牛福春，劉旭

（中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽(yáng)110079）

0 引 言

鵝頸鉸鏈組件是飛機(jī)的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)件,用于實(shí)現(xiàn)艙門(mén)、口蓋等結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)。相對(duì)于琴鍵鉸鏈組件，鵝頸鉸鏈組件在大曲率部位更有優(yōu)勢(shì)，適用于尺寸大的檢修門(mén)，還具有方便結(jié)構(gòu)密封、旋轉(zhuǎn)軸線所在位置可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

對(duì)于鵝頸鉸鏈組件，在優(yōu)化旋轉(zhuǎn)軸線位置、選擇鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座構(gòu)型、確定鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座連接方式、選用配套標(biāo)準(zhǔn)件、確定相關(guān)配合精度及設(shè)計(jì)間隙、確定標(biāo)準(zhǔn)件安裝要求、防過(guò)打開(kāi)設(shè)計(jì)、電搭接設(shè)計(jì)等方面，國(guó)內(nèi)飛機(jī)設(shè)計(jì)部門(mén)往往缺乏系統(tǒng)的指導(dǎo)文件。本文對(duì)鵝頸鉸鏈組件的幾個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了研究，包括旋轉(zhuǎn)軸線位置的優(yōu)化、鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座構(gòu)型的確定、鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座連接形式的選擇。給出了旋轉(zhuǎn)軸線的合理創(chuàng)建步驟與優(yōu)化方法。介紹了兩種鵝頸鉸鏈組件構(gòu)型的特點(diǎn)與應(yīng)用范圍，對(duì)幾種不同的連接形式進(jìn)行了分類說(shuō)明與對(duì)比分析，結(jié)合工程實(shí)例對(duì)幾種鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座的連接形式進(jìn)行了重點(diǎn)探討。

1 鵝頸鉸鏈組件簡(jiǎn)介

如圖1所示，鵝頸鉸鏈組件包括3個(gè)主要部分：鵝頸鉸鏈，鉸鏈支座，以及連接二者的配套標(biāo)準(zhǔn)件。鵝頸鉸鏈底座固定在需要旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)上；鉸鏈支座底座固定在開(kāi)口周邊的壁板、梁、框等結(jié)構(gòu)件上。

圖1 鵝頸鉸鏈組件典型結(jié)構(gòu)

鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座連接用到的標(biāo)準(zhǔn)件類型包括關(guān)節(jié)軸承、帶凸緣襯套、直襯套、扭轉(zhuǎn)彈簧、螺栓、開(kāi)槽螺母、開(kāi)口銷、平墊圈、沉頭墊圈、桿部有孔平頭直銷、開(kāi)口銷等。不同旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的鵝頸鉸鏈組件可能選用不同形式的配套標(biāo)準(zhǔn)件，即使同一旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)不同位置的鵝頸鉸鏈組件也可能選用不同形式的配套標(biāo)準(zhǔn)件。單個(gè)需要旋轉(zhuǎn)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)大多需要2～3個(gè)鵝頸鉸鏈組件，不同位置的鵝頸鉸鏈組件的旋轉(zhuǎn)軸線應(yīng)相同。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1 旋轉(zhuǎn)軸線的確定

旋轉(zhuǎn)軸線可通過(guò)以下步驟創(chuàng)建（以矩形口蓋為例，其他類似）：1）向內(nèi)偏移口蓋外形面獲得面A1；2）在口蓋外側(cè)作包含旋轉(zhuǎn)軸線的平面A2；3）創(chuàng)建面A1與平面A2的交線L；4）確定口蓋垂直旋轉(zhuǎn)軸線的兩個(gè)端面：面A3、A4；5）創(chuàng)建交線L與面A3、A4的交點(diǎn)P1、P2；6）創(chuàng)建過(guò)P1、P2點(diǎn)的直線，該直線即為旋轉(zhuǎn)軸線。

可能要多次調(diào)整面A1、平面A2的位置，以使旋轉(zhuǎn)軸線滿足口蓋的打開(kāi)角度、口蓋在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與周邊固定結(jié)構(gòu)的間隙等要求，還要使結(jié)構(gòu)盡可能緊湊，質(zhì)量輕。使用二維幾何原理圖設(shè)定邊界條件和調(diào)整參數(shù)非常方便，可以利用CATIA草圖工具創(chuàng)建二維幾何原理圖優(yōu)化旋轉(zhuǎn)軸線的位置[3]。

