民機艙門新型提升助力機構研究

馬 巖

(中航沈飛民用飛機有限責任公司, 沈陽 110179)

0 引言

半堵塞式艙門因其較高的安全性、良好的空間性，在民用飛機設計領域有著廣泛的應用。半堵塞式艙門的開啟分為向上向內提升和向外打開兩個主要步驟。為提高民用飛機艙門的可靠性，降低電子元件失效的概率，避免在應急情況下無法開啟艙門的情況，當前大多數民用飛機艙門的提升運動是依靠人力操作手柄實現。

對于半堵塞式艙門，提升機構指以固定點或近似固定點為支點，按照預定提升軌跡使艙門擋塊完全躲開機身擋塊并提升一定高度的機構。為了保證符合條例要求的5%的女性和95%的男性能夠順利的操作艙門打開，并提高艙門操作的舒適性，艙門的手柄力需要控制在一定范圍內，SAE ARP488D建議正常操作艙門時開啟手柄力不超過45 lb，先進機型甚至要求開啟手柄力不超過35 lb。

操作手柄力是衡量艙門性能的一個重要指標，特別對于應急出口類艙門，手柄力不僅有峰值要求，為保證操作的舒適性，開啟艙門全過程的手柄力變化還應盡量平緩。為了滿足艙門的手柄力要求，除對提升機構進行適當優化以提高機構的傳動效率外，還需要設計艙門提升助力機構，對艙門的提升運動過程提供助力。

1 艙門提升助力機構

當前民用飛機艙門上常用的提升助力機構主要有兩種，分別為彈簧機構和扭力桿機構。

在波音和龐巴迪系列飛機中，彈簧助力機構有著較廣泛的應用。彈簧機構多采用機械壓縮彈簧的形式，彈簧一端壓緊在艙門結構上，一端壓緊在提升機構上，提升機構與打開機構相連或與口框結構配合，無論是哪種形式，提升機構的運動著力點最終都為口框結構，艙門均是通過拉、壓口框結構的方式實現相對口框向上提升運動。因此彈簧的另一端可以認為是通過提升機構壓緊在口框結構上。提升艙門過程中，彈簧逐漸解除壓縮，彈性勢能逐漸轉換為提升運動的動能，從而實現輔助提升艙門的功能。

扭力桿機構是選用扭力桿作為彈性勢能儲藏源和提升動力輸出源的機構。在空客系列飛機艙門中，扭力桿機構有著比較廣泛應用。扭力桿是指扭轉后儲存了一定變形的長桿，其一端通過可調連桿與艙門結構固定連接，一端與提升機構連接，其工作原理與彈簧助力機構類似，當艙門提升時，扭力桿結構逐漸轉動釋放扭矩，輔助艙門提升。

為保證艙門的安全性，避免艙門意外打開，在艙門完全關閉位置不允許承受可以驅動艙門打開的額外力。因此,提升助力機構在艙門完全關閉位置應不能提供使艙門有打開趨勢的載荷。為滿足上述設計要求，前艙門多采用機構過中心的設計方案，以實現提升驅動力在不同階段的方向轉換。對于彈簧助力機構，過中心機構多直接設計于彈簧機構上，對于扭力桿助力機構，過中心機構多設計于提升機構中，如A320登機門，為滿足艙門機構的運動時序，提升機構處設計了兩套過中心四桿機構，上述機構還可以起到扭力桿機構的輸出助力方向轉化的功能。

艙門典型的帶有過中心特性的彈簧提升助力機構如圖1所示。彈簧機構作為艙門的提升助力機構，在艙門關閉狀態，助力機構將艙門手柄壓緊在關閉位置，在操縱手柄提升艙門時，利用機構的過中心特性，手柄驅動曲柄轉動越過中心位置，改變助力彈簧的驅動力矩方向，從而實現在不同運動時段的不同驅動力方向要求。

圖1 典型艙門提升助力機構

提升助力機構應保證艙門在整個提升過程中手柄力變化平穩，運動全過程不產生較大的載荷突變，以提高操作舒適性。基于適航條例的要求，艙門設計有多套安全機構，機構之間存在安全監控關系，機構的安全監控功能要求機構的運動存在一定的時序。艙門的手柄開啟過程包括解除增壓預防機構、解鎖、解閂、提升四個步驟。為實現艙門的運動時序功能，并保證鎖機構在未完全解鎖狀態下，彈簧力可以將鎖機構壓緊在完全上鎖位，以提高艙門的安全性，提升助力機構在提升初始階段，往往剛完成過中心運動不久，機構的驅動力臂較小。在艙門初始提升時，為克服艙門的重力及慣性，需要較大的驅動載荷，而提升助力機構因運動角度的限制無法提供較大的驅動力矩，這導致該階段艙門手柄力較大，且整個運動行程內手柄力突變較嚴重。

