基于飞机刹车振动问题的研究

2013-02-18何永乐

装备制造技术 2013年1期

常飞，何永乐

（1.空军工程大学工程学院，陕西西安 7 10038；2.西安航空制动有限公司，陕西西安 710038）

飞机刹车振动是飞机起落架系统振动的主要原因之一。飞机刹车振动问题不仅给飞机乘员带来不适感，还可能造成起落架构件和刹车装置组件结构疲劳或损坏，如将碳盘键槽钢破坏。有时还会导致防滑刹车系统不能正常工作，使飞机刹车失效或地面差动刹车转弯困难。航空机轮在台架试验中，如果出现刹车振动现象，刹车力矩曲线往往呈现剧烈的变化，同时伴随异常声响现象，如尖叫声，沉闷轰鸣声。刹车振动现象不仅在过去和现在某些机种仍在使用的钢刹车上发生过，在近些年来越来越广泛使用的碳刹车上也出现了，例如波音757飞机碳刹车振动困扰飞机主体使用问题。飞机刹车振动研究严格的说是飞机起落架的动态特性研究，该系统包括三大项：起落架支柱、减震器及联件，机轮、轮胎和刹车装置，飞机防滑刹车控制系统。本文将重点研究航空机轮刹车振动的问题，通过刹车振动原因分析，提出解决刹车振动问题的途径和措施。

1 航空机轮刹车振动类型

飞机刹车振动研究在国外已有五十年的历程，文献[1~2]是比较早的专门综合研究报告和标准。在MIL-L-87139起落架标准中，报道了F101和F105飞机刹车振动相当严重，已导致起落架机构移位，并指出这些新问题的出现，是由于刹车盘片摩擦面相互作用及结构刚度不足引起的。

研究表明，飞机刹车振动的形成主要有：起落架跨步、啸叫、振鸣、回旋振动、动刹车盘摆线运动等几种模式。

（1）起落架跨步是指刹车引起的沿飞机纵向围绕支柱机体支撑点前后运动（摆动）。这种振动频率在5~20 Hz范围内。起落架偏转轮胎与跑道界的摩擦力或由于防滑刹车系统不匹配都会引起这种现象出现。

（2）啸叫是非螺旋部件相对于转轴的扭转振动，振动频率在50~100 Hz。刹车盘摩擦诱发刹车装置固定部分及安装架振动会引起啸叫，装配间隙不合适和结构刚度不足会使啸叫振动加剧。

（3）振鸣是指机轮转动部分相对于轮轴抵抗轮胎弹性力的扭转振动。振幅不高，振动频率在100~1 000 Hz范围内。

（4）回旋振动（涡动）指转动部件相对于静止部件的摆动运动，是轴向运动和扭转运动的耦合振动。这种振型由于摩擦引起，刹车盘的偏磨和不对称的刹车力会加剧刹车振动。振幅较高，振动频率在100~400 Hz内。

（5）动刹车盘摆线运动是指与刹车盘的振动耦合的径向和回转运动。

2 航空机轮振动原因分析

在刹车过程中，振动总是不可避免的一种物理现象，不过在工程领域，这种振动是可以接受的，表现为刹车力矩曲线比较平稳，或者刹车力矩曲线虽有振荡，但很快趋于收敛，对刹车装置零件和相联的液压管路不会引起寿命期内损坏。但是，如果刹车振动超过这个范围，则是一种故障。因为从声响上看，噪音加剧；从结构完整性上看，往往导致零件过早损坏。刹车振动曲线如图1所示，图中标记的为过度振动的地方。

图1 机轮刹车振动曲线

盘式刹车装置主要由动作机构（汽缸座）、摩擦组件（刹车盘组和热摩件）和支撑构架（刹车壳体）组成。组成如图2所示。

图2 刹车装置组成图

在刹车工作过程中，液压油压力推动汽缸座活塞伸出，通过压紧盘将随机轮转动并可沿机轮导轨（轴向）移动的动盘，和仅能沿刹车转体花键（轴向）移动的静盘压紧在一起，动盘和静盘对偶间的相互作用产生摩擦力，形成刹车力矩，使飞机减速和制动。当刹车盘摩擦力振荡使刹车力矩出现波时，就会产生振动。振动的程度取决于振动的形式、频率以及振幅。当相关部件发生共振时，将出现过度振动。航空机轮过度振动的振源为刹车装置。刹车盘的轴向振动和径向振动同时存在。刹车时轴向振动导致刹车力矩振动，径向振动引起试验台架振动，二者相互影响，使振动程度加剧。

