一种机械操纵系统操纵器件运动角度分析

赵杰彦

摘  要：该文主要分析了一种机械式操纵系统的操纵器件运动角度与操纵力之间的关系，并且给出一种计算分析方法。机械式的操纵系统，飞行时飞机舵面所受气动载荷通过机械式系统直接传递给飞行员，往往操纵力大，对飞行员操纵强度要求高。为了降低操纵力及飞行员操纵强度，在舵面行程不变的情况下，增大操纵器件的运动行程是一种有效的方法，但操纵器件的行程受到人机工效的限制，不可能无限增大，所以操纵器件的运动行程和操纵力之间需要找到最佳的平衡点。

关键词：驾驶盘偏转;操纵力;副翼操纵系统

中图分类号：V227                    文献标志码：A

0 引言

该文以某型飞机的副翼操纵系统为例，采用理论分析、计算分析和CATIA软件建模分析相结合的方法，从原理及理论验证方面对机械式操纵系统的操纵器件运动角度与操纵力之间的关系进行了探讨和研究，分析了改进后的利弊，为副翼操纵系统的后续改进提供依据，为类似系统的改进工作提供一种思路和方法。

1 系統简介

该型飞机副翼操纵系统为机械式操纵系统，线系采用软-硬混合式结构。系统主要由驾驶盘、扇形盘、副翼立柱、钢索、拉杆等组成。从左、右驾驶盘引出的操纵线系为软式线系，即钢索线系，从两侧机翼引出的操纵线系为硬式线系，即拉杆线系。钢索线系和拉杆线系在飞行员地板下扇形盘部位汇合。具体如图1所示。

驾驶盘为副翼操纵系统的操纵器件，它将飞行员的作用力传递至副翼。飞行员通过操纵驾驶盘完成副翼偏转动作，副翼舵面所受气动载荷通过操纵系统反向传递至驾驶盘。钢索、拉杆、副翼立柱、扇形盘均为系统的传动部件。钢索、拉杆传递运动和力但不改变系统传动比。副翼立柱和扇形盘作为摇臂部件，不仅改变操纵线系的运动方向而且可以改变操纵线系的传动比。

2 问题说明

在GJB 35-85、GJB 185-86和美军标的相关规定中，对副翼操纵系统操纵器件工作行程和操纵力的要求为驾驶盘偏转范围不大于±90°，最大操纵力不大于180 N。而该型飞机驾驶盘左右偏转167°时副翼才能达到最大偏转角度，驾驶盘偏转角度超过规范要求值将近1倍。从人机工效的角度来说，驾驶盘转动角度在90°以内，属于飞行员操纵舒适区域。而超出该区域特别是接近180°时需要额外的操纵动作才能达到操纵要求，这就增加了飞行员的操纵强度，在某些姿态下也会引起飞行员操纵飞机的不适应性。

3 改进方案分析

针对此问题，拟减小驾驶盘的转动角度，但根据省力不省功的原理，减小驾驶盘的转动角度，操纵力则会相应增加，这就要求在两者之间找到一个合适的平衡点，以保证在驾驶盘转动行程减少的同时操纵力不会增加太多。

而要保证副翼的偏转角度，减少驾驶盘的转动行程，就意味着需要改变副翼操纵系统的传动系数，因此须考虑对副翼操纵系统中的某些传动部件进行改进。

从整个副翼操纵系统布局及机构组成来看，驾驶盘下部为软式钢索线系，机翼两侧为硬式拉杆线系，钢索线系和拉杆线系均不改变传动比，只负责力的传递。而驾驶盘转轴处用于与钢索线系连接的零部件受到驾驶舱及驾驶柱布局的影响无法更改。这样能够更改传动比的零部件就只剩摇臂组件，改变摇臂组件半径可以达到更改传动比的目的。

该型飞机副翼操作系统的摇臂组件主要包括扇形盘摇臂和副翼立柱摇臂2个部分，更改摇臂半径就是更改扇形盘摇臂半径和副翼立轴摇臂半径。而更改摇臂半径，从而增大传动系数又有2种途径，一种是减小各传动摇臂的输入半径，一种是增大传动摇臂的输出半径。为了保证最佳的改进效果，同时改变输入半径和输出半径的方法更有效。如果将驾驶盘行程减小到90°，那么操纵力增加太多，按照此原则并结合该型飞机副翼操纵系统工况特点和用户要求，拟将驾驶盘行程由167°改为140°，并将副翼操纵系统的传动系数的改变比拟定为△=1.19，副翼操纵系统需要改进的部件及改动量如下。

3.1 扇形盘摇臂输入和输出端

由于其输入端为缠绕钢索的扇形盘，缠绕半径缩小会加剧钢索磨损，此处钢索较易发生断丝情况，缠绕半径缩小会影响钢索使用寿命，因此不改变扇形盘半径，即输入端。按照扇形盘摇臂处的结构形式，将输出端摇臂半径由R140 mm改为R159 mm。

3.2 副翼立轴摇臂输入和输出端

按照副翼立轴摇臂结构形式，将输入端摇臂半径由R152 mm改为R145 mm，同时为保证自动驾驶仪舵机的传动，输出端摇臂半径保持不变。

按此方案改进后，副翼操纵系统的传动系数改变比为ΔK=1.19 mm，驾驶盘行程140°，满足改进目标要求。为验证此方案的运动平稳性，在CATIA软件中建立更改后的副翼操纵系统的数字模型，并进行运动模拟分析。通过运动模拟我们发现，改进后的副翼操作系统运动平稳，无卡滞、无死点，满足副翼操纵系统相关技术要求。

4 改进后影响分析

按照此方案改进后，飞行员操作副翼操作系统时工作的力度将增加，飞行员对杆力-杆位移的反馈感知将发生改变，同时传动部件的受力载荷也会发生一定的变化，所以有必要对这几个方面进行进一步的影响分析。

4.1 对飞行员操纵力的影响

在相同的舵面铰链力矩的情况下，改进后飞行员的操纵力将会增加16.2%。

由于该系统的操纵力已经偏大，为此，还需要采取措施将操纵力减轻到飞行员感到舒适的水平。这就需要通过其他方式来优化操纵力，考虑到飞机的副翼为内补偿式结构，一侧副翼的补偿面上有4组共12个内补偿孔，各孔的开度可以在“全关闭”“1/3开度”“2/3开度”和“全开”4种状态中调整。减小内补偿孔的开度可以减小副翼系统的操纵力。

4.2 对传动构件受力的影响

在舵面铰链力矩不变的情况下，系统中位于被更改传动部件前面的传动组件（包括传动拉杆、副翼操纵钢索和链条）的受力将会增加16.2%，其后的传动组件的受力不变。

操纵系统传动拉杆、摇臂、钢索、链条等传动组件是否留有足够的强度余量，能否满足改进后的使用要求，对零部件的疲劳性能的影响，还需要进一步论证。

4.3 对杆力-杆位移反馈感知的影响

在副翼偏转同样的角度时，驾驶盘的偏转角度将是改进前的84%，也就是说如果飞行员操纵驾驶盘转动与原来相同的角度，飞机的姿态会比原来改变的大，改变了飞机状态，这需要飞行员对原有的反馈感知做出相应的调整。

5 结论

综上所述，通过改变传动摇臂的半径来改变系统传动比，可以改变驾驶盘转动的最大偏角，但须考虑操纵力变大、传动零件强度以及疲劳寿命等问题。

参考文献

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