圖2和圖3分別為某機型艙門提升初始階段提升助力機構的狀態和艙門提升運動過程中的手柄力情況。如圖2和圖3所示，艙門在初始提升階段，助力機構因運動角度限制，剛剛完成過中心運動，驅動力臂較小，助力機構輸出扭矩很小，而艙門的驅動力又要求較大，這導致手柄力在此區域產生較大突變，達到峰值210 N，不滿足本項目要求的“手柄力不超過150 N且全行程過渡平穩”的設計要求。

圖2 艙門初始提升階段提升助力機構位置

圖3 艙門提升全行程內手柄力

2 艙門新型提升助力機構

為了解決上述艙門提升初始階段手柄力過大、提升全過程手柄載荷突變嚴重的問題，對現有艙門提升助力機構進行了改進，設計了一套艙門分時驅動助力機構，該驅動機構在艙門關閉位置不起作用，以滿足艙門在完全關閉位置不承擔使艙門有打開趨勢載荷的設計要求。在艙門提升階段，該機構可以直接提供較大的驅動力矩，對艙門提升運動提供助力，實現了艙門提升過程的分段、精準助力。

某飛機艙門分時提升助力機構如圖4所示，助力的措施仍然選擇壓縮彈簧機構，但彈簧驅動曲柄與提升機構傳動軸不再采用固定連接的形式，而是采用鉸接連接設計。在彈簧驅動曲柄上鉸接連接有傳動搖臂，傳動搖臂上連接有滾輪，滾輪與凸輪及固定支座配合，凸輪與傳動軸固定連接,固定支座與艙門結構固定連接。

圖4 某機型艙門分時提升助力機構

在艙門完全關閉位置，壓縮彈簧通過彈簧驅動曲柄、傳動搖臂將滾輪壓緊在固定支座表面，彈簧力全部傳遞至艙門結構上，彈簧不起助力作用。

分時提升助力機構的開啟過程中機構構型見圖5。開啟艙門過程中，驅動手柄帶動傳動軸轉動，傳動軸帶動與其固定連接的凸輪轉動一定角度后，凸輪上的正向驅動銷與傳動搖臂上的正向擋件接觸，如圖5所示。正向驅動銷撥動正向擋件并帶動傳動搖臂轉動，傳動搖臂上的滾輪脫離固定支座表面，并被彈簧壓緊至凸輪表面。此時繼續驅動手柄，滾輪在彈簧力的作用下始終壓緊在凸輪表面，彈簧驅動曲柄在壓縮彈簧的作用下，隨凸輪一起轉動，在這個過程中，彈簧通過凸輪驅動傳動軸運動，實現提升助力功能。

圖5 分時提升助力機構運動過程圖

關閉艙門過程中，驅動手柄軸帶動傳動軸轉動，傳動軸帶動凸輪轉動，凸輪通過與滾輪的配合，帶動傳動搖臂和彈簧驅動曲柄圍繞傳動軸轉動，直至傳動搖臂上的反向擋件與固定支座上的反向驅動銷接觸。反向驅動銷通過反向擋件驅動傳動搖臂轉動，傳動搖臂脫離凸輪、轉動并卡死在固定支座上。繼續轉動手柄，傳動軸帶動凸輪轉動，彈簧驅動曲柄保持在原位，壓縮彈簧不再起驅動作用。分時提升助力機構的關閉過程中機構構型如圖6所示。

圖6 分時提升助力機構運動過程圖

本套機構在艙門關閉位置，不提供使艙門有打開趨勢的載荷，在艙門提升運動的初期，手柄力突變最嚴重的行程區間內，可以直接提供較大的驅動力矩。采用本套機構后，艙門提升過程中的手柄力如圖7所示，經工程軟件計算，手柄力峰值由210 N降至135 N，且提升全行程內艙門手柄力變化更為平穩，操作性能改進明顯。不足之處是本機構會導致艙門的重量略有增加，本例中艙門增重約0.8 kg。

圖7 采用分時提升助力機構后的手柄力

3 結論

提升助力機構是民用飛機艙門上非常重要的機構，但對于手柄力要求較高的艙門，單純依靠提升助力機構的設計，可能難以滿足功能要求。

新型艙門提升助力機構依靠凸輪、搖臂等元件的聯合應用，可以實現針對不同運動區間驅動力要求的精準分時驅動助力，解決了原有機構艙門手柄力過大、手柄力突變劇烈的技術問題。在艙門完全關閉狀態，該機構不提供使艙門有打開趨勢的驅動力，降低了艙門意外打開的概率，提高了艙門的安全性。

分時提升助力機構傳動關系簡單，可以推廣應用到各種類型的艙門機構方案設計中，如半堵塞式非危險艙門中，為了避免艙門不安全增壓，也可以采用本機構作為艙門自動提升的驅動機構。