飛機前起落架轉向機構的設計與分析

劉湘君， 吳林

（中航工業(yè)飛機起落架有限責任公司，長沙410200）

0 引言

飛機設計一般要求在給定等級（給定寬度）的機場跑道上有180°的轉彎能力，對于大飛機，還要求在一定寬度的跑道內(nèi)具有良好的機動能力。在飛機起飛和降落階段，飛機的地面轉彎運動可以通過差動剎車、改變發(fā)動機推力差或轉動飛機前起落架來操縱。其中差動剎車一般用于后三點式飛機和輕型飛機，通過在左、右機輪上采用大小不同的剎車力使得左、右機輪轉動的速度不同，實現(xiàn)飛機的轉向要求，但差動剎車可使未經(jīng)鋪砌的跑道表面產(chǎn)生腐蝕，會導致機輪過熱或機輪故障［1-2］。改變發(fā)動機壓力差法現(xiàn)已極少使用，因為它在實際操作過程中不易控制。隨著現(xiàn)代飛機使用對飛機的地面操縱技術要求日益提高，前起落架操縱因其可以改善剎車使用壽命、在抗側風起降、在輪胎偶然爆胎事故中能糾正偏航等方面具有顯著的優(yōu)勢，在現(xiàn)代飛機上得到了更廣泛的應用。本文主要針對在飛機上裝備的幾種常見前起落架轉向機構形式做簡單介紹及分析，供飛機起落架相關設計人員參考。

1 起落架轉彎角度的確定

在飛機設計過程中，當確定飛機轉彎半徑后，可確定前輪操縱角度。由圖1可見，在前主輪距、主輪距確定的情況下，為滿足飛機的轉彎要求，飛機軸線離轉動中心越近，需要的轉角越大。當飛機在越狹窄跑道上轉彎時，所需轉角越大，在機構設計時，可用轉向角度還應考慮施加力可大于所需力的情況，應對可用的轉彎角度進行合理限制。在確定轉角大小后，應根據(jù)安裝與機構支持位置、機械、電器與液壓之間的物理聯(lián)系，結構間隙、剛度、阻尼等方面的具體要求，合理選擇轉向方式。

2 常見轉向機構形式

在飛機的前輪轉彎操縱機構中，比較常見的為作動筒驅動和齒輪驅動（含齒輪齒條驅動）兩種類型，其中，作動筒式又可分為單作動筒式與雙作動筒式。

圖1

2.1 單作動筒式

單作動筒轉彎機構的轉彎角度通常小于±45°，Y8 系列飛機轉彎機構采用單作動筒結構。常見的單作動筒轉彎機構如圖2所示。

圖2

由于單作動筒轉彎機構轉彎角度較小，在地面牽引飛機時，若需要較大的牽引轉彎角度時，則需要脫開起落架的轉向部分，一般為脫開上下扭力臂（采用快卸銷連接上、下扭力臂），可使前輪牽引較大角度轉彎。在飛機放下起落架時，可使用前起外筒內(nèi)中凸輪使起落架處于中立位置。當前輪接地時，接通輪載開關后才能開始地面操縱，此時緩沖支柱有一定壓縮量 ，緩沖支柱內(nèi)的對中凸輪已完全脫開，此時飛行員可轉動駕駛操縱手輪，通過一系列機構運動可使操縱閥內(nèi)柱塞運動，液壓油進入作動筒相應腔，從而控制作動筒1伸縮運動帶動旋轉套筒4轉動，經(jīng)扭力臂傳遞給機輪，實現(xiàn)轉彎。該種形式結構簡單，但轉彎角度受限制。

作動筒直接連接旋轉套筒，旋轉角度受到作動筒行程及空間限制，當需要較大旋轉角度時，可使用作動筒加放大聯(lián)動機構實現(xiàn)。如圖3所示，作動筒1的伸縮運動傳遞給搖臂2，由搖臂帶動連桿3推動轉彎套筒運動,經(jīng)扭力臂傳遞給機輪，實現(xiàn)轉彎。

