陳 翔

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

0 前言

目前，飛機(jī)主要是通過差動(dòng)剎車、非對稱推力或者操縱前輪轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎[1-2]。相比固定翼飛機(jī)，多數(shù)采用輪式起落架的直升機(jī)，前起落架或尾起落架均設(shè)計(jì)有被動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，在尾槳推力或差動(dòng)剎車的情況下，實(shí)現(xiàn)直升機(jī)地面轉(zhuǎn)彎[3-4]。直升機(jī)在空中飛行時(shí)，一般要求鎖住前輪或者尾輪，特別是對于大搖臂式起落架，這樣可以避免尾輪在直升機(jī)著陸時(shí)偏離中立位置或者在空中偏轉(zhuǎn)，影響直升機(jī)的著陸安全[4]。對于未設(shè)計(jì)回中機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向起落架，直升機(jī)在地面滑行轉(zhuǎn)彎后，必須在地面鎖定定向鎖。對于常規(guī)的插銷式定向鎖，需要飛行員操縱直升機(jī)直線滑行甚至左右小幅偏擺來保證上下鎖孔對齊，從而實(shí)現(xiàn)定向鎖的鎖定。這不僅增加了飛行員的操縱難度，也影響了直升機(jī)的出勤效率。該文針對某型直升機(jī)地面尾輪鎖定操作增加飛行員難度以及影響直升機(jī)的出動(dòng)效率問題，通過回中需求分析和轉(zhuǎn)化，完成了新型回中機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。

1 回中需求分析

為防止直升機(jī)尾輪在空中偏轉(zhuǎn)，某型直升機(jī)尾起落架設(shè)計(jì)有尾輪鎖。尾輪鎖安裝在搖臂上，如圖 1所示。在進(jìn)行地面轉(zhuǎn)彎前，尾輪鎖須打開，確保輪叉可以轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)直升機(jī)在空中時(shí)，尾輪鎖須鎖上，防止輪叉在空中擺動(dòng)。在進(jìn)行尾輪鎖地面上鎖操作時(shí)，飛行員需要通過操縱尾槳來保持直線滑行，這增加了飛行員的操縱難度。由于直升機(jī)大多數(shù)起飛都是垂直起飛，為減輕飛行員負(fù)擔(dān)并提高出勤效率，需實(shí)現(xiàn)尾輪空中上鎖。

圖1 尾起落架示意圖

圖2 用戶需求轉(zhuǎn)化

由于無法主動(dòng)控制尾輪偏轉(zhuǎn)，須設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)尾輪回到中立位置，以實(shí)現(xiàn)尾輪空中鎖定。黃建新等人[5]設(shè)計(jì)了一種內(nèi)置自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)搖臂式尾起落架尾輪回中。支柱式轉(zhuǎn)向起落架一般也設(shè)計(jì)有內(nèi)置上下凸輪回中[4]?？紤]到尾起落架必需的功能要求和相關(guān)約束，將用戶要求逐步轉(zhuǎn)化為回中機(jī)構(gòu)要求，如圖2所示。通過分析，回中機(jī)構(gòu)需滿足4點(diǎn)要求。1）在輪叉偏轉(zhuǎn)-90°～90°內(nèi)提供適當(dāng)回中力矩。2）回中力矩方向可以順時(shí)針和逆時(shí)針切換。3）不改變尾起落架主傳力結(jié)構(gòu)。4）不限制輪叉偏轉(zhuǎn)。

2 回中機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

通過分析回中機(jī)構(gòu)需求和傳統(tǒng)內(nèi)置式回中機(jī)構(gòu)，現(xiàn)有的回中機(jī)構(gòu)方案不能滿足回中機(jī)構(gòu)需求，需要設(shè)計(jì)新型回中機(jī)構(gòu)。逐條分析回中機(jī)構(gòu)需求，得出新型回中機(jī)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)要求，見表1。

表1 新型回中機(jī)構(gòu)需求和設(shè)計(jì)對應(yīng)關(guān)系

綜合表1中的設(shè)計(jì)元素和常規(guī)的機(jī)械設(shè)計(jì)以及維護(hù)性等方面的因素，新型回中機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)組件和凸輪組成，其中凸輪通過插銷安裝在輪叉上，驅(qū)動(dòng)組件安裝在搖臂上，如圖3所示。驅(qū)動(dòng)組件主要由支座、彈簧、活塞桿、滾輪等組成，如圖4所示。當(dāng)直升機(jī)離地后，驅(qū)動(dòng)組件中的活塞桿前移，對凸輪形成一個(gè)回中力矩，同時(shí)輪叉、機(jī)輪和輪胎等重力側(cè)向分量也對輪叉形成一個(gè)回中力矩，2個(gè)力矩驅(qū)動(dòng)輪叉轉(zhuǎn)動(dòng)，直到尾輪回到中立位置。

