席佳勝

（中航工業(yè)直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

直升機艙門的典型形式包括鉸鏈門、滑動艙門。相對于鉸鏈門，滑動艙門具有開度大、開啟后占用外部空間小等優(yōu)點，大量運用于運輸類和通用型直升機。從結(jié)構(gòu)形式上，滑動艙門可分為外掛式和內(nèi)嵌式2 種。其中，外掛式滑動艙門一般使用布置在機身外側(cè)的直滑軌，結(jié)構(gòu)比較簡單，但對整機的氣動性能有影響；而內(nèi)嵌式滑動艙門需要在機身上布置彎曲型滑軌，內(nèi)嵌的艙門不會影響整機的氣動性能，但對機身內(nèi)的結(jié)構(gòu)布置有較大的影響。

內(nèi)嵌式滑動艙門主要由艙門、滑輪組件、滑點搖臂、滑軌組成。艙門的開啟與關(guān)閉依靠滑輪在滑軌上的滾動實現(xiàn)。通常情況下，輕型直升機的滑動艙門使用3 根滑軌，而重型直升機的滑動艙門因為整體尺寸較大使用4 根滑軌。對于3滑軌內(nèi)嵌式滑動艙門，大部分以位置較低的兩根滑軌為主承力滑軌。其中，主承力滑軌既用以提供橫向約束又可支撐艙門重量稱為主滑軌，另一根滑軌僅對艙門提供一個橫向約束稱為次滑軌。相應(yīng)地，對于四滑軌內(nèi)嵌式滑動艙門，上部2根滑軌或下部2 根滑軌均可作為主滑軌，其余2 根滑軌作為次滑軌。

1 滑動艙門滑軌設(shè)計

內(nèi)嵌式滑動艙門開發(fā)的主要難點之一是艙門的運動軌跡設(shè)計?；瑒优撻T在關(guān)閉狀態(tài)需要嵌入機身，運動軌跡比較復(fù)雜；較多的運動附件和復(fù)雜的運動關(guān)系，很容易發(fā)生運動卡滯等干涉問題。目前國內(nèi)內(nèi)嵌式滑動艙門的滑軌設(shè)計缺乏明確的設(shè)計規(guī)范和高效設(shè)計方法，主要依靠經(jīng)驗。

1.1 滑動艙門主滑軌設(shè)計

內(nèi)嵌式滑動艙門開啟的運動順序：艙門先向外后側(cè)平移，待艙門移出機身后再向后平移打開，直至達到所需的開度。關(guān)閉運動順序相反。艙門運動過程中，滑軌前端與航向之間的夾角可以實現(xiàn)艙門的內(nèi)嵌，滑軌后端與機身側(cè)圍保持貼合延展直至達到艙門運動的開度要求。據(jù)此，每根滑軌都可以分為兩部分：內(nèi)嵌部分和貼合延伸部分。以某型內(nèi)嵌式四滑軌滑動艙門為例，如圖1 中所示（圖1（b）為圖1（a）對應(yīng)的俯視圖）?；瑒优撻T上部的前、后兩個滑軌分別為UF與UB，下部前、后兩個滑軌分別為DF 與DB，UF 與UB 為主滑軌。角a 為UB 滑軌前端與航向之間內(nèi)傾夾角，Ay 為UB 滑軌前端起點距后端的y 向距離；角b 為UF 滑軌前端與航向的內(nèi)傾夾角，By 為UF 滑軌前端起點距后端的y 向距離。

圖1 某型滑動艙門

內(nèi)嵌式滑動艙門滑軌設(shè)計的基礎(chǔ)是確定前端內(nèi)傾夾角(a、b)和y 向距離(Ay、By)。內(nèi)傾夾角a、b 越小，滑軌過渡段越平緩，艙門運動時越穩(wěn)定。其中，后滑軌內(nèi)傾角a 需大于前滑軌的內(nèi)傾角b，以保證艙門開啟時后部先滑出機身；而滑軌前端起點距后端的y 向距離Ay、By 由艙門的厚度及開啟后艙門與機身的間隙確定?；壾壽E設(shè)計過程中，當(dāng)與造型、機身結(jié)構(gòu)和運動間隙相關(guān)的兩根主滑軌的軌跡曲線確定后，其他兩根次滑軌的軌跡線即可唯一確定。

