樊廣軍，袁 理，魯立君，2，蔣炳炎，2

(1.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410083;2.中南大學(xué)航空航天學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083)

0 引言

飛機(jī)起落架收放方式大致可分為沿翼展和翼弦方向兩種，民用客機(jī)的主起落架一般采用沿翼展方向的收放方式，以減少起落架收放對(duì)飛機(jī)重心的影響.隨著超臨界機(jī)翼的出現(xiàn)，機(jī)翼剖面高度變小，沿翼展方向的收放方式不便容納傳統(tǒng)的收放平面機(jī)構(gòu)，可依靠收放空間機(jī)構(gòu)解決空間配置的問(wèn)題.

國(guó)內(nèi)對(duì)飛機(jī)起落架虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究始于本世紀(jì)初［1］，而近年發(fā)表的關(guān)于民用機(jī)起落架收放仿真的文章，主要集中在對(duì)平面收放機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能的模擬:在動(dòng)力學(xué)軟件中對(duì)起落架樣機(jī)添加收、放激勵(lì)而非建立模型進(jìn)行仿真［2］;建模討論基于平面四桿機(jī)構(gòu)的飛機(jī)前起落架或主起落架的運(yùn)動(dòng)性能［3-5］.已公開(kāi)發(fā)表的關(guān)于主起落架收放空間機(jī)構(gòu)的論文較少，同時(shí)鑒于國(guó)內(nèi)對(duì)起落架收放空間機(jī)構(gòu)研究的欠缺，筆者將探討收放空間機(jī)構(gòu)的幾種類型，建立沿翼展收放的民用機(jī)主起落架空間機(jī)構(gòu)模型，借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，驗(yàn)證起落架收放空間機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可制造性.

1 起落架收放機(jī)構(gòu)分析

1.1 起落架收放機(jī)構(gòu)

主起落架在飛機(jī)靜止和緩慢滑行時(shí)主要受飛機(jī)自身重量的作用，在飛機(jī)降落滑跑時(shí)還要受到地面和剎車產(chǎn)生的巨大的與滑跑方向相反的作用力.起落架支柱和收放機(jī)構(gòu)要在能承受這兩大載荷的前提下，盡量滿足“小”和“輕”的要求［6］.

針對(duì)基于平面四桿機(jī)構(gòu)起落架(圖1)的研究已有不少，從用復(fù)數(shù)法列出起落架收放機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的位置、速度及加速度方程，到用CATIA軟件建立起落架的數(shù)字樣機(jī)和收放運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，結(jié)合ADAMS軟件開(kāi)發(fā)起落架收放動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)的虛擬樣機(jī)討論氣動(dòng)阻力、質(zhì)量力和收放動(dòng)作筒液壓力對(duì)收放運(yùn)動(dòng)的影響等.但目前最為先進(jìn)的民用飛機(jī)(例如波音B787和空客A350)主起落架皆采用收放空間機(jī)構(gòu).收放平面機(jī)構(gòu)雖然可以滿足起落架收放和承受部分載荷的要求，但空間機(jī)構(gòu)可更好地將載荷分散，同時(shí)能解決超臨界翼飛機(jī)起落架沿翼展方向收放時(shí)空間受限的問(wèn)題.

