申健 劉從靈 冮慶庸

摘 要：近些年來，越來越多的全電動(dòng)的或者電動(dòng)飛機(jī)的發(fā)展成為飛機(jī)航空系統(tǒng)研究領(lǐng)域的新潮流和最大趨勢。對于更多的電動(dòng)或全電動(dòng)飛機(jī)，大多數(shù)的電力用戶將被電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這將大幅的降低系統(tǒng)的空間、物流、功耗、復(fù)雜性和操作與生產(chǎn)成本。并且有很多的實(shí)驗(yàn)證明，重量的減輕這一目的可以實(shí)現(xiàn)。取代傳統(tǒng)的液壓收放系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小型飛機(jī)的全電動(dòng)控制，該機(jī)電作動(dòng)筒具有收放、到位時(shí)無電鎖定、放下位置承受較大航向的側(cè)向地面載荷的功能，沒有了液壓油的重量，也沒有了液壓油箱的龐大體積，從而減輕的重量與占用體積，縮小了成本。

關(guān)鍵詞：小型飛機(jī)；機(jī)電作動(dòng)器；起落架

中圖分類號：V226 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 緒論

目前，飛機(jī)的起落架收放系統(tǒng)一般以液壓系統(tǒng)作為主要的驅(qū)動(dòng)源，以冷氣、電力作為備用驅(qū)動(dòng)源。隨著多電飛機(jī)功率電傳（PBW）技術(shù)的不斷發(fā)展，功率電傳作動(dòng)器在一些先進(jìn)飛機(jī)上已被采用，[1]取代傳統(tǒng)的液壓和氣壓管路傳輸功率的功率電傳[2]功率方式應(yīng)用已越來越多。小型飛機(jī)眾多系統(tǒng)中除了起落架系統(tǒng)收放系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)之外，其他系統(tǒng)都已采用電力控制。飛機(jī)為了起落架收放系統(tǒng)需要特意配置一部液壓系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)，這不僅僅大大增加了機(jī)身重量，還占用了很多空間，并且增加了制造與維修成本。所以，起落架系統(tǒng)收放系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全電控制是一個(gè)很大的突破口，顯得非常必要。

我主要研究電動(dòng)起落架的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，取代傳統(tǒng)的液壓收放系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小型飛機(jī)的全電動(dòng)控制，該起落架具有收放、到位時(shí)無電鎖定功能，最終除去了液壓油的重量，也除去了液壓油箱的龐大體積，從而減輕的重量與占用體積，同時(shí)縮小了生產(chǎn)成本與維修成本。

2 CATIA三維建模

電動(dòng)起落架由豎桿，連桿機(jī)構(gòu)1，連桿機(jī)構(gòu)2和機(jī)電作動(dòng)筒組成。上端豎桿右側(cè)有凸臺帶有鉸接口從而達(dá)到起落架支柱的收起與放下。起落架連桿機(jī)構(gòu)1是一個(gè)V形的構(gòu)件，三端均有孔。桿機(jī)構(gòu)2是一根兩端開孔長棒。根據(jù)在網(wǎng)上尋找的起落架方案和相關(guān)書籍，總結(jié)出起落架的鎖死特性。結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課本的知識，經(jīng)過不斷地調(diào)試與改進(jìn)，最終設(shè)計(jì)出起落架機(jī)構(gòu)的草圖。草圖設(shè)計(jì)好之后，要對起落架的各部件進(jìn)行建模。根據(jù)設(shè)計(jì)的各部件外形和尺寸要求，利用CATIA建模軟件對起落架的各部件進(jìn)行三維建模。

3 靜力學(xué)分析

上一步，我們已經(jīng)運(yùn)用CATIA軟件對起落架各部件以及整體進(jìn)行了三維建模，可以將三維圖導(dǎo)入ABAQUS軟件進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析。我們分收上位和放下位兩個(gè)位置進(jìn)行靜力學(xué)分析。在收上位時(shí)整體分析，在放下位時(shí)分為豎桿和連桿機(jī)構(gòu)兩部分進(jìn)行分析。

由收起位起落架的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖可知，收上位時(shí)起落架連桿機(jī)構(gòu)受力要比豎桿大得多，連桿機(jī)構(gòu)的受力大小從大到小依次是孔內(nèi)壁，孔周圍區(qū)域，其他部位。越靠近孔部分的連桿機(jī)構(gòu)區(qū)域受力越大。這是符合實(shí)際的情況的，因?yàn)槠鹇浼茉谑丈衔粫r(shí)，豎桿幾乎不受外載荷，只有鉸接部位受連桿機(jī)構(gòu)的拉扯。連桿機(jī)構(gòu)一樣只有孔部受力較大，其他部位受力比較均勻緩和。因此，鉸接部位需要加固，孔與連桿機(jī)構(gòu)外緣的間距不能太小。由放下位起落架豎桿的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖可知，起落架受力最大的是下邊桿靠近上邊套筒的區(qū)域，當(dāng)起落架落地時(shí)受到向上的反作用力與側(cè)向力，會產(chǎn)生壓桿效應(yīng)。因此在套筒側(cè)向加以斜支撐桿來加強(qiáng)。