刹车振动总由刹车盘的摩擦引起的。刹车盘偏磨和不对称，刹车压力的作用会加剧刹车振动。汽缸座、刹车壳体的刚度和结构阻尼特性对振动的不稳定性起这促进作用，不合理的匹配引起定位不稳定，导致振动加剧。

3 解决刹车振动的途径和措施

解决刹车振动问题是一个复杂的综合问题，直至当前，国外仍在进行研究，从大的方面讲：一是，要求刹车盘摩擦材料都要具备优良的摩擦稳定性，摩擦系数在各种条件下变化小，从根本上消除或尽量避免摩擦诱发的振动；二是，在结构设计上进行改进，增加机械系统阻尼，避开系统共振点。解决刹车振动的方法具体如下：

（1）改进刹车材料摩擦特性。碳刹车由于使用了碳-碳复合材料刹车盘，具有了质量轻，耐磨强，承载高等优点，但由于其压力-力矩响应敏感，压力-变形呈非线性，摩擦系数变化宽等，容易引起刹车振动。因此，应从碳盘预制体构造，CVD/CVI增密工艺、高温热处理（石墨化）等方面改进工艺，保证碳盘具有良好的摩擦特性。

（2）采用某种构型的刹车盘结构。在摩擦材料特性一定的情况下，改变刹车盘的几何形状，也会预防振动问题。试验表明，在刹车盘表面的布置适当的沟槽，有利于刹车盘摩擦系数的稳定，可以解决刹车振动问题。钢刹车盘正常为小块式结构，摩擦面自然形成沟槽，便于排屑、散热，因而刹车振动问题出现少。

（3）改进刹车壳体结构设计。物体固有频率与质量成反比，质量增加可以减少频率，同样降低质量可以增加频率。因此，可通过改变刹车壳体质量来避开共振点，一般采用增加质量的措施。因为降低质量会带来静强度、变形等不能满足设计要求的问题。改变刹车壳体固有频率的另一个有效措施是采取不对称结构，如采用13个或15个花键，而不是采用偶数花键布置。

（4）增加液压阻尼。给汽缸座活塞之间的油路安装节流器，限制了刹车压力的变化速率。对解决刹车振动问题有明显的作用，波音-757飞机刹车装置已经成功应用。

（5）采用减振垫。碳刹车正常为单片（一体式）结构，为了解决刹车振动问题，在设计上将单片结构一分为二，在这两片之间放一片较重的盘，即减振垫，使刹车时刹车压力上升速率较缓，系统阻尼增大。波音-747碳刹车机轮，动盘采用二合一技术，中间增加缓冲材料；波音-757机轮，静盘采用减振垫结构设计。刹车盘增加垫片后各刹车过程进行了ABAQUS仿真，分别记录了轴端、汽缸座和扭臂的加速度、位移随时间变化的值，并与改进前的试验结果进行了对比。加垫圈前后轴端加速度和轴端位移、气缸座加速度和位移的对比，如图3所示。

图3 加垫圈前后对比图

（6）增加外部阻尼系统。如果从刹车装置本身设计尚不能有效解决刹车振动问题，可考虑采用外部阻尼系统。在刹车装置外部，增加质量阻尼系统，在汽缸座上连接阻尼器，已达到消除振动问题，但增加系统总质量和复杂性，通常是不得已而为之的办法。

解决刹车振动问题往往是多项措施并举。例如，波音-757飞机碳刹车采用刹车壳体斜盘安装、汽缸座油路节流器等措施。解决了台架试验刹车振动问题，还需要产品装机试验考核，这主要是整个系统的阻尼，使用条件不尽相同。

4 刹车振动研究展望

研究飞机刹车振动问题具有现实意义。当前和今后研究的重点，一是，振动机理的继续深入研究，一般振动分析在理论上提出4～6个机理，包括粘滑机理，负阻尼机理等。研究手段将来采取有限元瞬态分析、非线性、第三体摩擦等，这些是研究的主要内要；二是，研究振动测试技术。航空机轮通常采用多盘式结构，而不像汽车制动器为单盘式（即钳式）结构，因而传感器的设计布置、测振仪器和振动分析技术是研究的重点；三是，建立航空机轮振动设计检测评价标准。

正如前面所述，刹车振动涉及整个起落架和刹车防滑系统，因此，刹车振动研究将是多系统研究。