理論上可以使用實(shí)際的零件實(shí)體模型構(gòu)建運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，但更傾向于先建立骨架模型，然后將實(shí)體固接到對(duì)應(yīng)的“骨架”上去，這樣做的目的一方面提高仿真模型的可讀性，另外也便于參數(shù)的更改及提升模型的健壯性。然后將各種“接合”連接起來(lái)，同時(shí)固定好機(jī)架件，定義好原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)類型及范圍。最后將各構(gòu)件的實(shí)體模型利用“剛性接頭”“綁定”到對(duì)應(yīng)的骨架上去。

其運(yùn)動(dòng)仿真骨架模型及實(shí)體模型如圖2。

圖2 骨架模型及綁定實(shí)體后的仿真模型

2 軸內(nèi)操縱自動(dòng)傾斜器運(yùn)動(dòng)仿真分析

盡管常規(guī)環(huán)式球鉸構(gòu)型自動(dòng)傾斜器已經(jīng)過(guò)多年驗(yàn)證能夠很好的運(yùn)用于多種旋翼構(gòu)型，但對(duì)于某些特定旋翼構(gòu)型，特殊的軸內(nèi)操縱型式卻能在某些方面更具優(yōu)勢(shì)。通過(guò)搭建此構(gòu)型的運(yùn)動(dòng)仿真分析平臺(tái)，提供該新型構(gòu)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析手段，為實(shí)現(xiàn)對(duì)該構(gòu)型設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)成熟性打下基礎(chǔ)。

2.1 構(gòu)型特點(diǎn)分析

所謂軸內(nèi)操縱構(gòu)型自動(dòng)傾斜器，指的是自動(dòng)傾斜器主要結(jié)構(gòu)全部或部分穿過(guò)主旋翼軸，文中所分析的軸內(nèi)操縱自動(dòng)傾斜器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 軸內(nèi)操縱自動(dòng)傾斜器結(jié)構(gòu)示意圖

該型結(jié)構(gòu)主要由動(dòng)環(huán)不動(dòng)環(huán)組件、變距拉桿組件和防扭拉桿組件等構(gòu)成。變距拉桿組件實(shí)際上是一套桿系，由長(zhǎng)拉桿組件、短拉桿組件和支撐件，搖桿等構(gòu)成；動(dòng)環(huán)不動(dòng)環(huán)組件位于主減速器下方，動(dòng)環(huán)位于不動(dòng)環(huán)之內(nèi)；長(zhǎng)拉桿組件從主旋翼軸中間穿過(guò)，通過(guò)位于主槳轂上方的支撐件組件、搖桿和小拉桿連接，最后連接蹺蹺板旋翼主槳轂變距搖臂，實(shí)現(xiàn)完整變距桿系的串聯(lián)；防扭拉桿通過(guò)與機(jī)身相連，以實(shí)現(xiàn)防止不動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)功能。

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)傾斜器功能，從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度來(lái)分析其構(gòu)型，該型自動(dòng)傾斜器與常規(guī)自動(dòng)傾斜器的不同在以下方面。

(1)使用兩副深溝球軸承組成的十字鉸代替球鉸來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)環(huán)不動(dòng)環(huán)傾斜運(yùn)動(dòng)，動(dòng)環(huán)置于不動(dòng)環(huán)內(nèi)部，動(dòng)環(huán)半徑小，傳動(dòng)比大，但總的動(dòng)環(huán)不動(dòng)環(huán)運(yùn)動(dòng)空間范圍小，同時(shí)動(dòng)環(huán)不動(dòng)環(huán)組件位于主減之下，都利于小噸位總體空間布置。

(2)通過(guò)上下兩對(duì)滑塊組成的滑動(dòng)副來(lái)代替球鉸與導(dǎo)筒的滑動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)傾斜器上下運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)總距運(yùn)動(dòng)，同時(shí)滑塊通過(guò)承擔(dān)側(cè)向力，可直接傳遞旋翼軸至動(dòng)環(huán)的扭矩，使得動(dòng)環(huán)及動(dòng)環(huán)中軸能夠與主軸同步旋轉(zhuǎn)，代替扭力臂的作用。用滑塊和主軸的滑動(dòng)副將為實(shí)現(xiàn)總距和帶轉(zhuǎn)功能的球鉸/導(dǎo)筒運(yùn)動(dòng)副和扭力臂合二為一，化繁為簡(jiǎn)。

(3)軸內(nèi)的長(zhǎng)拉桿，槳轂上方的搖桿，短拉桿構(gòu)成的桿系，可實(shí)現(xiàn)雙槳葉旋翼的變距。此種桿系結(jié)合十字鉸結(jié)構(gòu)使得總距、周期變距變成桿系的二維平面運(yùn)動(dòng)，而非常規(guī)構(gòu)性變距拉桿的三維體運(yùn)動(dòng)。變距桿系取代簡(jiǎn)單的二力變距拉桿，化簡(jiǎn)為繁，使得變距拉桿關(guān)節(jié)軸承擺角大幅減小，提高了關(guān)節(jié)軸承壽命。

