直升机滑动舱门滑轨设计研究

席佳胜

（中航工业直升机设计研究所，江西 景德镇 333001）

直升机舱门的典型形式包括铰链门、滑动舱门。相对于铰链门，滑动舱门具有开度大、开启后占用外部空间小等优点，大量运用于运输类和通用型直升机。从结构形式上，滑动舱门可分为外挂式和内嵌式2 种。其中，外挂式滑动舱门一般使用布置在机身外侧的直滑轨，结构比较简单，但对整机的气动性能有影响；而内嵌式滑动舱门需要在机身上布置弯曲型滑轨，内嵌的舱门不会影响整机的气动性能，但对机身内的结构布置有较大的影响。

内嵌式滑动舱门主要由舱门、滑轮组件、滑点摇臂、滑轨组成。舱门的开启与关闭依靠滑轮在滑轨上的滚动实现。通常情况下，轻型直升机的滑动舱门使用3 根滑轨，而重型直升机的滑动舱门因为整体尺寸较大使用4 根滑轨。对于3滑轨内嵌式滑动舱门，大部分以位置较低的两根滑轨为主承力滑轨。其中，主承力滑轨既用以提供横向约束又可支撑舱门重量称为主滑轨，另一根滑轨仅对舱门提供一个横向约束称为次滑轨。相应地，对于四滑轨内嵌式滑动舱门，上部2根滑轨或下部2 根滑轨均可作为主滑轨，其余2 根滑轨作为次滑轨。

1 滑动舱门滑轨设计

内嵌式滑动舱门开发的主要难点之一是舱门的运动轨迹设计。滑动舱门在关闭状态需要嵌入机身，运动轨迹比较复杂；较多的运动附件和复杂的运动关系，很容易发生运动卡滞等干涉问题。目前国内内嵌式滑动舱门的滑轨设计缺乏明确的设计规范和高效设计方法，主要依靠经验。

1.1 滑动舱门主滑轨设计

内嵌式滑动舱门开启的运动顺序：舱门先向外后侧平移，待舱门移出机身后再向后平移打开，直至达到所需的开度。关闭运动顺序相反。舱门运动过程中，滑轨前端与航向之间的夹角可以实现舱门的内嵌，滑轨后端与机身侧围保持贴合延展直至达到舱门运动的开度要求。据此，每根滑轨都可以分为两部分：内嵌部分和贴合延伸部分。以某型内嵌式四滑轨滑动舱门为例，如图1 中所示（图1（b）为图1（a）对应的俯视图）。滑动舱门上部的前、后两个滑轨分别为UF与UB，下部前、后两个滑轨分别为DF 与DB，UF 与UB 为主滑轨。角a 为UB 滑轨前端与航向之间内倾夹角，Ay 为UB 滑轨前端起点距后端的y 向距离；角b 为UF 滑轨前端与航向的内倾夹角，By 为UF 滑轨前端起点距后端的y 向距离。

图1 某型滑动舱门

内嵌式滑动舱门滑轨设计的基础是确定前端内倾夹角(a、b)和y 向距离(Ay、By)。内倾夹角a、b 越小，滑轨过渡段越平缓，舱门运动时越稳定。其中，后滑轨内倾角a 需大于前滑轨的内倾角b，以保证舱门开启时后部先滑出机身；而滑轨前端起点距后端的y 向距离Ay、By 由舱门的厚度及开启后舱门与机身的间隙确定。滑轨轨迹设计过程中，当与造型、机身结构和运动间隙相关的两根主滑轨的轨迹曲线确定后，其他两根次滑轨的轨迹线即可唯一确定。

滑轨UB 的内倾夹角b 越小，舱门在滑过拐角时越平稳。在By 为某一定值情况下，内倾夹角b 越大则滑轨内嵌部分越长，相应地，舱门的内嵌行程也会越大。但是，舱门内嵌行程的增加会加剧其对机身结构布置的影响。通常，滑轨内嵌部分的长度不超过滑轨总长的1/5。

在大于内倾夹角b 且小于90°的情况下，内倾夹角a的增大更有利于舱门的快速打开。但是，内倾角a 的增大又会导致舱门开启力的增加，为保证舱门的正常开启，舱门开启力F 沿后滑轨切向的分力F1需克服舱门的摩擦力f，如图1（b）所示。即：

式中：G 为滑动舱门系统的重量；F 的大小通过人机工程设计准则获得。

1.2 滑动舱门次滑轨设计

通过舱门的运动学分析可以对两根次滑轨的轨迹线进行设计。在两个主滑轨的轨迹和滑轮组件旋转中心被确定后，舱门上任意一点的运动轨迹都是唯一确定的。假设舱门为理想刚体，在舱门运动过程中将其上所有点投影到某一主滑轨平面上，根据其对滑轮组件各自旋转中心的约束建立运动学方程，进而可确定两根次滑轨轨迹和舱门任意一点的运动投影轨迹。

在CATIA 软件中，DMU 运动模块可用来辅助设计两根次滑轨。首先在软件中建立舱门、滑轮组件与滑轨之间的运动副，然后通过运动仿真模拟滑门的开启，就可以扫掠出次滑轨的轨迹线。

2 滑动舱门的动力学仿真及优化

滑动舱门作为直升机的主要活动部件之一，滑动平顺性是其运动性能的重要指标。理想的滑动舱门运动过程为所有滑轮在滑轨上只做纯滚动，不存在由于相对平动而产生的摩擦异响和振动。然而实际上，滑轮与滑轨会不可避免地出现相对平动而影响到舱门的滑动平顺性。

利用多体动力学软件LMS Virtual.Lab 对滑动舱门进行动力学仿真，分析滑轮组件的承载能力和各个滑轮的受力状况，同时可得到极端工况和粗暴操作下各运动部件的动态载荷。这样在生产试验前，可以对滑动舱门的滑动性能做出有效的评估。

滑动舱门的滑动性能和操作平顺性可以通过各个滑轮在导轨中的受力大小和方向变化来评估。仿真过程中，滑轮组件中的侧滑轮的Y 方向力（侧向力）和垂向轮的Z 方向力（垂向力）是主要分析对象。通常在导轨弯道位置，滑轮受力的大小和方向容易突变，引起较大的振动和异响。

根据仿真分析可以对滑动舱门运动系统进行优化以提高其平顺性，主要包括对滑轨和滑轮组的优化。其中，优化滑轨即改善过渡段形状，平缓的过渡圆角更有利于舱门滑动平顺；优化滑轮组即优化侧滑轮、垂向轮的组合和排布方式。

3 结语

通过对国内外直升机滑动舱门的结构形式进行对比总结，针对滑轨轨迹的设计要点进行分析，结合某型直升机滑动舱门滑轨的设计过程，提出了一种内嵌式滑动舱门滑轨的设计方法，提高了滑动舱门移动系统的设计效率和精度。

在设计阶段，直升机滑动舱门的平顺性可以通过多体动力学软件LMS Virtual.Lab 进行仿真评估，并且根据仿真结果进行优化。设计阶段的动力学优化，不仅改善了滑动舱门的滑动性能，并且对提高滑动舱门移动系统的可靠性具有重要意义。