劉成業(yè)，黃振庭，周穎

(中國商用飛機有限責(zé)任公司 上海飛機設(shè)計研究院，上海 200232)

0 引 言

飛行鎖機構(gòu)是一種用以防止飛機在飛行過程中艙門意外打開的機構(gòu)[1]，其設(shè)計依據(jù)為運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)(CCAR-25部)25.783b，該條例認(rèn)為操作力大于136 kg(300 lb)足以防止艙門打開[2]。當(dāng)飛機傳感器檢測到飛機空速大于148 km/h時，控制系統(tǒng)給飛行鎖機構(gòu)傳遞信號令其開始工作，此時艙門將無法打開；當(dāng)飛機降落階段空速低于148 km/h時，控制系統(tǒng)給飛行鎖機構(gòu)傳遞信號使之停止工作，此時艙門可以順利打開[3]。

飛行鎖機構(gòu)的設(shè)計思路主要有三種[4]：限制手柄轉(zhuǎn)動、限制鎖軸轉(zhuǎn)動、限制栓軸轉(zhuǎn)動，例如，空客A320的登機艙門采用限制鎖軸轉(zhuǎn)動的飛行鎖機構(gòu)，國內(nèi)某大型民用客機的應(yīng)急艙門采用限制內(nèi)手柄轉(zhuǎn)動的飛行鎖機構(gòu)[5]。在進行艙門設(shè)計時，可根據(jù)空間布置等合理選擇飛行鎖機構(gòu)的設(shè)計方案。

研制過程中，我國某民用飛機登記艙門的飛行鎖機構(gòu)(采用限制鎖軸轉(zhuǎn)動的方式設(shè)計)曾發(fā)生過飛行鎖支架強度不足的情況，后期主要通過對其內(nèi)部零件的補強來滿足靜強度要求[6]，帶來了一定的重量賠付。

目前，有關(guān)機構(gòu)運動載荷傳遞的分析方法，國內(nèi)主要采用理論計算和多體動力學(xué)仿真等。常文田等[7]通過理論計算對垂直平面運動機構(gòu)進行分析研究；劉志群等[8]研究了某型飛機艙門鎖機構(gòu)卡滯可靠性，采用ADAMS軟件建立了鎖機構(gòu)多剛體模型，通過接觸模型計算鎖環(huán)與鎖鉤間的接觸力；杜武軍[9]采用ADAMS軟件對組合臂架進行多體動力學(xué)建模并對機構(gòu)柔性化，得到了考慮機構(gòu)變形后的機構(gòu)載荷工況。國外，G.L.Ghiringhelli等[10]研究了飛機起落架特性，采用ADAMS模型建立了起落架多剛體動力學(xué)模型，分析其在地面受載后的力學(xué)特性；I.Khemili等[11]采用ADAMS 軟件建立了曲柄滑塊機構(gòu)的多柔性模型，研究了考慮間隙的柔性曲柄滑塊機構(gòu)的動力學(xué)特性。然而，目前國內(nèi)外關(guān)于飛行鎖機構(gòu)中接觸力計算方法的研究仍鮮有報道。

為了計算飛行鎖機構(gòu)工作狀態(tài)的接觸力，本文采用工程算法、多剛體模型和多柔體模型三種方法對飛行鎖機構(gòu)的受力進行計算和對比，分析采用不同方法所得計算值產(chǎn)生差異的原因，以期為民用飛機飛行鎖機構(gòu)的設(shè)計提供參考。

1 飛行鎖機構(gòu)組成及傳力分析

1.1 機構(gòu)組成

飛行鎖機構(gòu)如圖1所示，其組成包括支架、飛行鎖搖臂、電機、回復(fù)彈簧等。支架為一固定在門體結(jié)構(gòu)上的零件，其作用是為其他零件提供支撐；飛行鎖搖臂可繞支架轉(zhuǎn)動；電機固定在支架上用以驅(qū)動飛行鎖搖臂轉(zhuǎn)動；回復(fù)彈簧一端與支架連接，另一端與飛行鎖搖臂連接，其作用是為飛行鎖搖臂提供轉(zhuǎn)動扭矩。

該機構(gòu)通過限制鎖軸轉(zhuǎn)動來防止艙門意外打開。圖1中凸輪與鎖軸通過螺栓固定，工作狀態(tài)時電機驅(qū)動飛行鎖搖臂旋轉(zhuǎn)到凸輪下方位置，當(dāng)鎖軸開始轉(zhuǎn)動后搖臂會與凸輪抵住從而抑制鎖軸的轉(zhuǎn)動。為了保證飛行鎖搖臂能夠順利轉(zhuǎn)動，其與凸輪支架需留有一定的間隙，即當(dāng)飛行鎖搖臂與凸輪相接觸時鎖軸會轉(zhuǎn)動一定的角度。