滑軌UB 的內(nèi)傾夾角b 越小，艙門在滑過拐角時越平穩(wěn)。在By 為某一定值情況下，內(nèi)傾夾角b 越大則滑軌內(nèi)嵌部分越長，相應(yīng)地，艙門的內(nèi)嵌行程也會越大。但是，艙門內(nèi)嵌行程的增加會加劇其對機身結(jié)構(gòu)布置的影響。通常，滑軌內(nèi)嵌部分的長度不超過滑軌總長的1/5。

在大于內(nèi)傾夾角b 且小于90°的情況下，內(nèi)傾夾角a的增大更有利于艙門的快速打開。但是，內(nèi)傾角a 的增大又會導(dǎo)致艙門開啟力的增加，為保證艙門的正常開啟，艙門開啟力F 沿后滑軌切向的分力F1需克服艙門的摩擦力f，如圖1（b）所示。即：

式中：G 為滑動艙門系統(tǒng)的重量；F 的大小通過人機工程設(shè)計準(zhǔn)則獲得。

1.2 滑動艙門次滑軌設(shè)計

通過艙門的運動學(xué)分析可以對兩根次滑軌的軌跡線進行設(shè)計。在兩個主滑軌的軌跡和滑輪組件旋轉(zhuǎn)中心被確定后，艙門上任意一點的運動軌跡都是唯一確定的。假設(shè)艙門為理想剛體，在艙門運動過程中將其上所有點投影到某一主滑軌平面上，根據(jù)其對滑輪組件各自旋轉(zhuǎn)中心的約束建立運動學(xué)方程，進而可確定兩根次滑軌軌跡和艙門任意一點的運動投影軌跡。

在CATIA 軟件中，DMU 運動模塊可用來輔助設(shè)計兩根次滑軌。首先在軟件中建立艙門、滑輪組件與滑軌之間的運動副，然后通過運動仿真模擬滑門的開啟，就可以掃掠出次滑軌的軌跡線。

2 滑動艙門的動力學(xué)仿真及優(yōu)化

滑動艙門作為直升機的主要活動部件之一，滑動平順性是其運動性能的重要指標(biāo)。理想的滑動艙門運動過程為所有滑輪在滑軌上只做純滾動，不存在由于相對平動而產(chǎn)生的摩擦異響和振動。然而實際上，滑輪與滑軌會不可避免地出現(xiàn)相對平動而影響到艙門的滑動平順性。

利用多體動力學(xué)軟件LMS Virtual.Lab 對滑動艙門進行動力學(xué)仿真，分析滑輪組件的承載能力和各個滑輪的受力狀況，同時可得到極端工況和粗暴操作下各運動部件的動態(tài)載荷。這樣在生產(chǎn)試驗前，可以對滑動艙門的滑動性能做出有效的評估。

滑動艙門的滑動性能和操作平順性可以通過各個滑輪在導(dǎo)軌中的受力大小和方向變化來評估。仿真過程中，滑輪組件中的側(cè)滑輪的Y 方向力（側(cè)向力）和垂向輪的Z 方向力（垂向力）是主要分析對象。通常在導(dǎo)軌彎道位置，滑輪受力的大小和方向容易突變，引起較大的振動和異響。

根據(jù)仿真分析可以對滑動艙門運動系統(tǒng)進行優(yōu)化以提高其平順性，主要包括對滑軌和滑輪組的優(yōu)化。其中，優(yōu)化滑軌即改善過渡段形狀，平緩的過渡圓角更有利于艙門滑動平順；優(yōu)化滑輪組即優(yōu)化側(cè)滑輪、垂向輪的組合和排布方式。

3 結(jié)語

通過對國內(nèi)外直升機滑動艙門的結(jié)構(gòu)形式進行對比總結(jié)，針對滑軌軌跡的設(shè)計要點進行分析，結(jié)合某型直升機滑動艙門滑軌的設(shè)計過程，提出了一種內(nèi)嵌式滑動艙門滑軌的設(shè)計方法，提高了滑動艙門移動系統(tǒng)的設(shè)計效率和精度。

在設(shè)計階段，直升機滑動艙門的平順性可以通過多體動力學(xué)軟件LMS Virtual.Lab 進行仿真評估，并且根據(jù)仿真結(jié)果進行優(yōu)化。設(shè)計階段的動力學(xué)優(yōu)化，不僅改善了滑動艙門的滑動性能，并且對提高滑動艙門移動系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。