飞机前起落架转向机构的设计与分析

刘湘君， 吴林

（中航工业飞机起落架有限责任公司，长沙410200）

0 引言

飞机设计一般要求在给定等级（给定宽度）的机场跑道上有180°的转弯能力，对于大飞机，还要求在一定宽度的跑道内具有良好的机动能力。在飞机起飞和降落阶段，飞机的地面转弯运动可以通过差动刹车、改变发动机推力差或转动飞机前起落架来操纵。其中差动刹车一般用于后三点式飞机和轻型飞机，通过在左、右机轮上采用大小不同的刹车力使得左、右机轮转动的速度不同，实现飞机的转向要求，但差动刹车可使未经铺砌的跑道表面产生腐蚀，会导致机轮过热或机轮故障［1-2］。改变发动机压力差法现已极少使用，因为它在实际操作过程中不易控制。随着现代飞机使用对飞机的地面操纵技术要求日益提高，前起落架操纵因其可以改善刹车使用寿命、在抗侧风起降、在轮胎偶然爆胎事故中能纠正偏航等方面具有显著的优势，在现代飞机上得到了更广泛的应用。本文主要针对在飞机上装备的几种常见前起落架转向机构形式做简单介绍及分析，供飞机起落架相关设计人员参考。

1 起落架转弯角度的确定

在飞机设计过程中，当确定飞机转弯半径后，可确定前轮操纵角度。由图1可见，在前主轮距、主轮距确定的情况下，为满足飞机的转弯要求，飞机轴线离转动中心越近，需要的转角越大。当飞机在越狭窄跑道上转弯时，所需转角越大，在机构设计时，可用转向角度还应考虑施加力可大于所需力的情况，应对可用的转弯角度进行合理限制。在确定转角大小后，应根据安装与机构支持位置、机械、电器与液压之间的物理联系，结构间隙、刚度、阻尼等方面的具体要求，合理选择转向方式。

2 常见转向机构形式

在飞机的前轮转弯操纵机构中，比较常见的为作动筒驱动和齿轮驱动（含齿轮齿条驱动）两种类型，其中，作动筒式又可分为单作动筒式与双作动筒式。

图1

2.1 单作动筒式

单作动筒转弯机构的转弯角度通常小于±45°，Y8 系列飞机转弯机构采用单作动筒结构。常见的单作动筒转弯机构如图2所示。

图2

由于单作动筒转弯机构转弯角度较小，在地面牵引飞机时，若需要较大的牵引转弯角度时，则需要脱开起落架的转向部分，一般为脱开上下扭力臂（采用快卸销连接上、下扭力臂），可使前轮牵引较大角度转弯。在飞机放下起落架时，可使用前起外筒内中凸轮使起落架处于中立位置。当前轮接地时，接通轮载开关后才能开始地面操纵，此时缓冲支柱有一定压缩量 ，缓冲支柱内的对中凸轮已完全脱开，此时飞行员可转动驾驶操纵手轮，通过一系列机构运动可使操纵阀内柱塞运动，液压油进入作动筒相应腔，从而控制作动筒1伸缩运动带动旋转套筒4转动，经扭力臂传递给机轮，实现转弯。该种形式结构简单，但转弯角度受限制。

作动筒直接连接旋转套筒，旋转角度受到作动筒行程及空间限制，当需要较大旋转角度时，可使用作动筒加放大联动机构实现。如图3所示，作动筒1的伸缩运动传递给摇臂2，由摇臂带动连杆3推动转弯套筒运动,经扭力臂传递给机轮，实现转弯。

图3

2.2 双作动筒式

双作动筒形式的动力转弯角一般大于45°，波音公司系列飞机多采用双作动筒结构形式，国内客机ARJ21也采用双作动筒转弯机构，图4为一种客机的双作动筒形式的动力转弯装置。

图4

以液压为动力，使用两个线性位移作动筒，可用驾驶手轮来操纵。该前轮操纵机构的动力转弯角通常大于±70°。在前轮偏转期间，通过液压系统使左右转弯作动筒分别产生推拉力，通过起落架转弯套筒带动扭力臂偏转前轮。

图4（a）中，左右作动筒在补偿器压力作用下，提供向前直线运动时的减摆阻尼。转弯过程见图4，由中立位置向左转弯时，左转弯作动筒收缩产生拉力，右转弯作动筒伸长产生推力，带动转弯套筒向左旋转,见图4（b）。当前轮偏转角度达到一定角度时（波音737为33°）时，拉力作动筒活塞运动到极限位置，此后，利用转动接头偏转的几何关系，停止向拉力作动筒供压，该作动筒两腔皆通回油。此时右边的转弯作动筒继续伸长，推动转弯套筒继续左转，并带动左转弯作动筒过死点，仅靠推力作动筒可完成前轮在中立位置后的转弯驱动，见图4（c）。右转弯与左转弯时原理相同。

在整个转弯过程中，由于转弯角度较大，从中立位置向左或向右转动时，一个作动筒的运动是由收缩到伸长的过程，在过死点位置时，油路的换向通过换向阀来实现。该种结构形式两作动筒独立运动，使用维护方便，但液压系统中需要设置换向阀来实现油路换向，相对于其他系统较为复杂。

2.3 齿轮齿条式

大角度转弯的飞机通常选用双作动筒或齿轮齿条机构。空客系列飞机多采用齿轮齿条转弯机构，图5为某型客机齿轮齿条式前轮操纵机构图。

图5

该飞机动力转弯角为±75°，牵引转弯角度±95°。前轮偏转时，由转弯控制阀传来的高压油推动齿条做直线运动，齿条推动与其配合的齿轮偏转来实现前轮转弯。图6为某种飞机齿轮齿条式转向机构在运动到不同位置时的示意图。

图6

齿轮齿条这种转弯机构的牵引转弯角度可以大于动力转弯角度。牵引转弯时，当转弯角度大于动力转弯角度时齿轮与齿条不啮合，齿条到达极限位置后齿轮还可以在牵引作用下继续旋转，因此牵引时可不用脱开转向装置。这是作动筒式转弯机构不易实现的。

不足的一面是全部转向力矩只作用在少数的轮齿上，为保证齿的强度，所需结构尺寸会增大，对空间的要求相对增高。

3 结论

飞机前轮操纵系统从最初的纯机械式操纵系统到机械-液压式操纵系统，发展成电传操纵系统，到如今以数字式电传操纵系统为主，其操纵形式一直在向智能化方向发展。但转向机构的具体结构形式仍以本文介绍的作动筒式与齿轮传动（齿轮齿条）几种典型方式为主，本文对这几种前轮转向机构原理进行介绍与分析，供起落架设计者在工作中参考应用，有一定指导意义。

［1］［美］柯里.飞机起落架设计原理和实践［M］.方宝瑞，郑作棣，译.北京：航空工业出版社，1990：165.

［2］ 飞机设计手册总编委会.飞机设计手册：第14卷［M］.北京：航空工业出版社，2002：329-366.