圖1 起落架收放平面機(jī)構(gòu)Fig.1 Landing gear retractable plane mechanism

1.2 機(jī)構(gòu)自由度分析與驗(yàn)證

所謂空間機(jī)構(gòu)，即組成機(jī)構(gòu)的連桿和運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)軌跡不能被抽象在固定的平面內(nèi).為提高機(jī)構(gòu)的可靠性，滿足起落架收放運(yùn)動(dòng)的空間機(jī)構(gòu)自由度數(shù)一般為1.應(yīng)用空間機(jī)構(gòu)的起落架會(huì)有兩組或以上斜撐桿，為簡(jiǎn)化計(jì)算，僅取一組斜撐桿參與機(jī)構(gòu)的計(jì)算.針對(duì)空間單閉鏈機(jī)構(gòu)的Kutzbach-Grübler自由度計(jì)算公式為式中:fi是第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的自由度;公共約束m是指在某些機(jī)構(gòu)中，由于運(yùn)動(dòng)副或構(gòu)件幾何位置的特殊配置，使所有構(gòu)件都失去另外某些運(yùn)動(dòng)的可能性，這等于對(duì)機(jī)構(gòu)中所有構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)加上某種公共約束;消極自由度f(wàn)p是由于機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的特殊幾何條件決定的機(jī)構(gòu)中原有的一些不起運(yùn)動(dòng)作用的自由度;局部自由度f(wàn)t是機(jī)構(gòu)中不影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的自由度［7-8］.要使單閉鏈空間機(jī)構(gòu)的構(gòu)件能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則機(jī)構(gòu)中所有運(yùn)動(dòng)副自由度之和據(jù)此，筆者利用CATIA軟件建立了以空間5桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)的起落架收放系統(tǒng)，如圖2所示，其自由度為

參與計(jì)算的運(yùn)動(dòng)副有1個(gè)球面副S，4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副R.其中球面副由機(jī)架1與上斜撐臂2構(gòu)成，4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副分別由上斜撐臂2與下斜撐臂3，下斜撐臂3與臂柱連接件4，臂柱連接件4與減震支柱5，減震支柱5和機(jī)架1構(gòu)成.同理，也可利用CATIA軟件設(shè)計(jì)以空間7桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)的起落架收放系統(tǒng)，如圖3所示，其參與計(jì)算的運(yùn)動(dòng)副為7個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副R.

圖2 基于5桿空間機(jī)構(gòu)的起落架收放機(jī)構(gòu)Fig.2 Landing gear based on 5-bar spatial mechanism

圖3 基于7桿空間機(jī)構(gòu)的起落架收放機(jī)構(gòu)Fig.3 Landing gear based on 7-bar spatial mechanism

空間5桿機(jī)構(gòu)雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，但其含有一個(gè)球面副.球面副在實(shí)際制造中因加工工藝限制和受力不均等原因并不適合實(shí)際應(yīng)用.空間7桿機(jī)構(gòu)的連接副雖然都是轉(zhuǎn)動(dòng)副，但是桿件數(shù)量冗余.在實(shí)際應(yīng)用中，最好有一種結(jié)構(gòu)既簡(jiǎn)單，又不受工藝限制的空間機(jī)構(gòu)應(yīng)用在飛機(jī)起落架上.實(shí)際上，有一種特殊的6桿空間機(jī)構(gòu)符合連接副都是轉(zhuǎn)動(dòng)副的要求［9-10］，但這種特殊機(jī)構(gòu)的自由度不能通過(guò)Kutzbach-Grübler公式計(jì)算，而國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)也都未能對(duì)此類起落架機(jī)構(gòu)進(jìn)行自由度計(jì)算.若建立這種特殊機(jī)構(gòu)的物理樣機(jī)將耗時(shí)耗力，筆者將憑借計(jì)算機(jī)數(shù)字樣機(jī)技術(shù)建模，驗(yàn)證其幾何上的可制造性.

經(jīng)在CATIA軟件中反復(fù)摸索和調(diào)試，筆者發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)副皆為轉(zhuǎn)動(dòng)副的空間單閉鏈6桿機(jī)構(gòu)僅在一種情況下得以成立，如圖4所示:即機(jī)構(gòu)所含6個(gè)運(yùn)動(dòng)副中，有3個(gè)運(yùn)動(dòng)副的軸線平行，而另外3個(gè)運(yùn)動(dòng)副的軸線必須相交于一點(diǎn).

圖4 基于6桿空間機(jī)構(gòu)的起落架收放機(jī)構(gòu)Fig.4 Landing gear based on 6-bar spatial mechanism

這樣約束構(gòu)成的6桿機(jī)構(gòu)，在空間任何位置都具有6根桿件在同一平面內(nèi)的特征.但如圖4所示:只要任一構(gòu)件與轉(zhuǎn)動(dòng)副發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)，6桿機(jī)構(gòu)所在的平面就會(huì)改變位置，所以這是一種特殊的空間機(jī)構(gòu)，不能用傳統(tǒng)的空間機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式對(duì)其進(jìn)行解釋，但利用機(jī)械系統(tǒng)軟件建模能較為有效地驗(yàn)證其可制造性.

