无人机刚柔耦合前轮转弯操纵机构设计与仿真分析

何满，黎园亮，朱晓宁

（中航飞机起落架有限责任公司，长沙 410200）

0 引言

起落架是飞机起飞着陆的关键部件，起落架前轮转弯机构的性能直接影响到飞机的安全。随着对起落架转弯操纵技术需求的不断提高，其操纵技术也不断向前发展，从早期的机械式转弯操纵系统、机械-液压式转弯操纵系统发展到现代的电传式转弯操纵机构[1]。另外由于飞机滑跑过程中会发生摆振，前起落架还需具备有减摆系统。起落架的转弯和摆振，前者为主动操纵系统，后者为被动阻尼系统，两者的切换需要一套较复杂的转换机构。传统的起落架前轮转弯机构采用液压作动筒，有双作动筒和单作动筒转弯，以单作动筒转弯机为例，其工作原理为：利用转弯作动筒的往复运动实现转弯操纵，需另安装一电磁阀实现减摆。带减摆功能的电磁阀的工作原理为：转弯时，对转弯作动筒左右两个腔进行通压，利用左右腔压差实现前起落架的转弯。在不转弯的情况下，电磁阀处于中立位置，该腔与转弯作动筒形成一个闭环系统，在飞机滑跑的过程中，通过中间减摆腔中阻尼阀上的阻尼孔，对转弯作动筒进行减摆，从而实现前起落架的减摆功能[2]。该结构的缺点在于：由于电磁阀安装位置往往位于机身上，距离转弯作动筒较远，管路较长，导致减摆的灵敏度较低，且转弯控制阀的结构复杂、体积较大，很大程度上限制了起落架的性能、质量等要求，对空间较小的无人机不利。因此设计一种减摆性能好、结构紧凑的转弯机构，对起落架整体设计具有积极意义。

针对上述问题，本文构建了一种电传式刚柔耦合四连杆转弯操纵机构的模型，对其工作原理进行了分析。并在此基础上建立了它的仿真模型，给出了一种其传动比的分析方法。

1 刚柔耦合四连杆转弯操纵机构设计

四连杆机构是连杆机构的基础，它结构简单，承载能力大，能实现多种运动轨迹曲线和运动规律，因而广泛应用于工程实践中。本文提出了一种起落架刚柔耦合四连杆转弯操纵机构模型，包括水平布置的摇臂和减摆器、通过支架安装在起落架的支柱外筒一侧的转弯驱动舵机，以及套设于起落架的支柱外筒上且可相对支柱外筒旋转的转弯套筒，转弯套筒的外圆周上设有安装支架；转弯驱动舵机具有竖向布置的输出轴，输出轴与摇臂的一端固连，摇臂的另一端与减摆器的一端铰接，减摆器的另一端与转弯套筒上的安装支架铰接，转弯套筒与起落架的防扭臂固连；转弯驱动舵机旋转时可带动摇臂和减摆器摆动，摇臂和减摆器摆动以驱动转弯套筒绕支柱外筒旋转，转弯套筒绕支柱外筒旋转以驱使防扭臂带动前轮转弯。四连杆转弯机构模型如图1所示。

2 刚柔耦合四连杆转弯操纵机构工作原理

图1所示四连杆机构，舵机输出轴中心到支柱外筒中心的距离构成四连杆机构机架杆长，摇臂两端连接中心孔间的距离构成第一连架杆杆长，减摆器可以左右摆动一个微小距离，减摆器构成四连杆中的气动连杆，转弯套筒与减摆器的连接中心到支柱外筒的中心距离构成第二连架杆杆长。飞机转弯时，给舵机输入一个转弯角度，舵机输出轴的运动启动四连杆机构，四连杆机构带动转弯套筒绕支柱外筒旋转，转弯套筒通过上下防扭臂将运动传递到轮叉上，轮叉转动带动起落架支柱活塞杆在支柱外筒内部旋转，从而固定在轮叉上的前轮实现转弯操纵。飞机前轮左转弯如图2（a）所示，回中如图2（b）所示，右转如图2（c）所示。

图1 四连杆转弯机构模型

图2 转弯操纵示意图

减摆器作为四连杆机构中的气动连杆，当飞机前轮转弯操纵时充当刚性连杆，当飞机直线滑行时，充当阻尼器作为柔性连杆能有效避免机体发生摆振，刚柔耦合，集转弯减摆为一体，结构简单，构型紧凑。减摆器工作原理如下文所述。