圖3 新型回中機(jī)構(gòu)示意圖

圖4 驅(qū)動(dòng)組件結(jié)構(gòu)圖

3 回中性能分析

如圖5所示，輪叉分別受到下部質(zhì)量重力G1、輪叉重力G2、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)壓力F1、上襯套壓力F2、下襯套壓力F3和支撐套支撐力F4、上襯套摩擦力和下襯套摩擦力。

尾輪在偏轉(zhuǎn)的情況下離地后，輪叉通過回中機(jī)構(gòu)提供的驅(qū)動(dòng)力矩以及輪叉、機(jī)輪和輪胎重力形成的回中力矩，克服摩擦力矩帶動(dòng)尾輪實(shí)現(xiàn)回中。其中摩擦力矩包括輪叉與襯套之間的摩擦力矩、支撐套與輪叉之間的摩擦力矩。

式中：r為漸開線半徑，取15 mm；R為輪叉旋轉(zhuǎn)軸半徑，取44 mm；μ為輪叉和襯套摩擦系數(shù)，取0.1；m1為下部質(zhì)量，取9 kg；L1為下部質(zhì)量重力到旋轉(zhuǎn)軸距離，取260 mm；m2為輪叉質(zhì)量，取7.5 kg；L2為輪叉重力到旋轉(zhuǎn)軸距離，取65 mm；μ1為支撐套和搖臂摩擦系數(shù)，取0.1；R1為支撐套外側(cè)半徑，取45 mm；r1為支撐套內(nèi)側(cè)半徑，取42 mm；θ為輪叉旋轉(zhuǎn)軸后傾角，取13°；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

圖5 輪叉受力示意圖（0°）

根據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部受力示意圖（如圖6所示），建立以下方程：

式中：β為F1與X軸夾角；μ2為活塞桿滑動(dòng)摩擦系數(shù)，取0.1；FB為B點(diǎn)正壓力；FC為C點(diǎn)正壓力；LB為滾輪中心到B點(diǎn)橫向距離；Ly滾輪偏心距，取20 mm；LBC為B點(diǎn)到C點(diǎn)距離，取160 mm；K為彈簧剛度，取13.7 N/mm；S為彈簧壓縮量。

圖6 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部受力示意圖

根據(jù)靜力距平衡的原理，進(jìn)行上、下襯套處受力分析。

上襯套正壓力：

G1、G2沿X軸分力對上襯套形成的壓力如公式（15）所示：

下襯套正壓力：

G1、G2沿X軸分力對輪叉形成的壓力如公式（19）所示：

則有，輪叉回中時(shí)間：

式中：?為輪叉偏轉(zhuǎn)角；H為凸輪受力到下襯套中心距離，取144 mm；H1上下襯套中心距離，取102 mm；H2為下部質(zhì)量重力到下襯套中心距離，取203.5 mm；H3為輪叉重力到下襯套中心距離到取59 mm。

根據(jù)公式（1）～（20），可以計(jì)算出任一偏轉(zhuǎn)角對應(yīng)的回中力矩和回中時(shí)間，典型角度回中時(shí)間見表2。

表2 典型偏轉(zhuǎn)角下回中力矩、角加速度和回中時(shí)間

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過模擬回中機(jī)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)，在轉(zhuǎn)向各個(gè)角度時(shí)，記錄每次的回中時(shí)間，見表3。各個(gè)角度回中時(shí)間最小值為0.66 s，最大值為98 s，均未超過2 s。

表3 回中性能試驗(yàn)測試結(jié)果

5 結(jié)論

該文在分析尾起落架的回中需求和約束邊界的基礎(chǔ)上，完成了新型回中機(jī)構(gòu)需求分析和轉(zhuǎn)化，使回中需求具有可執(zhí)行性。為了逐條滿足轉(zhuǎn)化后的需求，采用漸開線凸輪和叉形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成了新型回中機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。計(jì)算和試驗(yàn)表明，新型回中機(jī)構(gòu)能滿足尾起落架的回中要求。