圖1 飛行鎖機構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of flight lock mechanism

1.2 傳力路徑分析

飛行鎖搖臂與凸輪之間的接觸力是由手柄轉(zhuǎn)動驅(qū)動鎖軸轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的，即接觸力產(chǎn)生的根本原因是手柄上作用的艙門開啟力。在飛行鎖起作用時，艙門手柄的傳力路徑主要有兩條：①向上傳遞到鎖軸上，和凸輪與搖臂之間的接觸力相抵消；②向下傳遞到提升臂上用以克服門體的重力。兩條傳力路徑分別如圖2～圖3所示。

第一條傳力路徑相對簡單，手柄在手柄力的作用下帶動手柄軸搖臂轉(zhuǎn)動，手柄軸搖臂驅(qū)動鎖軸連桿向上運動帶動鎖軸搖臂轉(zhuǎn)動，鎖軸搖臂帶動鎖軸驅(qū)動曲柄轉(zhuǎn)動從而與飛行鎖搖臂接觸產(chǎn)生接觸力。

第二條傳力路徑主要涉及艙門的提升機構(gòu)，其原理是通過上下提升臂和門體形成四桿機構(gòu)，通過提升桿、提升搖臂等一系列機構(gòu)驅(qū)動四桿機構(gòu)向上運動，從而實現(xiàn)艙門的提升[12]。

圖2 手柄力至飛行鎖傳力路徑示意圖Fig.2 Force transmission path from handle to flight lock

圖3 手柄力提升門體傳力路徑示意圖Fig.3 Force transmission path for lifting the door

2 飛行鎖機構(gòu)接觸力計算

2.1 工程算法

艙門提升的傳力路徑較為復(fù)雜，工程計算時忽略門體重力，僅計算手柄力通過第一條傳力路徑傳遞到飛行鎖搖臂上產(chǎn)生的接觸力。

假設(shè)從轉(zhuǎn)動手柄開始到曲柄和飛行鎖搖臂接觸的過程中，傳力路徑中的力臂不變，以初始狀態(tài)的力臂進行計算，可得：

(1)

式中：Fc為飛行鎖搖臂與曲柄處的接觸力；Fh為手柄力；h為手柄力至手柄軸處的力臂；l1為鎖軸連桿在手柄轉(zhuǎn)軸處的力臂；l2為鎖軸連桿在鎖軸處的力臂；c為飛行鎖搖臂和曲柄接觸力在鎖軸處的力臂。

考慮到飛行鎖搖臂與曲柄之間的接觸形式為面接觸，接觸力在鎖軸處的力臂c無法精確得到，本文按接觸點與鎖軸距離進行劃分，取其最大值、最小值、中間值來進行計算，得到接觸力力值如表1所示，可以看出：在假設(shè)連桿力臂不變的情況下，接觸力最大值為11 068.24 N，最小值為7 392.00 N，接觸點在接觸面中間位置時的接觸力為8 864.07 N。

表1 初始位置狀態(tài)下的受力分析Table 1 Force analysis in initial condition

2.2 多剛體模型

工程算法得到的飛行鎖搖臂與曲柄之間的接觸力力值未考慮第二條傳力路徑的影響，即忽略了門體重力的影響，同時工程算法還未考慮傳力過程中第一條傳力路徑中力臂的變化。本文通過在ADMAS中建立多剛體模型建立完整的傳力路徑，可以得到考慮力臂變化及重力作用下的接觸力力值。

2.2.1 多剛體模型的建立

(1) 模型組成

多剛體模型中的零件包括：艙門內(nèi)手柄機構(gòu)、提升機構(gòu)、鎖軸、飛行鎖機構(gòu)、門體、鉸鏈臂、導(dǎo)向輪、鎖窩。該模型能夠仿真手柄轉(zhuǎn)動過程中門體的提升運動。

(2) 手柄力設(shè)置

仿真設(shè)置的手柄力垂直于手柄，采用step函數(shù)[13]，當(dāng)時間為3 s時手柄力達到300 lb(1 332.8 N)，3 s之后手柄力保持不變，手柄力曲線如圖4所示。

圖4 手柄力載荷曲線Fig.4 Load-time curve of handle force

(3) 接觸力設(shè)置

多剛體模型需在五處設(shè)置接觸力[14]，第一處為曲柄與飛行鎖搖臂之間的接觸力，另外四處為艙門滾輪與鎖窩之間的接觸力。鎖軸曲柄和鎖窩的材料為鈦合金，滾輪材料為鋼，飛行鎖搖臂為鋁合金，結(jié)合上述材料的特性，本文設(shè)置的接觸參數(shù)如表2所示，K為接觸剛度；C為接觸阻尼；e為接觸力指數(shù)；d為穿透深度；mus為靜摩擦系數(shù)；mud為動摩擦系數(shù)[15]。

