某型飛機主起落架緩沖支柱卡滯計算及參數(shù)影響分析

黎永平，王進劍，夏佳麗，李 彬

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌， 330024）

0 引言

緩沖支柱是飛機起落架的核心部件，其主要功能是吸收和耗散飛機著陸和地面滑行期間的動能。緩沖支柱的緩沖作用得以實現(xiàn)的前提條件是緩沖支柱活塞桿與外筒之間存在相對運動，而緩沖支柱一旦發(fā)生卡滯，緩沖支柱將不能正常壓縮，會導致結構破壞、飛機姿態(tài)失衡等嚴重后果。飛機油氣緩沖支柱起落架設計標準中提出，設計師應合理選擇起落架緩沖支柱上、下支承軸承的間距、材料、應力，并對可能出現(xiàn)的黏結卡滯現(xiàn)象進行考核。

半軸支柱式起落架具有結構簡單、易收藏和重量輕的特點，被廣泛運用于各型號飛機上。 但是對于半軸支柱式起落架，由于構型的原因，其活塞桿上支承和下支承處的支反力相比其他型式起落架要大得多，進而引起支承處摩擦力過大，在起落架設計之初必須對起落架防卡滯設計加以重視。

1 卡滯理論計算分析

緩沖支柱卡滯的產生與其受力形式是密不可分的，起落架的結構形式、緩沖支柱的結構形式以及摩擦副的摩擦條件都是決定緩沖支柱受力情況的關鍵因素。 此外，卡滯分析理論模型的準確性直接影響分析結果，精確完善的理論模型有助于對卡滯特性影響因素進行更好地定性和定量分析，并為緩沖支柱防卡滯優(yōu)化設計提供參考。

1.1 起落架構型及參數(shù)

某型飛機主起落架采用半軸支柱式起落架，結構參數(shù)示意圖如圖1 所示。

圖1 起落架結構參數(shù)示意圖

為地面坐標系，以順航向向前為軸，垂直地面向上為軸，軸按右手定則確定；為緩沖支柱坐標系， 以垂直于緩沖支柱軸線順航向向前為軸，沿支柱軸線向上為軸，軸按右手定則確定。

圖中：

-緩沖支柱行程；α-起落架傾角與姿態(tài)角之和；-扭力臂側向載荷；-上、 下扭力臂連接點至緩沖支柱軸線的距離，為的函數(shù)；-上、下扭力臂連接點與輪軸中心向距離，為的函數(shù)；-上下支承之間的初始距離；-下支承到輪軸中心的向初始距離；-輪軸中心到緩沖支柱軸線距離。

起落架扭力臂結構示意圖如圖2 所示，和為緩沖支柱行程的函數(shù)。

圖2 扭力臂結構示意圖

計算參數(shù)：

其中

計算參數(shù)：

1.2 卡滯計算模型

對上支承點B 列力矩平衡方程：

對下支承點A 列力矩平衡方程：

由繞緩沖支柱軸向的扭矩平衡方程可得扭力臂載荷：

將地面坐標系下輪心點載荷轉換到緩沖支柱坐標系：

式（6）中：μ 為地面摩擦系數(shù)。

將式（5）、（6）代入式（3）得到支承點A 處載荷：

將式（5）、（6）代入式（4）得到支承點B 處載荷：

卡滯系數(shù)為上下支承摩擦力與緩沖支柱軸向載荷之比，求得卡滯系數(shù)：

式（11）中：μ為支承處摩擦系數(shù)。

將式（8）、（10）代入式（11），得到卡滯系數(shù)：

當μ 取0 時，航向力為0，只有地面垂向載荷作用，即為靜態(tài)卡滯系數(shù)計算公式。

1.3 卡滯計算結果

起落架卡滯計算所需參數(shù)如表1 所示。

表1 計算參數(shù)

現(xiàn)在以緩沖支柱行程為變量，將表1 中計算參數(shù)代入卡滯系數(shù)計算公式（12）中，分別計算水平和尾沉著陸姿態(tài)下卡滯系數(shù)隨行程的變化趨勢，計算結果如圖3 所示。

圖3 卡滯系數(shù)與緩沖支柱行程關系曲線

由圖3 計算結果可知，卡滯系數(shù)隨著緩沖支柱行程的增加而減小。該起落架在機尾下沉著陸姿態(tài)起轉時卡滯系數(shù)最大，最大為0.296，雖然小于1，發(fā)生卡滯的概率較低，但是相比其他機型起落架緩沖支柱的卡滯系數(shù)還是偏大，需進一步通過試驗考核卡滯情況。

2 參數(shù)影響分析

由第1 章可知，緩沖支柱卡滯系數(shù)是關于起落架相關結構參數(shù)和摩擦系數(shù)的函數(shù)，因此，可以分析卡滯系數(shù)隨影響參數(shù)的變化趨勢，通過改變設計參數(shù)來降低緩沖支柱的卡滯系數(shù)。

支承軸套摩擦系數(shù)、支承軸套間距、起落架安裝傾角、扭力臂安裝角度對緩沖支柱的卡滯特性都有重要影響。由卡滯計算結果可知卡滯系數(shù)隨緩沖支柱的行程增加而減小，為了更加直觀地分析設計參數(shù)對緩沖支柱卡滯的影響，本章只分析起落架初始狀態(tài)下，即緩沖支柱行程為0 時，卡滯系數(shù)隨各參數(shù)的變化曲線。

