民用飛機艙門典型單銷連接形式研究

王健

（中航沈飛民用飛機有限責任公司，沈陽 110079）

0 引 言

艙門作為飛機上的運動部件，其設計往往是一個復雜的過程。用于旅客進出的登機門、貨物進出的貨艙門、應急逃生時使用的應急門均需要按適航條款要求設計多套機構，如手柄機構、閂機構、鎖機構、打開機構、提升機構、增壓預防機構、視覺指示機構等。在這些機構設計時，常常使用單銷連接。對于單銷連接設計，應從適航出發(fā)，綜合考慮安全性、可靠性、互換性、經(jīng)濟性等。根據(jù)艙門不同結構、機構位置及性能要求，合理設計單銷連接形式，單銷連接設計應經(jīng)強度校核確認后方可確定最終設計方案。

1 單銷連接設計考慮因素

單銷連接設計形式受很多因素影響，在選擇單銷連接形式應考慮自對準能力、夾緊與非夾緊、靜態(tài)與動態(tài)等因素。

1.1 自對準能力

單銷連接可以根據(jù)自對準能力分為非自對準連接和自對準連接。只有在U形接頭的中心線和凸耳的中心線之間沒有預期的偏差時，才應該考慮使用非自對準連接形式。這種連接形式可以傳遞U形接頭和凸耳之間的轉(zhuǎn)矩，并且要求旋轉(zhuǎn)軸必須垂直于凸耳的中心線。自對準連接形式主要用于調(diào)整U形接頭中心線與凸耳的中心線之間的偏差。這種連接形式通常不能傳遞U形接頭和凸耳之間的轉(zhuǎn)矩。

1.2 夾緊與非夾緊連接

夾緊連接形式可以防止在銷上擺動和旋轉(zhuǎn)，在振動環(huán)境下尤其適用該種連接形式，夾緊連接形式不推薦應用在動態(tài)連接應用中銷/螺栓直徑大于0.75 in帶潤滑脂潤滑的連接和銷/螺栓直徑大于1.0 in自潤滑的連接當中。

非夾緊連接形式用于允許在銷/螺栓上有擺動、旋轉(zhuǎn)和軸向運動的設計當中，在動態(tài)連接應用中，非夾緊連接形式適用于銷/螺栓直徑大于0.75 in帶潤滑脂潤滑的連接和銷/螺栓直徑大于1.0 in自潤滑的連接當中。

1.3 靜態(tài)與動態(tài)連接

靜態(tài)連接形式主要用于不做旋轉(zhuǎn)運動的連接中，如艙門一些支座與結構件之間的連接。

動態(tài)連接形式主要用于做旋轉(zhuǎn)運動的連接中，如艙門各個機構中的運動件常采用動態(tài)連接形式。

2 典型單銷連接形式

2.1 凸耳與凸耳的連接

凸耳與凸耳的連接多用于受力較小的位置，該連接形式常見于艙門閂機構、鎖機構上。根據(jù)適航CCAR-25.783（d）（2）要求：“鎖閂及其操縱機構必須設計成，在所有的飛機飛行和地面載荷狀態(tài)下，在門鎖閂的狀態(tài)下，沒有試圖解開鎖閂的力或力矩。而且，鎖閂系統(tǒng)必須包括一種措施，保證鎖閂處于鎖閂的位置。該措施必須獨立于鎖定系統(tǒng)[1]。”因此閂機構設計時常采用過中心設計，而過中彈簧常被各飛機制造商設計艙門時選用。過中彈簧典型連接形式如圖1所示。過中彈簧一端與閂軸上的曲柄連接，另一端與固定在橫梁上的支座連接，過中彈簧桿端安有球軸承，該連接是一種夾緊型自對準連接形式。

在凸耳與凸耳連接設計時，夾緊型非自對準連接形式也常用于艙門機構當中。圖2所示為某型飛機貨艙門視覺指示機構指示牌的連接，由于指示牌只有一端為鉸接點，另一端自由，因此在設計指示牌的連接時采用夾緊型非自對準連接形式。

圖1 過中彈簧連接

圖2 指示牌連接

2.2 凸耳與U形接頭的連接

凸耳與U形接頭的連接廣泛應用在艙門結構、機構上。根據(jù)不同使用位置采用不同種連接形式，如結構件之間的連接固定常采用夾緊型非自對準靜態(tài)連接，應用于機構件上的連接，常采用動態(tài)連接形式，是否夾緊及是否采用自對準連接應根據(jù)具體情況確定。

對于艙門結構設計而言，結構件之間的連接大量采用鉚釘、高鎖螺栓、普通螺栓等緊固件直裝配到一起。但對于某些特殊位置，也會采用凸耳零件與U形接頭的連接，這時往往采用夾緊型單銷連接形式，確保結構件之間穩(wěn)定連接。圖3為某型號飛機登機門滑梯包預位桿支座與邊框的連接，其采用的便是夾緊型非自對準靜態(tài)連接。