簡(jiǎn)單的二維幾何原理圖如圖2所示，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸線在①、②、③、④位置時(shí)，口蓋沿環(huán)行箭頭方向旋轉(zhuǎn)90°后的的位置分別在a、b、c、d處。從圖中可以看出，旋轉(zhuǎn)軸線位置越低、越遠(yuǎn)離口蓋，越有利于避免口蓋在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與固定結(jié)構(gòu)干涉。

圖2 旋轉(zhuǎn)軸線影響分析二維幾何原理圖

2.2 鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座構(gòu)型的選擇

鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座通常采用以下兩種配套構(gòu)型：1）構(gòu)型1。鵝頸鉸鏈為單耳結(jié)構(gòu)，鉸鏈支座為雙耳結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。2）構(gòu)型2。鵝頸鉸鏈為雙耳結(jié)構(gòu)，鉸鏈支座也為雙耳結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。構(gòu)型1結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量小，應(yīng)用最廣泛。構(gòu)型2適用于僅布置1個(gè)鵝頸鉸鏈組件的小口蓋。

2.3 鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間連接形式的確定

2.3.1 連接形式分類

按是否安裝關(guān)節(jié)軸承劃分成自調(diào)整式與非自調(diào)整式：1）非自調(diào)整式對(duì)鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座中心線的同軸度要求高，旋轉(zhuǎn)軸線必須平行于鉸鏈支座中心線，可以在鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間傳遞轉(zhuǎn)矩；2）自調(diào)整式對(duì)鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座中心線的同軸度要求低，旋轉(zhuǎn)軸線可以與鉸鏈支座中心線之間有一定夾角，但是只有在鵝頸鉸鏈旋轉(zhuǎn)到特定位置后才可以在鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間傳遞轉(zhuǎn)矩。

按是否允許鵝頸鉸鏈沿旋轉(zhuǎn)軸線方向相對(duì)螺栓移動(dòng)劃分成非夾緊式與夾緊式。對(duì)于旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，采用非自調(diào)整式時(shí)，只能采用非夾緊式；采用自調(diào)整式時(shí)，既可以采用夾緊式，也可以采用非夾緊式，采用夾緊式可以限制關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈與螺栓之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

按是否允許鵝頸鉸鏈沿旋轉(zhuǎn)軸線方向相對(duì)鉸鏈支座移動(dòng)劃分成游動(dòng)式與非游動(dòng)式：1）非游動(dòng)式可以限定旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的位置，可以在鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間傳遞沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的軸向力；2）游動(dòng)式不能夠限定旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的位置，不利于在鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間傳遞沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的軸向力。

2.3.2 連接形式選用

旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)尺寸較小，其上的鵝頸鉸鏈組件數(shù)量不超過(guò)2個(gè)時(shí)，鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間一般采用非自調(diào)整、非夾緊、游動(dòng)式連接。

圖3所示為國(guó)外某成熟機(jī)型口蓋上廣泛采用的一種非自調(diào)整、非夾緊、游動(dòng)式連接設(shè)計(jì)，下面對(duì)其設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行介紹與分析。

圖3 一種非自調(diào)整/非夾緊/游動(dòng)式連接結(jié)構(gòu)

鉸鏈支座上的襯套為鉸孔型，材料為不銹鋼；鵝頸鉸鏈上的襯套為非鉸孔型，材料為鋁硅青銅。鉸鏈支座上之所以采用鉸孔型襯套，是為了保證鉸鏈支座中心線的同軸度。如果口蓋尺寸很小，其上只布置1個(gè)鵝頸鉸鏈組件，鉸鏈支座上也可以采用非鉸孔型襯套。鵝頸鉸鏈上之所以采用鋁硅青銅襯套，主要是因?yàn)殇X硅青銅具有高耐磨性。

扭轉(zhuǎn)彈簧兩端頭套有熱收縮管M23053/8-004-C，一端固定在鉸鏈支座上，一端固定在鵝頸鉸鏈上，可以控制口蓋的打開(kāi)角度與打開(kāi)速度。

與扭轉(zhuǎn)彈簧接觸的間隔襯套與平墊圈材料為T(mén)eflon，Teflon具有極低的摩擦因數(shù)與良好的耐磨性，可起潤(rùn)滑作用，力學(xué)性能優(yōu)異，還具有不導(dǎo)電、抗老化、耐腐蝕等良好特性。目前，Teflon產(chǎn)品在國(guó)外民用飛機(jī)上已有廣泛應(yīng)用，在國(guó)產(chǎn)民機(jī)上的應(yīng)用范圍有待提高[4]。

