轮胎和缓冲支柱压力对摆振特性的影响

李彬，彭志军，崔阳，王昌银

（中航工业洪都，江西南昌 330024）

轮胎和缓冲支柱压力对摆振特性的影响

李彬，彭志军，崔阳，王昌银

（中航工业洪都，江西南昌 330024）

阐述了摆振分析的基本思路，分析了轮胎和缓冲支柱压力对摆振特性的影响，并结合某起落架计算比较了不同轮胎及缓冲支柱压力下的摆振特性。研究表明：当两者压力降低时，摆振临界阻尼均减小，有利于防摆；反之，摆振临界阻尼均增大，不利于防摆；但在两者压力变化的百分比相同的情况下，轮胎压力变化比缓冲支柱压力变化对摆振特性的影响更明显。

轮胎压力；缓冲支柱压力；前起落架；摆振特性

0 引言

当飞机在起飞或着陆滑跑时，前轮有时会发生一种偏离其中立位置的剧烈侧向摆动，一般将其称为飞机的前轮摆振。前轮摆振不仅会立即导致机身摇晃或局部部位的共振，影响飞行员的正常操纵，而且还可能会使减摆器拔杆、传动机构、壳体及其固定装置和起落架、机身结构的部分断裂，甚至引起飞机失事。由于上述严重后果的存在，促使世界各国积极开展摆振问题研究，众多知名学者对于摆振问题也作出了一些重要假设，并发表了一些重要的著述[1，2]。起落架在使用过程中，可能遇到轮胎漏气、缓冲支柱漏气等情况，轮胎和缓冲支柱压力也会因使用环境温度变化而变化。本文结合某型飞机前起落架（见图1）分析和比较了轮胎和缓冲支柱压力变化对摆振特性的影响。

图1 某型机前起落架结构简图

1 摆振方程组

机轮摆振简化理论[1,3]是分析前轮摆振经典理论，在简化理论中，所考虑的运动参数主要为：机轮摆动角θ、轮胎变形λ及φ。滚动轮胎的几何关系见图2，相

图2 滚动轮胎的几何关系图

应的动力学平衡方程和轮胎的约束条件为：

式中：V—飞机滑跑速度；I—摆动部分绕摆动轴的转动惯量；S—飞机滑跑路程；Ct—减摆器阻尼系数；a—轮胎侧向刚度；b—轮胎扭转刚度；λ—轮胎侧向变形；φ—轮胎扭转变形；α—轮胎侧向滚动系数；β—轮胎扭转滚动系数；Lt—稳定距。

将（1）式中的变量转化为对时间t求导，则（1）式可转换为：

2 摆振分析参数

某型飞机前起落架原始分析参数见表1。

计算时将地面载荷F分为4级：缓冲支柱刚要压缩时的载荷（Nqd）、着陆设计重量下前起落架停机载荷（Ntj）、1.5倍着陆设计重量下前起落架停机载荷（1.5Ntj）和2.0倍着陆设计重量下前起落架停机载荷（2.0Ntj）；速度V从5～80m/s分为16级。由表1中的数据和相关公式[2]可得各级载荷下摆振分析参数的值，见表2。

表1 某型飞机前起落架原始结构参数

表2 摆振分析参数值

3 摆振分析

摆振分析可分为摆振特性分析和摆振响应分析[3]，本文主要介绍摆振特性分析，通过改变轮胎压力和缓冲支柱压力，分析和比较了轮胎压力变化和缓冲支柱压力变化对摆振特性的影响。

3.1 摆振特性分析

从数学角度讲，摆振特性分析可归纳为一个常系数齐次线性微分方程组的稳定性分析，将（2）式进行变量代换，进行降阶处理，转化成状态空间方程为：

通过以上的推导，方程组解的稳定性问题可转化为系数矩阵[D]的复特征值分析问题。当系数矩阵[D]的所有复特征值实部均为负时，就得到特性参数的稳定区；只要当系数矩阵[D]的复特征值实部中有一个为正时，就得到特性参数的不稳定区；而当系数矩阵[D]的复特征值中至少有一对共轭特征值实部为零，而其它实部均小于零时，则为稳定临界状态，这时λi=σi+Ωij就为λi=Ωij，Ωi为对应的机轮摆振频率。根据表2中的摆振参数值，可计算出各级垂直载荷下对应不同滑跑速度V的摆振临界阻尼Ct和摆振频率f，计算结果见图3和图4。

由图3和图4可以看出，在每一级垂直载荷下，摆振临界阻尼Ct随滑跑速度V的增大呈先增后减的趋势，摆振频率f随滑跑速度V的增大呈增大趋势；在同一滑跑速度下，摆振临界阻尼Ct随垂直载荷F的增大呈减小趋势；摆振频率范围随着垂直载荷的增大而减小，且在某一速度下，各级垂直载荷下具有相同的摆振频率。

