基于飛機剎車振動問題的研究

常 飛，何永樂

（1.空軍工程大學工程學院，陜西 西 安 7 10038；2.西安航空制動有限公司，陜西 西 安 710038）

飛機剎車振動是飛機起落架系統振動的主要原因之一。飛機剎車振動問題不僅給飛機乘員帶來不適感，還可能造成起落架構件和剎車裝置組件結構疲勞或損壞，如將碳盤鍵槽鋼破壞。有時還會導致防滑剎車系統不能正常工作，使飛機剎車失效或地面差動剎車轉彎困難。航空機輪在臺架試驗中，如果出現剎車振動現象，剎車力矩曲線往往呈現劇烈的變化，同時伴隨異常聲響現象，如尖叫聲，沉悶轟鳴聲。剎車振動現象不僅在過去和現在某些機種仍在使用的鋼剎車上發生過，在近些年來越來越廣泛使用的碳剎車上也出現了，例如波音757飛機碳剎車振動困擾飛機主體使用問題。飛機剎車振動研究嚴格的說是飛機起落架的動態特性研究，該系統包括三大項：起落架支柱、減震器及聯件，機輪、輪胎和剎車裝置，飛機防滑剎車控制系統。本文將重點研究航空機輪剎車振動的問題，通過剎車振動原因分析，提出解決剎車振動問題的途徑和措施。

1 航空機輪剎車振動類型

飛機剎車振動研究在國外已有五十年的歷程，文獻[1~2]是比較早的專門綜合研究報告和標準。在MIL-L-87139起落架標準中，報道了F101和F105飛機剎車振動相當嚴重，已導致起落架機構移位，并指出這些新問題的出現，是由于剎車盤片摩擦面相互作用及結構剛度不足引起的。

研究表明，飛機剎車振動的形成主要有：起落架跨步、嘯叫、振鳴、回旋振動、動剎車盤擺線運動等幾種模式。

（1）起落架跨步是指剎車引起的沿飛機縱向圍繞支柱機體支撐點前后運動（擺動）。這種振動頻率在5~20 Hz范圍內。起落架偏轉輪胎與跑道界的摩擦力或由于防滑剎車系統不匹配都會引起這種現象出現。

（2）嘯叫是非螺旋部件相對于轉軸的扭轉振動，振動頻率在50~100 Hz。剎車盤摩擦誘發剎車裝置固定部分及安裝架振動會引起嘯叫，裝配間隙不合適和結構剛度不足會使嘯叫振動加劇。

（3）振鳴是指機輪轉動部分相對于輪軸抵抗輪胎彈性力的扭轉振動。振幅不高，振動頻率在100~1 000 Hz范圍內。

（4）回旋振動（渦動）指轉動部件相對于靜止部件的擺動運動，是軸向運動和扭轉運動的耦合振動。這種振型由于摩擦引起，剎車盤的偏磨和不對稱的剎車力會加劇剎車振動。振幅較高，振動頻率在100~400 Hz內。

（5）動剎車盤擺線運動是指與剎車盤的振動耦合的徑向和回轉運動。

2 航空機輪振動原因分析

在剎車過程中，振動總是不可避免的一種物理現象，不過在工程領域，這種振動是可以接受的，表現為剎車力矩曲線比較平穩，或者剎車力矩曲線雖有振蕩，但很快趨于收斂，對剎車裝置零件和相聯的液壓管路不會引起壽命期內損壞。但是，如果剎車振動超過這個范圍，則是一種故障。因為從聲響上看，噪音加劇；從結構完整性上看，往往導致零件過早損壞。剎車振動曲線如圖1所示，圖中標記的為過度振動的地方。

圖1 機輪剎車振動曲線

盤式剎車裝置主要由動作機構（汽缸座）、摩擦組件（剎車盤組和熱摩件）和支撐構架（剎車殼體）組成。組成如圖2所示。

圖2 剎車裝置組成圖

在剎車工作過程中，液壓油壓力推動汽缸座活塞伸出，通過壓緊盤將隨機輪轉動并可沿機輪導軌（軸向）移動的動盤，和僅能沿剎車轉體花鍵（軸向）移動的靜盤壓緊在一起，動盤和靜盤對偶間的相互作用產生摩擦力，形成剎車力矩，使飛機減速和制動。當剎車盤摩擦力振蕩使剎車力矩出現波時，就會產生振動。振動的程度取決于振動的形式、頻率以及振幅。當相關部件發生共振時，將出現過度振動。航空機輪過度振動的振源為剎車裝置。剎車盤的軸向振動和徑向振動同時存在。剎車時軸向振動導致剎車力矩振動，徑向振動引起試驗臺架振動，二者相互影響，使振動程度加劇。