(4)防扭拉桿代替防扭臂，通過(guò)直接與機(jī)身骨架的橫向連接，通過(guò)三自由度的雙鉸鏈二力桿代替原有的方形臂、三角臂運(yùn)動(dòng)鏈系，化繁為簡(jiǎn)。

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

從操縱原理來(lái)看，軸內(nèi)操縱與常規(guī)自動(dòng)傾斜器是一致的，鑒于蹺蹺板旋翼的特點(diǎn)，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)包括以下5個(gè)。

(1)旋翼旋轉(zhuǎn)：動(dòng)環(huán)隨旋翼軸繞不動(dòng)環(huán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

(2)總距操縱：自動(dòng)傾斜器隨滑塊沿旋翼軸滑槽的兩個(gè)滑動(dòng)副上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

(3)縱向操縱：動(dòng)環(huán)不動(dòng)環(huán)組件繞十字鉸的縱向傾斜運(yùn)動(dòng)，并隨旋翼軸旋轉(zhuǎn)傳遞給變距桿系，球鉸合成運(yùn)動(dòng)副重新分解為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副。

(4)橫向操縱：動(dòng)環(huán)不動(dòng)環(huán)組件繞十字鉸的橫向傾斜運(yùn)動(dòng)，并隨旋翼軸旋轉(zhuǎn)傳遞給變距桿系，球鉸合成運(yùn)動(dòng)副重新分解為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副。

(5)槳葉揮舞：槳葉反對(duì)稱揮舞，存在一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。

基于以上運(yùn)動(dòng)源，可定義運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接運(yùn)動(dòng)副的類型(機(jī)身骨架為機(jī)架件)：

(1)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副：旋翼軸/機(jī)架，不動(dòng)環(huán)/動(dòng)環(huán)，動(dòng)環(huán)中軸/動(dòng)環(huán)，動(dòng)環(huán)中軸/滑塊，長(zhǎng)拉桿/動(dòng)環(huán)中軸，搖桿/滑塊，揮舞鉸/主軸，揮舞支臂/揮舞鉸。

(2)球鉸運(yùn)動(dòng)副：短拉桿/搖桿，短拉桿/變距搖臂，舵機(jī)/不動(dòng)環(huán)，防扭桿/不動(dòng)環(huán)，防扭桿/機(jī)架。

(3)圓柱運(yùn)動(dòng)副：上、下滑塊/主軸。

(4)固接：防扭桿機(jī)架連接件/機(jī)架。

明確以上運(yùn)動(dòng)副后，可搭建此類構(gòu)型自動(dòng)傾斜器的運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)，圖4為骨架模型。

圖4 軸內(nèi)自動(dòng)傾斜器運(yùn)動(dòng)仿真骨架

2.3 主要部件運(yùn)動(dòng)學(xué)特征仿真分析

構(gòu)建仿真模型后需要有仿真輸入，即各運(yùn)動(dòng)性質(zhì)輸入。在本構(gòu)型的基礎(chǔ)上，也即變距操縱輸入和槳葉揮舞輸入。槳葉變距范圍輸入如表1。

表1 槳葉變距范圍

基于以上輸入和已搭建好的運(yùn)動(dòng)仿真分析平臺(tái)，對(duì)各部件進(jìn)行如下方面分析。

(1)動(dòng)環(huán)不動(dòng)環(huán)運(yùn)動(dòng)包絡(luò)體分析

在進(jìn)行各最大變距操縱下，得出動(dòng)環(huán)不動(dòng)環(huán)運(yùn)動(dòng)包絡(luò)體如圖5。

通過(guò)測(cè)量分析，包絡(luò)體在200×200×80空間內(nèi)，相比于類似噸位直升機(jī)常規(guī)構(gòu)型自動(dòng)傾斜器動(dòng)環(huán)不動(dòng)環(huán)動(dòng)輒兩、三百的運(yùn)動(dòng)半徑，可以體現(xiàn)動(dòng)環(huán)半徑小帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)明顯。

(2)滑塊運(yùn)動(dòng)分析

滑塊的運(yùn)動(dòng)行程體現(xiàn)在總距，因此在仿真分析過(guò)程中，在操縱步驟單步驟為40步長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，0～40步長(zhǎng)總距操縱為低距-高距；40～80，高距-低距?；瑝K偏移距離如圖6。