2.1 减摆器

减摆器结构简图如图3所示，减摆器的A腔体和B腔体通过充气孔充有设定压力的高压气体，设定气体压力的值应能平衡起落架最大转弯力矩，C腔体为正常大气压力。当减摆器的活塞杆耳环接头受到向右的拉力，并且该力不足以克服B腔体气体的压力，此时活塞杆处于中立位置不移动，整个减摆装置相当于一个刚性连杆；如果该力较大，可以克服B腔体内的压力，活塞杆向右移动，E腔体的油液通过阻尼孔进入D腔体，减摆装置作阻尼器使用。如果这个外力是一个向左的压力，并且该力不足以克服气体弹簧内A腔体内的压力时，此时活塞杆不会移动，此时减摆装置作刚性连杆使用；当该力可以克服A腔体内的压力时，活塞杆带动活塞向左移动，阻尼器内的油液从D腔体窜入E腔体，减摆装置作阻尼器使用。

图3 减摆器结构简图

减摆器作为刚柔耦合连杆，当起落架转弯操纵时，减摆器内部高压气体将减摆器保持在中立位置。此时，减摆器作为转弯四连杆机构中的一个刚性连杆。起落架在地面直线滑跑时，机轮轮胎受到的冲击载荷迫使起落架左右摆振，当冲击载荷传递到减摆器上，强大的冲击载荷将减摆器压缩或拉伸，迫使减摆器一腔体中油液通过活塞中阻尼孔流入另一腔体，从而将冲击能量在一定周期内耗散掉，实现起落架减摆阻尼，此时减摆器为柔性连杆。下文将具体研究减摆器充当刚性连杆时转弯机构的传动比。

3 刚柔耦合四连杆转弯操纵机构仿真分析

在平面四连杆机构中，曲柄摇杆机构和双曲柄机构是最常用的两种。根据前轮转弯机构的实际应用，本文中四连杆转弯操纵机构选取曲柄摇杆机构进行分析，四连杆转弯操纵机构如图4所示，ABCD为曲柄摇杆机构，AB（支柱外筒）为机架，BC（摇臂）曲柄为输入构件，CD（阻尼器/减摆器）为连杆，AD（转弯套筒）摇杆为输出构件。

图4 四连杆运动机构简图

当曲柄处于BC时，四连杆机构中曲柄存在的条件为：1）BC+CD≤AD+AB；2）BC+AD≤AB+CD。

曲柄摇杆机构的成立的条件为：1）最长杆和最短杆之和不大于其余两杆之和；2）最短杆为曲柄。

根据上述机械原理的应用[3]，选取：AB=94 mm; BC =35 mm；CD=119 mm；AD=82 mm。

传动比是连杆机构最基本的性能参数，对于四杆机构而言，其传动比大小不是固定不变的，而是在一定数值范围内波动。掌握四连杆机构传动比的数值波动范围，可根据原动件的运动规律，求出从动件的运动规律。本文在CATIA环境下对机构进行运动仿真，给原动件一个驱动角度，得到从动件的输出角度，从而求出传动比的数值波动范围。

在CATIA的DMU运动机构环境中，建立4个link分别为AB（支柱外筒）、BC（摇臂）、CD（阻尼器/减摆器）、AD（转弯套筒）及4个REVOLUTE JOIN：J001～ J004均为旋转副，J001有一个常数驱动即舵机输出轴旋转，其输入角度范围为-30°～30°。建立模型仿真机制后，启动机制，激活传感器，监测J004的输出角度，机构仿真界面如图5所示。

图5 四连杆运动机构仿真界面

图6 转弯机构传动比与转弯角度关系曲线

4 结论

本文构建了一种刚柔耦合四连杆转弯机构，在四连杆机构中集成了刚柔耦合连杆，实现了转弯、减摆一体化功能，分析了其工作原理，并通过CATIA软件对刚性四连杆机构进行建模仿真分析，给出了一种其传动比的分析方法。在实际应用中可根据传动比结合工况设置舵机的驱动角度。与传统的起落架前轮转弯机构相比，刚柔耦合四连杆转弯机构大大降低了结构的空间占用率，减重效果显著，传动可靠，为起落架研发人员给出了一种新的设计思路。