剎車振動總由剎車盤的摩擦引起的。剎車盤偏磨和不對稱，剎車壓力的作用會加劇剎車振動。汽缸座、剎車殼體的剛度和結構阻尼特性對振動的不穩定性起這促進作用，不合理的匹配引起定位不穩定，導致振動加劇。

3 解決剎車振動的途徑和措施

解決剎車振動問題是一個復雜的綜合問題，直至當前，國外仍在進行研究，從大的方面講：一是，要求剎車盤摩擦材料都要具備優良的摩擦穩定性，摩擦系數在各種條件下變化小，從根本上消除或盡量避免摩擦誘發的振動；二是，在結構設計上進行改進，增加機械系統阻尼，避開系統共振點。解決剎車振動的方法具體如下：

（1）改進剎車材料摩擦特性。碳剎車由于使用了碳-碳復合材料剎車盤，具有了質量輕，耐磨強，承載高等優點，但由于其壓力-力矩響應敏感，壓力-變形呈非線性，摩擦系數變化寬等，容易引起剎車振動。因此，應從碳盤預制體構造，CVD/CVI增密工藝、高溫熱處理（石墨化）等方面改進工藝，保證碳盤具有良好的摩擦特性。

（2）采用某種構型的剎車盤結構。在摩擦材料特性一定的情況下，改變剎車盤的幾何形狀，也會預防振動問題。試驗表明，在剎車盤表面的布置適當的溝槽，有利于剎車盤摩擦系數的穩定，可以解決剎車振動問題。鋼剎車盤正常為小塊式結構，摩擦面自然形成溝槽，便于排屑、散熱，因而剎車振動問題出現少。

（3）改進剎車殼體結構設計。物體固有頻率與質量成反比，質量增加可以減少頻率，同樣降低質量可以增加頻率。因此，可通過改變剎車殼體質量來避開共振點，一般采用增加質量的措施。因為降低質量會帶來靜強度、變形等不能滿足設計要求的問題。改變剎車殼體固有頻率的另一個有效措施是采取不對稱結構，如采用13個或15個花鍵，而不是采用偶數花鍵布置。

（4）增加液壓阻尼。給汽缸座活塞之間的油路安裝節流器，限制了剎車壓力的變化速率。對解決剎車振動問題有明顯的作用，波音-757飛機剎車裝置已經成功應用。

（5）采用減振墊。碳剎車正常為單片（一體式）結構，為了解決剎車振動問題，在設計上將單片結構一分為二，在這兩片之間放一片較重的盤，即減振墊，使剎車時剎車壓力上升速率較緩，系統阻尼增大。波音-747碳剎車機輪，動盤采用二合一技術，中間增加緩沖材料；波音-757機輪，靜盤采用減振墊結構設計。剎車盤增加墊片后各剎車過程進行了ABAQUS仿真，分別記錄了軸端、汽缸座和扭臂的加速度、位移隨時間變化的值，并與改進前的試驗結果進行了對比。加墊圈前后軸端加速度和軸端位移、氣缸座加速度和位移的對比，如圖3所示。

圖3 加墊圈前后對比圖

（6）增加外部阻尼系統。如果從剎車裝置本身設計尚不能有效解決剎車振動問題，可考慮采用外部阻尼系統。在剎車裝置外部，增加質量阻尼系統，在汽缸座上連接阻尼器，已達到消除振動問題，但增加系統總質量和復雜性，通常是不得已而為之的辦法。

解決剎車振動問題往往是多項措施并舉。例如，波音-757飛機碳剎車采用剎車殼體斜盤安裝、汽缸座油路節流器等措施。解決了臺架試驗剎車振動問題，還需要產品裝機試驗考核，這主要是整個系統的阻尼，使用條件不盡相同。

4 剎車振動研究展望

研究飛機剎車振動問題具有現實意義。當前和今后研究的重點，一是，振動機理的繼續深入研究，一般振動分析在理論上提出4～6個機理，包括粘滑機理，負阻尼機理等。研究手段將來采取有限元瞬態分析、非線性、第三體摩擦等，這些是研究的主要內要；二是，研究振動測試技術。航空機輪通常采用多盤式結構，而不像汽車制動器為單盤式（即鉗式）結構，因而傳感器的設計布置、測振儀器和振動分析技術是研究的重點；三是，建立航空機輪振動設計檢測評價標準。

正如前面所述，剎車振動涉及整個起落架和剎車防滑系統，因此，剎車振動研究將是多系統研究。

5 結束語

航空機輪剎車振動的振源是剎車裝置，解決剎車振動問題要從摩擦材料特性和剎車裝置結構兩個方面入手。解決振動問題要采取綜合措施，剎車振動機理研究和剎車振動測試技術研究是今后的重點。

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