圖3 支座與邊框連接

對于艙門機構設計而言，連桿的使用十分廣泛，如提升機構、增壓預防機構、模式選擇機構等常常采用各種桿機構來進行操縱力傳遞。其中，連桿與各機構軸上曲柄、搖臂的連接是一種典型的凸耳與U形接頭的連接。圖4為某型飛機登機門模式選擇機構的一部分，其中連桿兩端的連接采用的是夾緊型自對準形式，這種連接形式在艙門機構中尤為常見，在各飛機制造商各型號飛機登機門、貨艙門、應急門上幾乎皆有使用。

艙門機構設計較為復雜，不同部分可采用不同的連接形式。圖5為某機型貨艙門打開機構示意圖，其中鉸接點A處為懸掛臂連桿與調(diào)整連桿連接，鉸接點B處為懸掛臂連桿與懸掛臂的連接，該兩處位置連接與典型連桿連接形式一致（如圖4），均為夾緊型自對準連接，因此鉸接點C處懸掛臂連桿與懸掛臂的連接采用非夾緊型非自對準連接，如圖6所示。其目的是為了避免發(fā)生應力裝配，同時鉸接點A、鉸接點B可以實現(xiàn)自對準調(diào)整。

圖4 連桿的連接

對于一些向外翻轉(zhuǎn)打開的艙門，如貨艙門、應急門等，艙門與機身支座的連接通常也采用凸耳與U形接頭的連接形式。圖7為某型飛機翼上應急門與機身支座的連接及其連接形式。由圖7可見，其中一側連接為夾緊型連接，并在中間添加墊圈用于航向調(diào)整，另一側采用非夾緊型連接，并且兩端均為自對準型，兩端不同的連接形式可確保整個艙門安裝到機身時的裝配可達性。

圖5 某型飛機貨艙門打開機構示意圖

圖6 鉸接點C處連接

圖7 某型飛機應急門與機身連接示意圖

2.3 U形接頭與U形接頭的連接

U形接頭與U形接頭的連接主要用于U形接頭兩耳片距離比較大的連接區(qū)域。圖8為某型飛機貨艙門手柄機構中手柄組件與翻板組件的連接及其連接形式，此連接采用夾緊型非自對準連接，單側夾緊在最右側耳邊上，最左側零件孔內(nèi)壓入的襯套為鉸孔型襯套，可提高鉸孔后襯套內(nèi)孔之間的同軸度，提高裝配可達性并且可以減小零件間的間隙量，旋轉(zhuǎn)運動發(fā)生在間隔襯套與中間壓入翻板的兩凸緣襯套的內(nèi)孔間，作為旋轉(zhuǎn)配合的襯套選用自潤滑襯套。

圖8 某型飛機貨艙門手柄機構連接示意圖

3 耳片連接設計的基本原則

3.1 避免應力裝配

在單銷連接設計時，如果采用夾緊形式的連接，應保證螺栓通過螺母、襯套等夾緊在U形接頭單側耳片上，并且應保證單側耳片能夠承受全部的軸向載荷。圖9所示的單銷連接形式，U形接頭的兩側耳片均被夾緊，這種夾緊形式的連接會產(chǎn)生裝配應力，無論什么時候，這種連接形式都應該盡量避免采用。

圖9 雙側耳片夾緊示例

3.2 零件保護

對于耳片單銷連接設計，無論是凸耳與凸耳還是與U形接頭的連接，在設計時都會盡量避免直接以零件孔作為旋轉(zhuǎn)配合面，因為這樣的設計在飛機整個服役期內(nèi)極易對零件造成磨損、破壞，不僅縮短零件檢驗、更換周期，還會對飛機安全性造成影響。因此在單銷連接設計時，在U形接頭兩個耳片孔內(nèi)均安裝襯套，在凸耳零件耳片孔內(nèi)安裝襯套或軸承，同時，要做好腐蝕防護處理。

3.3 結構防腐考慮

對暴露在腐蝕環(huán)境中的機體結構應采取腐蝕防護措施，以保證所設計的飛機結構滿足耐久性要求，使腐蝕、脫層、磨損及由腐蝕導致的其它損傷減至最低限度。在單銷連接設計時應控制接觸腐蝕，在零件材料選擇時應盡量采用同類別材料接觸，當不同類別材料接觸時會產(chǎn)生電化學腐蝕，因此需要在其中的一個零件上使用鍍層或涂層來避免腐蝕的發(fā)生。如艙門結構、機構中的凸耳零件、U形接頭很多采用鋁合金材料，而與之配合安裝的襯套常采用不銹鋼材料，其處理辦法是選用帶鍍鋁或鍍鎘的襯套（考慮到對環(huán)境的保護，可以盡量選擇鍍鋁的襯套）。為了進一步提高腐蝕防護能力，襯套安裝時通常采用濕安裝，并且進行填角密封處理。

