民用飞机高升力系统旋转作动器力矩限制机构研究

徐向荣

(上海飞机设计研究院飞控部，上海 200232)

旋转作动器是高升力系统的操纵执行部件，其内部零件承受载荷能力是一定的。当高升力系统出现卡阻时(旋转作动器卡阻)，动力驱动装置(PDU)的输出扭矩在其打滑之前会不断增大，作动器内部零件承受载荷也随之不断增大。如果没有有效的途径来限制不断增大的载荷，作动器就会损坏，飞机不得不更换作动器，从而增加了成本。因此，为了保护作动器，作动器内部应该有一个装置来限制其承受的扭矩。

安装在旋转作动器上的力矩限制机构的主要作用就是保护旋转作动器的行星减速机构和作动器输出端的机体结构，保证旋转作动器不输出大的载荷。当旋转作动器输入载荷过大时，力矩限制机构能够产生相应的摩擦力矩抵消掉过大的输入载荷。

1 基本原理

1.1 力矩限制的实现

旋转作动器的结构原理如图1所示。

扭矩限制机构的基本工作原理如图2所示，在正常操纵情况下，有预载的盘状弹簧11与扭矩限制器弹簧5之间的平衡保证了动摩擦盘与静摩擦盘9表面之间有一定的间隙，从而保证了作动器的正常运动。当过载情况(系统卡阻)发生时，作动器输入扭矩增加，当输入扭矩超过扭矩限制装置设定的最小值(扭矩限制装置的设定值靠调节扭矩限制器弹簧的预压力而定)，扭矩限制器弹簧受压，滚珠10继续移动到输入盘2、输出盘3的第二个斜坡上，使得输入盘、输出盘间隙加大，从而减小动摩擦盘与静摩擦盘表面之间的间隙。随着载荷的加大，动、静摩擦盘之间的间隙不断减少，直到为零，此时来自动力驱动装置的扭矩除部分通过输出轴6传到小齿轮外，其他扭矩通过静摩擦盘传到作动器壳体7再传到飞机结构上。PDU的扭矩继续增加到一定值后，动力驱动装置内部打滑，运动停止，襟缝翼计算机关闭系统，并发故障的告警信息。

图1 旋转作动器结构原理图

1.2 滚珠的运动

1.1 中提到，在力矩限制机构功能实现中需要通过扭矩限制器弹簧受压使滚珠移动到输入盘和输出盘的第二个斜坡上，因此滚珠的运动起到了关键的作用，在此将对其进行分析以研究其运动原理。力矩限制机构的输入盘、输出盘球窝形式完全相同，利用钢球在球窝中的运动实现传递力矩所需的轴向间隙，控制最大输出力矩，实现制动。

图2 扭矩限制机构原理图

钢球在球窝内处于力平衡状态，其受力如图3所示。轴向力用于抵消扭矩限制弹簧的弹簧力;而径向力则用于产生绕驱动轴的力矩，在制动后用于抵消摩擦盘的摩擦力。下面给出影响扭矩限制机构设计的重要影响参数，其中影响滚珠受力的各项参数尤其重要:球窝的升角 φ(°);钢球直径 d(mm);输入盘和输出盘的轴向间隙增加值s(mm);输入盘和输出盘的相对径向偏移量t(mm);传递力矩时钢球收到的沿输入盘(或者输出盘)旋转方向的切向力F(N);单个钢球承受的力矩T(N·m);球窝几何中心到输入盘旋转轴线的距离R(mm);钢球受到的轴向压力Fax(N);钢球对球道斜面的正压力N(N)。

图3 滚珠受力分析

设计扭矩限制器时理论上钢球的数量取大于3个，但是钢球数量一般选取3个，因为3个接触点确定1个平面，能保证每个钢球都与球窝接触，承受的正压力基本相同。如果取大于3个钢球，由于制造和装配的原因只能保证3个钢球接触，这就造成球窝受力不均，易发生故障。

2 结束语

由以上分析可以看出，扭矩限制机构在高升力系统旋转作动器的功能中起着至关重要的保护作用。对扭矩限制机构的选择以及扭矩限制值的确定应该根据载荷情况和作动器材料、运行环境等一系列复杂因素而定，同时也要结合旋转作动器的结构尺寸、质量等实际情况进行选用。