2.1 支承軸套摩擦系數(shù)的影響

支承軸套的材料及潤滑條件直接影響支撐軸套的摩擦系數(shù)，由卡滯系數(shù)計算公式（12）可看出，卡滯系數(shù)與支承軸套摩擦系數(shù)呈線性關系?？禂?shù)隨支承軸套摩擦系數(shù)的變化曲線如圖4 所示。

由圖4 可看出，卡滯系數(shù)受支承軸承摩擦系數(shù)的影響非常大，當支承軸承的摩擦系數(shù)增大至0.35 時，最大卡滯系數(shù)大于1，緩沖支柱出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。 故在支承處應盡量選用摩擦系數(shù)低的材料，同時要保證良好的潤滑條件，若不能保證良好的潤滑條件，可以選用自潤滑材料。

圖4 卡滯系數(shù)隨μ1 變化曲線

2.2 支承軸套初始間距b

緩沖支柱上、下軸套初始間距關系到支承反力作用點的位置，對于軸套摩擦力和支柱卡滯性能具有重要影響。卡滯系數(shù)隨支承軸套初始間距的變化曲線如圖5 所示。

圖5 卡滯系數(shù)隨b 變化曲線

由圖5 可知，卡滯系數(shù)隨支承軸套初始間距增大而減小， 當軸套間距由初始227mm 增大為250mm時，最大卡滯系數(shù)由0.296 變?yōu)?.275。

故如果緩沖支柱的卡滯問題比較突出，可以適當增大上、下軸套的初始間距來改善卡滯問題，但這樣會增加起落架重量，因此要綜合考慮。

2.3 起落架安裝傾角β

α 為起落架安裝傾角與姿態(tài)角之和，將表1 計算參數(shù)中的起落架安裝傾角用變量β 代替，代入式（12）中，即可求出卡滯系數(shù)隨β 的變化曲線，如圖6 所示。

由圖6 可知，起轉工況卡滯系數(shù)隨起落架安裝傾角的增大而減小，回彈工況卡滯系數(shù)隨起落架安裝傾角的增大而增大，當起落架安裝傾角由初始-1.35°調整為-4°時，最大卡滯系數(shù)由原來的0.296 變?yōu)?.276。

圖6 卡滯系數(shù)隨β 變化曲線

故在起落架初始設計時，可參考起落架安裝傾角對卡滯系數(shù)的影響結果， 綜合考慮其他設計因素，最終確定起落架安裝傾角。

2.4 扭力臂安裝角度θ

扭力臂是半軸支柱式起落架的關鍵部件，如果扭力臂位置布置適當，由扭力臂產生的附加彎矩可抵消一部分由外力產生的彎矩，從而減小起落架內外筒之間的摩擦力，可以緩解卡滯情況，因此合理布置扭力臂位置是一個重要方面。

扭力臂安裝角度示意圖如圖7 所示，即將圖1 中向視圖的扭力臂偏轉一個角度θ。

圖7 扭力臂安裝角度示意圖

式（3）中對上支承點列力矩平衡方程變?yōu)椋?/p>

式（4）中對下支承點A 列力矩平衡方程變?yōu)椋?/p>

最終得到考慮扭力臂安裝角度的卡滯系數(shù)計算公式：

求出卡滯系數(shù)隨扭力臂安裝角度的變化曲線，如圖8 所示。

圖8 卡滯系數(shù)隨θ 變化曲線

由圖8 可知， 將扭力臂安裝角度改為97°后，最大卡滯系數(shù)由原來的0.296 變?yōu)?.178，降低了40%，收益非常明顯。 改變扭力臂的安裝角度，在不增重的情況下，可明顯改善緩沖支柱的卡滯情況。

但由于起落架收藏空間限制，扭力臂一般安裝在0°或者180°方向。 由圖8 可知，扭力臂安裝在180°方向時，最大卡滯系數(shù)為0.314，比安裝在0°方向稍大。故當起落架收藏空間限制扭力臂只能安裝在0°或180°方向時，選擇安裝在0°方向對防卡滯設計更加有利。

3 結論

本文對某型飛機主起落架卡滯進行了理論計算分析，在此基礎上，對起落架相關結構參數(shù)和摩擦系數(shù)進行了影響分析，得到以下結論：

1） 起落架在機尾下沉著陸姿態(tài)起轉時，卡滯系數(shù)最大，最大為0.296，發(fā)生卡滯的概率較低，但是相比其他機型卡滯系數(shù)還是偏大；

2） 卡滯系數(shù)與支承軸套摩擦系數(shù)呈線性關系，當支承軸承的摩擦系數(shù)增大至0.35 時， 最大卡滯系數(shù)大于1，緩沖支柱會出現(xiàn)卡死現(xiàn)象；

3） 卡滯系數(shù)隨支承軸套初始間距增大而減小，適當增大上、下軸套的初始間距可以改善卡滯問題；

4） 起轉工況卡滯系數(shù)隨起落架安裝傾角的增大而減小，回彈工況卡滯系數(shù)隨起落架安裝傾角的增大而增大，起落架安裝傾角由初始-1.35°調整為-4°時，對防卡滯最有利；

5） 將扭力臂安裝角調整至97°時，最大卡滯系數(shù)降低了40%，明顯減小，當起落架收藏空間限制扭力臂只能安裝在0°或180°方向時， 選擇安裝在0°方向對防卡滯設計更加有利。