為了限制鵝頸鉸鏈沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的位置，根據(jù)實(shí)際間隙情況在鉸鏈支座襯套與鵝頸鉸鏈襯套之間增加墊片，墊片的材料也為T(mén)eflon。只在鵝頸鉸鏈組件的單側(cè)增加墊片；如果旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)上有2個(gè)鵝頸鉸鏈組件，只在1個(gè)鵝頸鉸鏈組件上增加墊片。

旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)尺寸較大，其上布置的鵝頸鉸鏈組件數(shù)量超過(guò)2個(gè)時(shí)，鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間一般采用自調(diào)整式連接。同一旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)上的多個(gè)鵝頸鉸鏈組件如果都采用非游動(dòng)式連接，裝配時(shí)會(huì)有過(guò)定位問(wèn)題；如果都采用游動(dòng)式連接，不能夠限制旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的自由度，不利于傳遞旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與其支持結(jié)構(gòu)之間沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的軸向力。因此，尺寸較大的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)上的鵝頸鉸鏈組件一般組合采用非游動(dòng)式連接與游動(dòng)式連接。

國(guó)外某成熟機(jī)型APU艙門(mén)為雙扇對(duì)開(kāi)結(jié)構(gòu)，單扇APU艙門(mén)上布置3個(gè)鵝頸鉸鏈組件，中間鵝頸鉸鏈組件采用自調(diào)整、夾緊、非游動(dòng)式連接，如圖4(a)所示；其余2個(gè)鵝頸鉸鏈組件采用自調(diào)整、夾緊、游動(dòng)式連接，如圖4(b)所示。下面對(duì)這兩種連接設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行介紹與分析。

鉸鏈支座上的襯套為鉸孔型，材料為不銹鋼?；瑒?dòng)襯套選用的是直襯套，也可以選用帶凸緣襯套。

自調(diào)整、夾緊、非游動(dòng)式連接中，鵝頸鉸鏈上的關(guān)節(jié)軸承通過(guò)直襯套與螺栓組夾緊到雙耳鉸鏈支座的1個(gè)耳片上，該耳片能夠直接承受鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的載荷。

圖4 某機(jī)型APU艙門(mén)鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座的連接結(jié)構(gòu)

自調(diào)整、夾緊、游動(dòng)式連接中，鉸鏈支座的2個(gè)耳片不能夠承受鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的載荷。國(guó)內(nèi)某型飛機(jī)APU艙門(mén)的鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間采用了類似上述方案的連接設(shè)計(jì)，由于該艙門(mén)有沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的較大載荷，為了使采用自調(diào)整、夾緊、游動(dòng)式連接處的鉸鏈支座的耳片，也承受沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的載荷，在帶凸緣襯套的凸緣與墊圈的間隙處增加了墊圈。非自調(diào)整式額外增加墊圈，門(mén)打開(kāi)時(shí)鵝頸鉸鏈上的襯套與額外增加的墊圈之間會(huì)有摩擦，不利于門(mén)打開(kāi)；自調(diào)整式不會(huì)有這個(gè)問(wèn)題，且對(duì)額外增加的墊圈沒(méi)有耐磨損要求。

圖4(b)中之所以采用夾緊式，是因?yàn)榭梢员ＷCAPU艙門(mén)打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)，關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈不動(dòng)，僅外圈相對(duì)內(nèi)圈運(yùn)動(dòng)。圖5所示的非夾緊式連接，不能限制關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈與螺栓之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)，關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈有可能相對(duì)螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)節(jié)軸承外圈也有可能相對(duì)關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈運(yùn)動(dòng)。

圖5 一種自調(diào)整/非夾緊/游動(dòng)式連接

3 結(jié)語(yǔ)

1）使用二維幾何原理圖，利用CATIA草圖工具創(chuàng)建二維幾何原理圖優(yōu)化旋轉(zhuǎn)軸線的位置。優(yōu)化目標(biāo)包括：滿足旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)打開(kāi)角度要求；滿足旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)開(kāi)閉時(shí)與周邊固定結(jié)構(gòu)的間隙要求等。2）旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)尺寸較小，其上的鵝頸鉸鏈組件數(shù)量不超過(guò)2個(gè)時(shí)，鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間采用非自調(diào)整、非夾緊、游動(dòng)式連接。3）旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)尺寸較大，其上布置的鵝頸鉸鏈組件數(shù)量超過(guò)2個(gè)時(shí)，鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間采用自調(diào)整式連接。4）通過(guò)組合采用非游動(dòng)式連接與游動(dòng)式連接防止過(guò)定位。