图3 摆振临界阻尼Ct随滑跑速度V变化曲线

图4 摆振频率f随滑跑速度V变化曲线

3.2 轮胎压力Pr对摆振特性的影响

为考察轮胎压力Pr对摆振特性的影响，在其它参数不变的情况下，将轮胎压力分为50%Pr，75%Pr，100%Pr，125%Pr，150%Pr五级，100%Pr状态下的计算结果已在第4.1节中得出，按同样的方法可以得到50%Pr，75%Pr，125%Pr和150%Pr状态下的计算结果。

计算结果表明，各级垂直载荷下不同轮胎压力对应的摆振临界阻尼Ct和摆振频率f随滑跑速度V变化趋势相同，在其它条件不变的情况下，摆振临界阻尼和摆振频率均随着轮胎压力降低而降低，最大阻尼对应的滑跑速度也在随着轮胎压力降低而降低，总的趋势为轮胎压力降低更有利于防摆。不同轮胎压力下的临界阻尼Ct和摆振频率f计算结果见图5和图6。

3.3 缓冲支柱压力P0对摆振特性的影响

为考察缓冲支柱压力P0对摆振特性的影响，在其它参数不变的情况下，将缓冲支柱压力分为50% P0，75%P0，100%P0，125%P0和150%P0五级，100%P0状态下的计算结果已在第3.1节中给出，按同样的方法可以得到50%P0，75%P0，125%P0和150%P0状态下的计算结果。

计算结果表明，各级垂直载荷下不同缓冲支柱压力对应的摆振临界阻尼Ct随缓冲支柱压力降低而降低；摆振频率f随滑跑速度V变化，最大阻尼对应的滑跑速度随缓冲支柱压力的变化不明显。摆振频率范围随着垂直载荷的增大而减小，且在某一速度下，各级垂直载荷下具有相同的摆振频率，总的趋势为缓冲支柱压力降低更有利于防摆。不同缓冲支柱压力下的临界阻尼Ct和摆振频率f计算结果见图7和图8。

图5 不同轮胎压力下摆振临界阻尼Ct

图6 不同轮胎压力下摆振频率f

图7 不同缓冲支柱压力下摆振临界阻尼Ct

图8 不同缓冲支柱压力下摆振频率f

3.4 轮胎压力Pr和缓冲支柱压力P0变化对摆振特性影响的比较

从以上分析结果可以看出，轮胎和缓冲支柱压力变化对摆振临界阻尼的影响既有相同点也有不同点，相同点为：两者对摆振临界阻尼影响的趋势相同，压力降低时，摆振临界阻尼减小，有利于防摆，压力升高时，摆振临界阻尼增大，不利于防摆；不同点为：两者对摆振临界阻尼影响的程度不同，在两者同样变化50%程度下，Pr对摆振临界阻尼的影响程度最大可达55%，而P0对摆振临界阻尼的影响程度只有20%左右，这说明轮胎压力变化比缓冲支柱压力变化对摆振临界阻尼的影响更明显。另外，轮胎和缓冲支柱压力变化对摆振频率的影响的趋势明显不同，轮胎压力降低时，摆振频率明显降低，呈单调趋势；缓冲支柱压力降低时，摆振频率几乎没有降低，而频率的范围在缩小。

4 结论

通过结合某型飞机前起落架，分析了轮胎和缓冲支柱压力变化对飞机前起落架摆振特性的影响，可以得出以下结论：

1）轮胎和缓冲支柱压力变化对摆振临界阻尼影响的趋势相同，压力降低时，摆振临界阻尼减小，有利于防摆，压力升高时，摆振临界阻尼增大，不利于防摆；

2）相同百分比压力变化下，轮胎压力变化比缓冲支柱压力变化对摆振特性影响更大；

3）轮胎和缓冲支柱压力变化对摆振频率影响的趋势不同，轮胎压力降低时，摆振频率明显降低，呈单调趋势；缓冲支柱压力降低时，摆振频率几乎没有降低，而频率的范围在缩小。

[1]刘锐琛，苏开鑫.飞机起落架强度设计指南.四川：四川科学出版社，1989.

[2]周进雄，诸德培.起落架结构参数对飞机机轮摆振频率特性的影响.强度与环境,1999.

[3]诸德培，等.摆振理论及防摆措施.国防工业出版社，1984,11.

>>>作者简介

李彬，男，1984年10月出生，2006年毕业于中北大学，工程师，现从事起落架缓冲性能及强度设计工作。

Effect of Tyreand Buffer Struton Shimmy Characteristics

LiBin，Peng Zhijun，CuiYang，Wang Changyin
(AVICHongdu Aviation Industry Croup,Nanchang,Jiangxi,330024)

The paper describes the basic thought of shimmy analysis,analyzes the effect of tyre and buffer strut on shimmy characteristics and compares the shimmy characteristics under different tyre and buffer strut pressure in combination of a kind of landing gear.The study shows thatwhen both pressure drops,the critical shimmy damping decreases,which is good to shimmy damping;on the contrary,the critical shimmy damping increases,which is bad to shimmy damping;however,in the case that the variation percentage of the pressure is the same,the pressure variation of the tyre hasanmore obviouseffecton the shimmy characteristics than thatofbuffer strutdoes.

tyre pressure;buffer strutpressure;nosegear;shimmy characteristics

2013-12-22)