4 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在進(jìn)行完起落架靜力學(xué)分析之后，要對起落架機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確保起落架在運(yùn)作期間不會發(fā)生碰撞和摩擦的情況。通過運(yùn)動(dòng)仿真，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)好的機(jī)構(gòu)可以順利地進(jìn)行運(yùn)作，不會中途發(fā)生碰撞、卡死或者摩擦的現(xiàn)象。說明初期設(shè)計(jì)的連桿機(jī)構(gòu)方案包括尺寸，外形是可行的。

在這里，還需要運(yùn)用CATIA軟件對起落架上死點(diǎn)與下死點(diǎn)的鎖定功能進(jìn)行檢驗(yàn)。首先我們的起落架具有了無電鎖死功能，運(yùn)用了機(jī)械設(shè)計(jì)原理中的兩桿重合，壓力角為零的原理，當(dāng)起落架在收上位和放下位的時(shí)候，連桿機(jī)構(gòu)1與連桿機(jī)構(gòu)2軸線重合，從而達(dá)到壓力角為零，使得機(jī)構(gòu)不會再發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使起落架達(dá)到無電鎖死狀態(tài)，即使無電，也可以保持一定位置不變。

上一節(jié)的仿真運(yùn)作僅僅是運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的一部分，這一節(jié)將要對在運(yùn)作期間的起落架的各部件的物理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。由圖可知各部件速度變化比較緩，因此符合起落架運(yùn)作平緩的要求。

5 驗(yàn)證平臺及試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述原理進(jìn)行了樣機(jī)設(shè)計(jì)，并制造驗(yàn)證平臺。按照試驗(yàn)任務(wù)書要求進(jìn)行了起落架收放聯(lián)試。按照試驗(yàn)任務(wù)書要求進(jìn)行了起落架收放聯(lián)試、靜強(qiáng)度剛度試驗(yàn)、收放耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求。

6 結(jié)論和展望

本文主要的研究成果有：

（1）利用CATIA建模軟件繪制出了電動(dòng)起落架的三維模型，對構(gòu)件和支柱的尺寸進(jìn)行調(diào)整，使得起落架可以完成正確和理想的運(yùn)作，設(shè)計(jì)收上位和放下位的鎖定方式，使電動(dòng)起落架在收上位和放下位實(shí)現(xiàn)無電鎖定。

（2）將利用CATIA建模軟件繪制出所需要分析結(jié)構(gòu)的三維模型，導(dǎo)入ABAQUS有限元分析軟件，對構(gòu)件和支柱進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析其受力區(qū)域強(qiáng)弱，對比分析結(jié)果，得到了具有最安全最可靠的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方式。

（3）利用ADAMS軟件對電動(dòng)起落架再次進(jìn)行三維建模，并對其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確保在起落架運(yùn)作過程中不會發(fā)生碰撞和摩擦。同時(shí)對構(gòu)件和支柱的速度、加速度等一些參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。

（4）在理論正確的基礎(chǔ)上，進(jìn)行驗(yàn)證平臺的開發(fā)，使得起落架可以達(dá)到收上位和放下位兩個(gè)位置，最后進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。

對起落架強(qiáng)度的分析是非常困難而且又非常復(fù)雜的理論和工作問題。需要經(jīng)過更多更深入的理論研究和試驗(yàn)不斷的測試才能慢慢地得到逐步完善?？傮w來說，繼續(xù)完善該款電動(dòng)起落架不僅需要對設(shè)計(jì)、建模、靜力學(xué)分析、加工制作進(jìn)行進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，還需要不斷在現(xiàn)有的成果基礎(chǔ)上添加其他方面的能力和功能，使其變得更加產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化，變成具有一定市場價(jià)值的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)：

[1]于黎明.全電飛機(jī)的技術(shù)改進(jìn)及其發(fā)展?fàn)顩r[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，1999（03）：3-5，22.

[2]Alan Brown.Actuator research complete[J].NASA the DrydenX-Press，V0l.41，Issue 1，January 15，1999.

基金項(xiàng)目：中國民航大學(xué)航空工程創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)基地資助（項(xiàng)目編號：201610059048）

作者簡介：申?。?997-），男，研究方向：飛機(jī)起落架結(jié)構(gòu)。