按電化學腐蝕序列，常用材料分類如表1所示。

4 標準件選用

表1 常用材料的類別

標準件被大量應用于飛機結構設計當中，標準件的使用可以大量減少零件的總數(shù)量，減少對工裝的需求，便于規(guī)模化生產(chǎn)，并有利于售后維護及修理工作，同時也是降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本的一條有效途徑。在單銷連接設計時，螺栓、螺母、墊圈、襯套等標準件被廣泛使用，并且具有良好的可靠性和互換性[2],在標準件的選用時應從適航、安全、強度、腐蝕防護、零件保護等多方面綜合考慮，對于不同型號項目，還應考慮采購難易程度、成本控制、環(huán)境保護等。

4.1 螺栓和螺母

應用于飛機艙門上的典型單銷連接，螺栓通常選用不銹鋼抗剪型六角螺栓，抗拉型螺栓或其他高強度螺栓可能被使用到夾緊與非夾緊連接形式當中，但必須由強度部門確認后方可選用。

根據(jù)適航CCAR-25.607（a）要求，下列任一情況下，每個可卸的螺栓、螺釘、螺母、銷釘或其它可卸緊固件，必須具有兩套獨立的鎖定裝置：1）它的丟失可能妨礙在飛機的設計限制內(nèi)用正常的駕駛技巧和體力繼續(xù)飛行和著陸；2）它的丟失可能使俯仰、航向或滾轉(zhuǎn)操縱能力或響應下降至低于本部B分部的要求[1]。因此，在螺母選用時通常選擇開槽自鎖螺母，并配合使用開口銷進行防松。

4.2 墊圈

在單銷連接設計中，墊圈的選用通常有兩種形式，一種是平墊圈，另一種是沉頭墊圈。墊圈的主要作用是保護零件、調(diào)整間隙，調(diào)整軸向位置，增加接觸面積等，沉頭墊圈主要用于螺栓頭一側，用于與螺栓頭根部小圓角配合，避免發(fā)生干涉，平墊圈主要用于螺母一側或U形接頭與凸耳之間用來軸向調(diào)整等。

4.3 襯套

襯套的種類很多，從結構形式上可分為帶凸緣襯套和不帶凸緣的平襯套；從是否帶潤滑層可分為自潤滑襯套和非自潤滑襯套；從內(nèi)孔是否適用鉸削可分為鉸孔型襯套和非鉸孔型襯套。在單銷連接設計中，不帶凸緣的普通平襯套通常用來實現(xiàn)軸向夾緊。凸緣襯套主要用于安裝在零件內(nèi)孔內(nèi)，使襯套內(nèi)孔成為抗磨損表面，提供具有較低摩擦力的摩擦面[3]，對于以襯套內(nèi)孔為旋轉(zhuǎn)配合面時，通常適用自潤滑襯套。對于典型的凸耳與U形接頭的連接設計，U形接頭一次耳片內(nèi)通常安裝鉸孔型凸緣襯套，其目的是安裝襯套后進行鉸削，從而提高連側耳片內(nèi)孔同軸度，提高裝配可達性。圖10所示為典型U形接頭鉸孔型襯套使用示意圖（圖10中尺寸單位為英寸）。

凸緣襯套與U形接頭耳片內(nèi)孔通常采用過盈配合，合理的過盈量可提高內(nèi)孔抗疲勞性能。內(nèi)孔直徑大于1 in時，襯套外圈與耳片內(nèi)孔的過盈量通過控制在0.1%～0.2%左右，對于內(nèi)孔直徑小于1 in時，襯套外圈與耳片內(nèi)孔的過盈量通常最小在0.1%左右，隨孔徑減小適當變大，但最大不宜超過0.5%。

凸緣襯套材料通常選用不銹鋼，壓入鋁合金零件孔內(nèi)，通常選用鍍鎘或噴涂鋁表面處理方式，對于壓入不銹鋼零件孔內(nèi)，直接鈍化即可。鉸孔型凸緣襯套材料常選用鋁青銅，鋁青銅具有良好的耐磨性和抗腐蝕性，因此鉸削后無需另作表面處理。

圖10 鉸孔型襯套使用示意圖

5 結 語

本文以單銷連接為研究對象，重點介紹應用于艙門上的典型單銷連接形式。詳細介紹了單銷連接應考慮的因素和應遵循的基本原則，同時對單銷連接設計中常用標準件進行介紹。本文所介紹的單銷連接形式廣泛應用于各型號飛機艙門中，可以為飛機設計人員在新型號艙門研制設計中提供一定參考。