圖3

2.2 雙作動筒式

雙作動筒形式的動力轉彎角一般大于45°，波音公司系列飛機多采用雙作動筒結構形式，國內(nèi)客機ARJ21也采用雙作動筒轉彎機構，圖4為一種客機的雙作動筒形式的動力轉彎裝置。

圖4

以液壓為動力，使用兩個線性位移作動筒，可用駕駛手輪來操縱。該前輪操縱機構的動力轉彎角通常大于±70°。在前輪偏轉期間，通過液壓系統(tǒng)使左右轉彎作動筒分別產(chǎn)生推拉力，通過起落架轉彎套筒帶動扭力臂偏轉前輪。

圖4（a）中，左右作動筒在補償器壓力作用下，提供向前直線運動時的減擺阻尼。轉彎過程見圖4，由中立位置向左轉彎時，左轉彎作動筒收縮產(chǎn)生拉力，右轉彎作動筒伸長產(chǎn)生推力，帶動轉彎套筒向左旋轉,見圖4（b）。當前輪偏轉角度達到一定角度時（波音737為33°）時，拉力作動筒活塞運動到極限位置，此后，利用轉動接頭偏轉的幾何關系，停止向拉力作動筒供壓，該作動筒兩腔皆通回油。此時右邊的轉彎作動筒繼續(xù)伸長，推動轉彎套筒繼續(xù)左轉，并帶動左轉彎作動筒過死點，僅靠推力作動筒可完成前輪在中立位置后的轉彎驅動，見圖4（c）。右轉彎與左轉彎時原理相同。

在整個轉彎過程中，由于轉彎角度較大，從中立位置向左或向右轉動時，一個作動筒的運動是由收縮到伸長的過程，在過死點位置時，油路的換向通過換向閥來實現(xiàn)。該種結構形式兩作動筒獨立運動，使用維護方便，但液壓系統(tǒng)中需要設置換向閥來實現(xiàn)油路換向，相對于其他系統(tǒng)較為復雜。

2.3 齒輪齒條式

大角度轉彎的飛機通常選用雙作動筒或齒輪齒條機構。空客系列飛機多采用齒輪齒條轉彎機構，圖5為某型客機齒輪齒條式前輪操縱機構圖。

圖5

該飛機動力轉彎角為±75°，牽引轉彎角度±95°。前輪偏轉時，由轉彎控制閥傳來的高壓油推動齒條做直線運動，齒條推動與其配合的齒輪偏轉來實現(xiàn)前輪轉彎。圖6為某種飛機齒輪齒條式轉向機構在運動到不同位置時的示意圖。

圖6

齒輪齒條這種轉彎機構的牽引轉彎角度可以大于動力轉彎角度。牽引轉彎時，當轉彎角度大于動力轉彎角度時齒輪與齒條不嚙合，齒條到達極限位置后齒輪還可以在牽引作用下繼續(xù)旋轉，因此牽引時可不用脫開轉向裝置。這是作動筒式轉彎機構不易實現(xiàn)的。

不足的一面是全部轉向力矩只作用在少數(shù)的輪齒上，為保證齒的強度，所需結構尺寸會增大，對空間的要求相對增高。

3 結論

飛機前輪操縱系統(tǒng)從最初的純機械式操縱系統(tǒng)到機械-液壓式操縱系統(tǒng)，發(fā)展成電傳操縱系統(tǒng)，到如今以數(shù)字式電傳操縱系統(tǒng)為主，其操縱形式一直在向智能化方向發(fā)展。但轉向機構的具體結構形式仍以本文介紹的作動筒式與齒輪傳動（齒輪齒條）幾種典型方式為主，本文對這幾種前輪轉向機構原理進行介紹與分析，供起落架設計者在工作中參考應用，有一定指導意義。

［1］［美］柯里.飛機起落架設計原理和實踐［M］.方寶瑞，鄭作棣，譯.北京：航空工業(yè)出版社，1990：165.

［2］ 飛機設計手冊總編委會.飛機設計手冊：第14卷［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2002：329-366.