表2 接觸力參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameter setting of contact force

2.2.2 多剛體模型接觸力的計算結(jié)果

多剛體模型中曲柄與飛行鎖搖臂接觸力隨時間的變化曲線如圖5所示，可以看出：曲線總體趨勢符合手柄力的變化趨勢，仿真時間為3 s時，接觸力達到最大值11 250 N。

圖5 接觸力隨仿真時間變化曲線Fig.5 Load-time curve of contact force

2.3 多柔體模型

在多剛體模型中默認(rèn)拉桿、鎖軸等零件的剛度無窮大，未考慮結(jié)構(gòu)在拉、壓、扭等工況下的變形[16]。以鎖軸曲柄為例，其在飛行鎖工作工況中受到的載荷超過10 000 N，該載荷能夠引起鎖軸明顯的變形和扭轉(zhuǎn)。對第一條傳力路徑上的零件進行柔性化，考慮其受力時的變形情況，從而更加準(zhǔn)確地得到曲柄與飛行鎖搖臂之間的接觸力[17]。

2.3.1 模型柔性化

柔性化方法為：首先在hypermesh中對零件劃分網(wǎng)格、賦予材料、創(chuàng)建連接點信息、設(shè)置分析步等[18]，然后計算得出零件的模態(tài)中性文件(.mnf)，最后在ADAMS中將零件替換為模態(tài)中性文件并重新設(shè)置連接關(guān)系[19]，得到的柔性化模型如圖6所示。

圖6 柔性化后的模型Fig.6 Flexible model of the door

2.3.2 多柔體模型接觸力的計算結(jié)果

將零件柔性化后得到曲柄與飛行鎖搖臂之間的接觸力載荷曲線如圖 7所示，可以看出：當(dāng)手柄力等于300 lb時，接觸力穩(wěn)定在13 000 N左右。

圖7 柔性化模型的接觸力曲線Fig.7 Load-time curve of contact force in flexible model

綜上所述，采用工程算法、多剛體模型、多柔體模型三種方法計算得到的接觸力力值如表3所示，可以看出：多剛體模型計算值比工程算法大26.9%，多柔體模型計算值比多剛體模型計算值大15.5%。

表3 三種方法接觸力計算值Table 3 Contact force value based on three calculation method

3 計算方法差異分析

3.1 多剛體模型與工程算法差異分析

由于接觸點位置無法確定，工程算法計算得到的鎖軸曲柄和飛行鎖搖臂之間的接觸力并非確定值而是一個區(qū)間值[7 392.00 N,11 068.24 N]。在多剛體模型中計算得到的接觸力力值為11 250 N，該值超出了工程算法的區(qū)間范圍。兩者產(chǎn)生差異的可能原因有二：①門體重力的影響在工程算法中未考慮；②飛行鎖搖臂與凸輪相接觸時鎖軸會轉(zhuǎn)動一定的角度，該轉(zhuǎn)動導(dǎo)致第一條傳力路徑中的力臂值產(chǎn)生變化。

3.1.1 門體重力對接觸力的影響

在多剛體模型中將門體重力值設(shè)置為0，可以得到該狀態(tài)下接觸力隨時間的變化關(guān)系，將此狀態(tài)與考慮門體重力的接觸力曲線進行對比，如圖8所示。

圖8 門體重力對接觸力的影響對比Fig.8 Door weight influence on contact force

從圖8可以看出：門體的重力對飛行鎖機構(gòu)接觸力的影響幾乎可以忽略不計，其原因如下。

門體未提升狀態(tài)下，艙門提升機構(gòu)原理簡圖如圖9所示。

圖9 艙門提升機構(gòu)原理簡圖Fig.9 Principle diagram of lifting mechanism

由于提升搖臂1、提升搖臂2與提升軸固聯(lián)，其轉(zhuǎn)動角度完全一致，可以將其視為一體，該處統(tǒng)一稱為提升搖臂；圖中狀態(tài)下提升搖臂與提升桿2的軸線平行，從機構(gòu)運動角度來講，該狀態(tài)為一機構(gòu)死點，由上下提升臂和門體組成的四桿機構(gòu)在該狀態(tài)下無法向上或者向下運動[20]；在此狀態(tài)下門體的自重主要由圖9中的機構(gòu)平衡，因而不會傳遞至手柄軸上與手柄力相互抵消。

從手柄轉(zhuǎn)動到曲柄和飛行鎖搖臂接觸過程中手柄軸轉(zhuǎn)動角度與提升搖臂的關(guān)系如圖10所示，可以看出：在該過程中提升搖臂的轉(zhuǎn)動角度小于0.15°。