2 起落架收放系統(tǒng)的建立和運(yùn)動(dòng)模擬

2.1 收放系統(tǒng)建模

收放機(jī)構(gòu)模型的建立過(guò)程為:在CATIA軟件的零件設(shè)計(jì)工作臺(tái)建立起落架各零件模型，然后在軟件的裝配工作臺(tái)內(nèi)將各零件裝配成完整的模型.要進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬，還需進(jìn)入CATIA軟件的“DMU Kinematics”運(yùn)動(dòng)模擬工作臺(tái).在這個(gè)工作臺(tái)內(nèi)，可在設(shè)置零件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系后設(shè)定和觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

筆者要模擬的是含收放空間機(jī)構(gòu)的主起落架下放過(guò)程，為簡(jiǎn)化復(fù)雜的起落架，模型中沒(méi)有考慮鎖定機(jī)構(gòu)和一些輔助性的零件.為保證機(jī)構(gòu)裝配時(shí)滿足3軸線交于一點(diǎn)的要求，在減震支柱外筒的設(shè)計(jì)與建模時(shí)就要使插接下斜撐連接件和輔助支柱連接件的上、下兩個(gè)耳孔的中軸線共線，且此軸線與支柱筒繞機(jī)架旋轉(zhuǎn)的軸線相交于一點(diǎn);在機(jī)身的建模過(guò)程中也要使上斜撐連接件插接孔軸線穿過(guò)上述特定點(diǎn).在整個(gè)裝配過(guò)程中，機(jī)身被設(shè)置為唯一靜止的零件，完成裝配的起落架收放機(jī)構(gòu)數(shù)字樣機(jī)，如圖5所示.

圖5 起落架收放空間機(jī)構(gòu)數(shù)字樣機(jī)Fig.5 Digital mockup of landing gear retractable mechanism

為分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能，需進(jìn)入CATIA運(yùn)動(dòng)模擬工作臺(tái)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副的設(shè)置，運(yùn)動(dòng)副設(shè)置詳情見(jiàn)表1.運(yùn)動(dòng)副設(shè)置完后，計(jì)算機(jī)自動(dòng)算得此空間機(jī)構(gòu)的自由度為1，這說(shuō)明筆者所建立的空間6桿機(jī)構(gòu)可以運(yùn)動(dòng)且只有一種確定的運(yùn)動(dòng)方式.

表1 起落架數(shù)字樣機(jī)中的運(yùn)動(dòng)副Tab.1 Kinematic pairs of landing gear mechanism

筆者以液壓油缸作為動(dòng)力來(lái)源驅(qū)動(dòng)起落架的收放動(dòng)作，油缸活塞運(yùn)動(dòng)行程為300 mm，在運(yùn)動(dòng)模擬工作臺(tái)公式編輯器中設(shè)定油缸以30 mm/s的速率作直線運(yùn)動(dòng)，從而可以進(jìn)一步觀察起落架數(shù)字樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況，起落架收起時(shí)的狀態(tài)如圖6所示.

圖6 指定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 Traces of specified points

2.2 零件干涉檢查

完成整個(gè)模型的裝配，運(yùn)動(dòng)副的設(shè)置以及驅(qū)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的設(shè)定后，即可對(duì)起落架收放系統(tǒng)的數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬.首先要檢查系統(tǒng)各構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否存在相互干涉的現(xiàn)象.這一檢查工作既可通過(guò)分步運(yùn)行軟件中的運(yùn)動(dòng)模擬命令，逐步檢查，也可啟動(dòng)碰撞檢查功能讓數(shù)字樣機(jī)在運(yùn)動(dòng)模擬過(guò)程中出現(xiàn)干涉時(shí)自動(dòng)停下來(lái)，直接觀察.經(jīng)過(guò)繁復(fù)的修改調(diào)試，起落架收放機(jī)構(gòu)各零件的運(yùn)動(dòng)已消除干涉現(xiàn)象，可見(jiàn)數(shù)字樣機(jī)在解決機(jī)構(gòu)的各組成部件在幾何空間內(nèi)的位置關(guān)系問(wèn)題和提高可制造性方面的便捷性.

