某型國產滾珠式軟軸裝機問題分析

■ 章楠 邢東旭 劉少平/中國飛行試驗研究院

1 滾珠式軟軸

1.1 滾珠式軟軸的基本結構

圖1 所示為操縱軟軸的功能框圖，圖2 為操縱軟軸的結構圖。軟軸中的運動部件和力的傳遞機構是中間的芯軸，軟軸整體為中間對稱結構，芯軸為雙滑道結構，其斷面呈“8”字形，由兩排滾珠和保持架引導運動。兩排滾珠的外側是固定桿，兩固定桿中心相對外圍的金屬管中心軸重疊，固定桿鎖定在鎖緊套上，保證鋼索的整體安全。在芯軸和固定桿之間設有保持架，保持架上等間隔地安裝了滾珠。推拉芯軸時，滾珠的滾動將固定桿和芯軸間的滑動摩擦轉換為滾動摩擦，大大減小了芯軸的運動阻力。芯軸、滾珠、保持架、固定桿一同安裝在金屬管內，限制芯軸在受力時偏離原來的位置。

1.2 軟軸的特點

軟軸具有結構簡單、安裝使用簡單方便的特點。相對剛性軸來說，軟軸能夠彎曲，具有較強的適應性和通用性；允許作用力的輸出方向與作用端不在一條直線上，甚至不在一個平面上，保證了作用力的可靠傳遞。其缺點是軟軸的彎曲、扭轉有限，超過限度就會造成傳遞系數急劇下降，而且對加工精度、材料的要求較高。

非電傳飛機上，一般采用連桿、推拉鋼索或滾珠式軟軸來操縱發動機的主泵調節器，控制發動機的各個工作 狀態。

2 問題的提出

圖1 軟軸功能框圖

圖2 軟軸結構圖

某型飛機油門操縱系統采用的就是滾珠式操縱軟軸。該型飛機試裝國產軟軸，經過幾個架次飛行之后，油門操縱桿桿力明顯增大，發動機無法正常停車；油門在各個狀態下主泵調節器刻度盤對應的刻度值超出發動機技術文件規定的范圍，嚴重影響了飛行員的正常操縱以及對發動機狀態的控制。將該軟軸拆下，拉直、彎曲釋放應力，兩次無載荷推拉芯軸，測量作用力均滿足軟軸設計要求，重新裝機后油門操縱桿桿力無明顯減小。

3 問題的分析

檢查油門操縱臺到發動機主泵調節器的軟軸通道，發現有一處曲率較小，處于國產軟軸適應范圍的邊緣；分解斷離油門操縱系統各傳動部件、連桿，分別檢查油門操縱臺、發動機主泵調節器、發動機噴口調節器，操縱力均符合設計要求，確定軟軸傳動部分造成操縱力異常增加，發動機油門操縱精度不滿足發動機使用要求。

3.1 軟軸推拉阻力增加因素分析

如圖3 所示，假設在軟軸的兩端A和B 之間有兩段轉角α1和α2。A 端的拉力F 克服AB 之間的阻力和B 端的作用力F0，使芯軸向A 端移動，則

其中，f 為軟軸套管與芯軸之間的摩擦系數；a 為軟軸各段彎曲角度之和；F 為拉力；F0為原始力。

從式（1）可以看出，作用在A 端的作用力為B 端作用力的ef·a倍時才能拖動芯軸，F 與摩擦系數及轉角之和成指數關系，所以作用力F 對摩擦系數及轉角之和均比較敏感，兩者的輕微增加均會引起操縱力的顯著增加。

在檢查過程中發現軟軸從油門操縱臺到發動機操縱桿的安裝通道有一處曲率較小，同時軟軸安裝通道不在一個平面上。

由于該型飛機采用的滾珠式軟軸的芯軸是一條截面為矩形且僅在一個平面內偏轉的軟質薄鋼板，為了能連接油門手柄和油門操縱桿，軟軸芯軸勢必發生如圖4 所示的變化，即軟軸芯軸在通道中發生扭轉，產生扭轉力矩，額外增加了芯軸與護套之間的正壓力，將之記為Fc，軟軸滾動摩擦系數記為λ0，則

圖3 軟軸受力分析簡圖

綜上分析，軟軸彎曲以及軟軸扭轉，兩方面因素均會造成軟軸的推拉阻力增加。

3.2 軟軸形變因素分析

假設經過多次推拉，軟軸發生形變后是可以恢復的。令λ 為軟軸的形變系數，為了說明發動機油門操縱精度不滿足要求的問題，建立模型，圖5 所示為某段軟軸的物理化模型。

為了說明彎曲角度以及輸入作用力大小對軟軸外套長度的改變程度，圖5中b、d 兩點是軟軸上任意接近的兩點，c 是加載荷前d 的位置，忽略b、d 兩點間芯軸傳遞力大小的差異，即

圖4 軟軸扭轉示意圖

由式（7）可以看出，F1不變時，軟軸的形變量a1隨軟軸彎曲角度a2的增大而增大；a2不變時，a1隨F1的增大而增大，F1、a2兩個變量對軟軸的形變量a1均有影響。

4 總結

由上述分析可知，軟軸產生的阻力與軟軸的彎曲角度之和、扭轉角、摩擦系數有關；軟軸發生的形變量與軟軸的彎曲角和軸芯輸出的作用力有關。軟軸過度彎曲既增加了軟軸的摩擦阻力，同時也增加了軟軸的形變。

圖5 軟軸局部受力圖

綜合分析認為國產軟軸裝機問題是由兩方面原因導致的，一方面，飛機上發動機操縱軟軸安裝通道的設計中有一處超過國產軟軸的適應范圍，使軟軸發生了較大的彎曲和扭轉；另一方面，國產軟軸軸芯部滑桿摩擦系數較進口軟軸的大，且國產軟軸適應彎曲的能力不及進口軟軸，加劇了上述因素對軟軸性能的影響，進而造成軟軸裝機后出現操縱力大和操縱精度無法滿足發動機操縱要求的情況。

后續在優化機上軟軸安裝通道曲率較小處后，操縱桿力滿足了要求，發動機油門操縱靈活，發動機操縱精度滿足了設計要求。