圖5 動(dòng)環(huán)不動(dòng)環(huán)運(yùn)動(dòng)包絡(luò)體 圖6 滑塊偏移距離分析

上下兩副滑塊在此結(jié)構(gòu)中的作用不言而喻，由于滑塊和主軸的滑動(dòng)副將為實(shí)現(xiàn)總距和帶轉(zhuǎn)功能的球鉸/導(dǎo)筒運(yùn)動(dòng)副和扭力臂合二為一，滑塊在主要承擔(dān)滑動(dòng)摩擦的情況下還要承擔(dān)扭矩帶來(lái)的側(cè)向力。所以滑塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征與滑塊的承力能力直接關(guān)聯(lián)，由圖6可以看出滑塊的運(yùn)動(dòng)幅度并不大，再通過(guò)其他應(yīng)力分析手段，驗(yàn)證了滑塊的選擇余地很大，并不困難。

(3)變距桿系運(yùn)動(dòng)分析

平面運(yùn)動(dòng)的變距拉桿桿系，長(zhǎng)拉桿類似平行四邊形的平移及變形，搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)，短拉桿擺動(dòng)，如圖7。

短拉桿關(guān)節(jié)軸承擺角：0～40步長(zhǎng)，揮舞最大；40～80，總距和縱橫向周期變距最大；80～120，旋翼旋轉(zhuǎn)1/4圈。關(guān)節(jié)軸承擺角結(jié)果如圖8。

短拉桿擺角：0～40步長(zhǎng)總距最大，縱向最大，橫向最大以及揮舞角度最大，40～80旋轉(zhuǎn)兩周。短拉桿擺角結(jié)果如圖9。

搖桿擺角：0～40步長(zhǎng)總距最大，縱、橫向最大以及揮舞角度最大，40～80旋轉(zhuǎn)兩周。搖桿擺角結(jié)果如圖10。

圖7 變距桿系運(yùn)動(dòng)示意 圖8 短拉桿關(guān)節(jié)軸承擺角

圖9 短拉桿擺角 圖10 搖桿擺角

平面運(yùn)動(dòng)的最大優(yōu)點(diǎn)即是短拉桿關(guān)節(jié)軸承擺角極小，長(zhǎng)拉桿甚至可采用深溝球軸承，即使在槳葉揮舞的作用下，短拉桿擺角也有限，這就使得關(guān)節(jié)軸承的壽命提高，而且短拉桿及搖桿的擺動(dòng)角幅度均不大，不管從運(yùn)動(dòng)學(xué)分析還是傳力分析的角度來(lái)看，都是合理的。

(4)防扭拉桿的運(yùn)動(dòng)分析

防扭拉桿關(guān)節(jié)軸承擺角的分析：0～40步長(zhǎng)，橫向0-最大；40～80，橫向最大-橫向最小，縱向0-最大；80～120；橫向不動(dòng)，縱向最大-最小；120～160，橫向最小-最大，縱向最小-最大。結(jié)果如圖11。

圖11 防扭拉桿關(guān)節(jié)軸承擺角

二力桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)防扭臂的運(yùn)動(dòng)鏈系，動(dòng)環(huán)不動(dòng)環(huán)布置于主減下使得二力桿的橫向布置成為可能。簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)的同時(shí)，關(guān)節(jié)軸承的擺角也不大。結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)合理可行，優(yōu)點(diǎn)突出。

2.4 運(yùn)動(dòng)仿真分析的應(yīng)用實(shí)例

在旋翼操縱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了以上運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析外，還通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)了搖桿與變距拉桿支撐件頂件間隙小的問(wèn)題，如圖12(a)，0～40步長(zhǎng)為總距和縱向、橫向周期變距均為最大的情況下旋轉(zhuǎn)兩周，發(fā)現(xiàn)最小間隙僅為0.25 mm，這對(duì)于運(yùn)動(dòng)部件來(lái)說(shuō)相當(dāng)危險(xiǎn)，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輸入?yún)?shù)的協(xié)調(diào)修正，在不影響主要設(shè)計(jì)參數(shù)的前提下，不斷通過(guò)仿真分析，最終將間隙調(diào)整至1 mm以上，如圖12(b)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的調(diào)整與優(yōu)化。

圖12 搖桿與變距拉桿支撐件頂件間隙監(jiān)測(cè)分析

3 結(jié) 語(yǔ)

基于運(yùn)動(dòng)學(xué)角度分析了一種軸內(nèi)操縱構(gòu)型自動(dòng)傾斜器，搭建此構(gòu)型自動(dòng)傾斜器的運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)，仿真分析該型自動(dòng)傾斜器的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征，為該型自動(dòng)傾斜器的設(shè)計(jì)提供了有效分析手段，且通過(guò)運(yùn)動(dòng)分析解決了實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，為此后類似構(gòu)型的設(shè)計(jì)分析提供借鑒。