2.3 運(yùn)動(dòng)軌跡和掃掠包絡(luò)體測(cè)量

在CATIA中設(shè)置好運(yùn)動(dòng)模型后，軟件中運(yùn)動(dòng)模擬工作臺(tái)中的“軌跡”命令可以測(cè)量并繪制機(jī)構(gòu)上任意點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，運(yùn)動(dòng)模擬工作臺(tái)中的“掃掠包絡(luò)體”命令可以得到所有構(gòu)件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中掃過(guò)空間所形成的圖形.

筆者關(guān)注的是收放機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，這里選取一側(cè)下斜撐臂與上斜撐臂構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)副中心點(diǎn)，以及輔助支柱一與輔助支柱二構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)副中心點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量.通過(guò)觀察軟件生成的這兩個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡(圖6)，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線均不在固定平面內(nèi)，這說(shuō)明輔助支柱一在空間中所做的不是平面運(yùn)動(dòng).

由于機(jī)架本身是相對(duì)靜止的部件，在“掃掠包絡(luò)體”時(shí)取消了對(duì)機(jī)架的掃掠，如圖7所示.在軟件中可以從任意角度觀察掃掠體，通過(guò)觀察包絡(luò)體上、下斜撐桿和輔助支柱一、二的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，可以確認(rèn)這幾個(gè)桿件所做的空間運(yùn)動(dòng).

2.4 運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量

利用CATIA軟件運(yùn)動(dòng)模擬工作臺(tái)中的“速度測(cè)量”命令，可測(cè)量構(gòu)件上任意點(diǎn)的速度和加速度，也可根據(jù)設(shè)計(jì)和研究人員的需要同時(shí)測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的速度、加速度、角速度和角加速度等參數(shù)，并能自動(dòng)繪制各參數(shù)相對(duì)于時(shí)間或其它參數(shù)的曲線.筆者選取減震支柱下表面中心點(diǎn)和支柱一側(cè)的上、下斜撐臂構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)副中心點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入OriginPro軟件，繪制了兩中心點(diǎn)速度相對(duì)于時(shí)間的曲線，如圖8所示.減震支柱下表面最大運(yùn)動(dòng)速度為1.17 m/s，上、下斜撐臂構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)副中心點(diǎn)最大運(yùn)動(dòng)速度為2.62 m/s.

圖8 指定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度曲線Fig.8 Speed curves of specified points

3 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算單閉鏈空間機(jī)構(gòu)的自由度，利用CATIA建模驗(yàn)證和探索，筆者總結(jié)了3種起落架收放空間機(jī)構(gòu)，并認(rèn)為一種特殊的6桿空間機(jī)構(gòu)更具優(yōu)勢(shì)，由其組成的收放系統(tǒng)具有以下3個(gè)特點(diǎn):收放空間機(jī)構(gòu)的斜撐臂可以分布在減震支柱的側(cè)前和側(cè)后位置，能適應(yīng)超臨界翼飛機(jī)沿翼展方向起落架收放在縱向空間限制;相對(duì)于收放平面機(jī)構(gòu)，擁有兩個(gè)以上斜撐臂的起落架可以將載荷以更合理的方式分布到機(jī)身;相對(duì)于5桿空間機(jī)構(gòu)和7桿空間機(jī)構(gòu)，6桿空間機(jī)構(gòu)中所有連接為轉(zhuǎn)動(dòng)副，設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔合理，制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單.

從運(yùn)動(dòng)分析平臺(tái)給出的速度曲線來(lái)看，應(yīng)對(duì)目前建立的數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)調(diào)整空間機(jī)構(gòu)桿件的長(zhǎng)度和驅(qū)動(dòng)油缸的運(yùn)動(dòng)速度，使系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程更為平穩(wěn).

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