圖10 手柄軸轉(zhuǎn)動角度與提升搖臂的關(guān)系Fig.10 Rotation angle diagram between lifting rocker and handle shaft

艙門提升高度隨手柄轉(zhuǎn)動角度的變化曲線如圖11所示，可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)動角度達到2.25°時，曲柄與飛行鎖搖臂開始接觸，從開始轉(zhuǎn)動到接觸過程中艙門在高度方向的位移為0.01 mm，即艙門幾乎不進行提升運動。

圖11 艙門提升高度隨手柄轉(zhuǎn)動角度的變化Fig.11 Door lift altitude with handle rotation angle

3.1.2 力臂值變化對接觸力的影響

在多剛體模型中可以得到從手柄開始轉(zhuǎn)動到鎖軸曲柄和飛行鎖搖臂開始接觸過程中第一條傳力路徑中各個力臂的變化關(guān)系，如圖12所示。

圖12 力臂的變化Fig.12 Force arm variation

從圖12可以看出：鎖軸連桿在鎖軸處的力臂l1從21.25變化為21.86 mm，鎖軸連桿在手柄轉(zhuǎn)軸處的力臂l2從11.00變化為14.06 mm。

通過修正式(1)中的相關(guān)力臂，可得工程算法在實際接觸位置處飛行接觸力力值如表4所示，可以看出：接觸位置飛行鎖機構(gòu)接觸力力值區(qū)間為[9 184.67 N, 13 752.44 N]，接觸點在接觸面中間時的接觸力為11 013.73 N，該值與多剛體模型中計算得到的接觸力力值11 250 N較為接近。

表4 接觸位置處的受力分析Table 4 Force analysis in different contact position

綜上所述，多剛體模型計算得到的接觸力力值與工程算法計算得到的力值產(chǎn)生差異的主要原因是：從手柄開始轉(zhuǎn)動到鎖軸曲柄和飛行鎖搖臂開始接觸過程中連桿的力臂產(chǎn)生變化所導(dǎo)致的，艙門重力對接觸力力值幾乎沒有影響。

3.2 多柔體模型與多剛體模型差異分析

在多柔體模型中計算得到的飛行鎖接觸力力值為13 000 N，較多剛體模型計算得到的力值11 250 N大15.5%，多剛體模型與多柔體模型的主要區(qū)別在于多柔體模型考慮了受力過程中構(gòu)件的變形。放大5倍后鎖軸的變形圖如圖13所示。

圖13 放大五倍后鎖軸的扭轉(zhuǎn)變形Fig.13 Lock shaft torsional deformation after 5 times amplification

從圖13可以看出：鎖軸由于受到連桿較大的偏心力而產(chǎn)生明顯的扭轉(zhuǎn)情況，這會導(dǎo)致當(dāng)轉(zhuǎn)動手柄直至曲柄與飛行鎖搖臂接觸后，在鎖軸扭轉(zhuǎn)變形的影響下手柄仍可繼續(xù)轉(zhuǎn)動一定角度。

手柄轉(zhuǎn)動角度為0°～10°范圍內(nèi)鎖軸連桿在手柄轉(zhuǎn)軸處力臂與在手柄轉(zhuǎn)軸處力臂的比值變化關(guān)系如圖14所示。

圖14 手柄轉(zhuǎn)動過程中連桿上下力臂的比值Fig.14 The ratio of upper and lower arm during handle rotation

從圖14可以看出：若由于鎖軸扭轉(zhuǎn)變形導(dǎo)致手柄實際轉(zhuǎn)動角度大于2.25°，則該比值會進一步增大，根據(jù)式(1)可知，此時曲柄與飛行鎖搖臂之間的接觸力力值會進一步增大。

4 結(jié) 論

(1) 工程算法得到的接觸力區(qū)間為[7 392.00 N,11 068.24 N]，多剛體模型計算得到的接觸力力值為11 250 N，多柔體模型計算得到的接觸力力值為13 000 N。

(2) 多剛體模型計算得到的接觸力力值與工程算法計算值產(chǎn)生差異的主要原因是從手柄開始轉(zhuǎn)動到鎖軸曲柄和飛行鎖搖臂開始接觸過程中，傳力路徑上的力臂值發(fā)生變化。

(3) 多柔體模型計算得到的接觸力力值與多剛體模型計算值產(chǎn)生差異的主要原因是鎖軸在偏心力的作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)致傳力路徑上的力臂進一步發(fā)生變化。

(4) 門體重力對鎖軸曲柄和飛行鎖搖臂之間的接觸力力值幾乎沒有影響。

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