小型飞机起落架收放机电作动器研究与开发

申健 刘从灵 冮庆庸

摘 要：近些年来，越来越多的全电动的或者电动飞机的发展成为飞机航空系统研究领域的新潮流和最大趋势。对于更多的电动或全电动飞机，大多数的电力用户将被电机驱动。这将大幅的降低系统的空间、物流、功耗、复杂性和操作与生产成本。并且有很多的实验证明，重量的减轻这一目的可以实现。取代传统的液压收放系统，实现小型飞机的全电动控制，该机电作动筒具有收放、到位时无电锁定、放下位置承受较大航向的侧向地面载荷的功能，没有了液压油的重量，也没有了液压油箱的庞大体积，从而减轻的重量与占用体积，缩小了成本。

关键词：小型飞机；机电作动器；起落架

中图分类号：V226 文献标志码：A

1 绪论

目前，飞机的起落架收放系统一般以液压系统作为主要的驱动源，以冷气、电力作为备用驱动源。随着多电飞机功率电传（PBW）技术的不断发展，功率电传作动器在一些先进飞机上已被采用，[1]取代传统的液压和气压管路传输功率的功率电传[2]功率方式应用已越来越多。小型飞机众多系统中除了起落架系统收放系统采用液压驱动之外，其他系统都已采用电力控制。飞机为了起落架收放系统需要特意配置一部液压系统来驱动，这不仅仅大大增加了机身重量，还占用了很多空间，并且增加了制造与维修成本。所以，起落架系统收放系统实现全电控制是一个很大的突破口，显得非常必要。

我主要研究电动起落架的机构设计，取代传统的液压收放系统，实现小型飞机的全电动控制，该起落架具有收放、到位时无电锁定功能，最终除去了液压油的重量，也除去了液压油箱的庞大体积，从而减轻的重量与占用体积，同时缩小了生产成本与维修成本。

2 CATIA三维建模

电动起落架由竖杆，连杆机构1，连杆机构2和机电作动筒组成。上端竖杆右侧有凸台带有铰接口从而达到起落架支柱的收起与放下。起落架连杆机构1是一个V形的构件，三端均有孔。杆机构2是一根两端开孔长棒。根据在网上寻找的起落架方案和相关书籍，总结出起落架的锁死特性。结合机械设计基础课本的知识，经过不断地调试与改进，最終设计出起落架机构的草图。草图设计好之后，要对起落架的各部件进行建模。根据设计的各部件外形和尺寸要求，利用CATIA建模软件对起落架的各部件进行三维建模。

3 静力学分析

上一步，我们已经运用CATIA软件对起落架各部件以及整体进行了三维建模，可以将三维图导入ABAQUS软件进行静力学有限元分析。我们分收上位和放下位两个位置进行静力学分析。在收上位时整体分析，在放下位时分为竖杆和连杆机构两部分进行分析。

由收起位起落架的应力云图和应变云图可知，收上位时起落架连杆机构受力要比竖杆大得多，连杆机构的受力大小从大到小依次是孔内壁，孔周围区域，其他部位。越靠近孔部分的连杆机构区域受力越大。这是符合实际的情况的，因为起落架在收上位时，竖杆几乎不受外载荷，只有铰接部位受连杆机构的拉扯。连杆机构一样只有孔部受力较大，其他部位受力比较均匀缓和。因此，铰接部位需要加固，孔与连杆机构外缘的间距不能太小。由放下位起落架竖杆的应力云图和应变云图可知，起落架受力最大的是下边杆靠近上边套筒的区域，当起落架落地时受到向上的反作用力与侧向力，会产生压杆效应。因此在套筒侧向加以斜支撑杆来加强。

4 运动学分析

在进行完起落架静力学分析之后，要对起落架机构进行运动学分析，确保起落架在运作期间不会发生碰撞和摩擦的情况。通过运动仿真，发现设计好的机构可以顺利地进行运作，不会中途发生碰撞、卡死或者摩擦的现象。说明初期设计的连杆机构方案包括尺寸，外形是可行的。

在这里，还需要运用CATIA软件对起落架上死点与下死点的锁定功能进行检验。首先我们的起落架具有了无电锁死功能，运用了机械设计原理中的两杆重合，压力角为零的原理，当起落架在收上位和放下位的时候，连杆机构1与连杆机构2轴线重合，从而达到压力角为零，使得机构不会再发生转动，从而使起落架达到无电锁死状态，即使无电，也可以保持一定位置不变。

上一节的仿真运作仅仅是运动学分析的一部分，这一节将要对在运作期间的起落架的各部件的物理参数进行监控。由图可知各部件速度变化比较缓，因此符合起落架运作平缓的要求。

5 验证平台及试验验证

根据上述原理进行了样机设计，并制造验证平台。按照试验任务书要求进行了起落架收放联试。按照试验任务书要求进行了起落架收放联试、静强度刚度试验、收放耐久性试验，试验结果均满足要求。

6 结论和展望

本文主要的研究成果有：

（1）利用CATIA建模软件绘制出了电动起落架的三维模型，对构件和支柱的尺寸进行调整，使得起落架可以完成正确和理想的运作，设计收上位和放下位的锁定方式，使电动起落架在收上位和放下位实现无电锁定。

（2）将利用CATIA建模软件绘制出所需要分析结构的三维模型，导入ABAQUS有限元分析软件，对构件和支柱进行静力学分析，分析其受力区域强弱，对比分析结果，得到了具有最安全最可靠的机构设计方式。

（3）利用ADAMS软件对电动起落架再次进行三维建模，并对其进行运动学分析，确保在起落架运作过程中不会发生碰撞和摩擦。同时对构件和支柱的速度、加速度等一些参数进行监控。

（4）在理论正确的基础上，进行验证平台的开发，使得起落架可以达到收上位和放下位两个位置，最后进行了验证试验。

对起落架强度的分析是非常困难而且又非常复杂的理论和工作问题。需要经过更多更深入的理论研究和试验不断的测试才能慢慢地得到逐步完善。总体来说，继续完善该款电动起落架不仅需要对设计、建模、静力学分析、加工制作进行进一步进行优化，还需要不断在现有的成果基础上添加其他方面的能力和功能，使其变得更加产业化、商业化，变成具有一定市场价值的产品。

参考文献：

[1]于黎明.全电飞机的技术改进及其发展状况[J].飞机设计，1999（03）：3-5，22.

[2]Alan Brown.Actuator research complete[J].NASA the DrydenX-Press，V0l.41，Issue 1，January 15，1999.

基金项目：中国民航大学航空工程创新创业实验基地资助（项目编号：201610059048）

作者简介：申健（1997-），男，研究方向：飞机起落架结构。