某型民用飞机舱门外手柄机构研究分析

杨炎通

（中航沈飞民用飞机有限责任公司，沈阳 110179）

0 引言

手柄的类型并没有固定的形式，满足适航要求和设计要求即可。舱门机构的设计[1]要求简单直接，因此外手柄的位置布置不仅要考虑舱门结构空间的要求，而且外手柄还要靠近闩锁机构位置，最后还要考虑人机工程因素[2]。本文中介绍的外手柄机构为上下翻转打开的形式。

1 外手柄机构的功能

本文外手柄机构的详细功能如下：操作人员在飞机外侧扳动外手柄可以直接打开舱门；操作人员在飞机内部用内手柄开门时，外手柄保持静止，且不会对此过程造成任何阻碍；在用内手柄打开舱门后并将舱门保持打开位置时，可以通过外手柄来关闭并锁定舱门。

2 外手柄机构的设计要求

舱门对飞机安全有着直接影响，而舱门打开或关闭的运动需要手柄机构才能进行，按照CCAR25.783[3]舱门条款的说明：“每扇外部舱门必须有措施锁定并保险，以防止飞行中打开（被人无意中打开或是由于关闭时或关闭后机构损坏或单个结构元件损坏而打开）”。针对自身功能和适航条款的要求，大多数飞机舱门外手柄会有以下设计要求：

1）外手柄能够被95%的男性带着手套进行操作；

2）手柄把手的形状和位置在联合定义阶段确定；

3）外手柄上的任意点能承受来自任何方向的300 lb（约合136 kg）的极限载荷；

4）空气动力、重力、振动、摆动、结冰或温度等单独或组合作用下，外手柄都不能被意外操作。

3 外手柄机构的原理设计及分析

本套外手柄机构可以分为翻板锁机构和离合机构两部分，两机构为串联式机构[4]。

3.1 离合机构

离合机构可以实现内外手柄相互独立且在特定情况下可以联动的功能，如图1所示，由多个拉杆、摇臂、弹簧等构成的小构件组成。下文将对外手柄机构的各个过程进行逐一分析。

图1 离合机构

1）外手柄关闭并锁定。门处于关闭状态时，弹簧拉杆和连杆1的合力是让手柄翻板趋于关闭的。

2）扳动外手柄开门。翻板在趋于打开时（此时忽略下文中提到的橡胶圈，单独分析手柄自身），翻板转动带动弹簧拉杆摆动，由于连杆1长度不变，拉杆想要摆动需要拉杆1和滑块发生相对运动，即滑块压缩弹簧1，翻板转动需要克服弹簧1的力，没有力驱使弹簧2变形，弹簧拉杆总长度不变。

随着翻板翻动，通过弹簧拉杆、摇臂、连杆等带动离合钩绕轴转动，到达一定角度后，离合钩勾紧离合衬套，此时离合钩由于被衬套阻挡无法继续运动，即造成了摇臂“卡滞”，故继续扳动翻板会使弹簧拉杆会变长，即弹簧2被压缩。

在翻板翻动一定角度后，翻板轴、铰接点、弹簧拉杆会处于同一条直线上，此时达到“过中心”状态，此时弹簧拉杆的长度需大于它的初始长度，保证离合钩在翻板“过中心”后也始终锁紧离合衬套，完成“上锁”。

曲柄2是与外手柄固连的（如图1），曲柄1与手柄轴固连，外手柄在开启时曲柄2直接推动曲柄1运动，此时如果需要关闭外手柄，离合钩才会拉住离合衬套，从而带动手柄轴完成关闭运动。

3）扳动外手柄开门。在内手柄开门时，内手柄轴通过齿轮箱或其他联动机构带动外手柄轴转动，与外手柄轴固连的曲柄1会随动，但曲柄1上的离合衬套会直接跨过离合钩，不会带动外手柄上的其它零件运动，从而实现从内手柄打开登机门时外手柄不会随动的功能。

在用内手柄开门后，想用外手柄关门，需先将外手柄处于打开状态。如图2所示，在翻板完全打开后，扳动外手柄，当外手柄转动到一定角度时离合钩外曲面接触离合衬套，由于手柄翻板处于打开限位处，无法继续打开，离合衬套被手柄轴限制无法被离合钩向外挤压而运动，继续扳动外手柄时，离合钩不得不通过摇臂拉动弹簧拉杆使之变长（即压缩弹簧2），在弹簧力的作用下，离合钩与离合衬套一直紧贴并发生相对运动，如图2所示，外弧面先接触离合衬套并发生相对滑动，直到图2中最后的状态，在离合钩小弧面跨过弹簧衬套后，离合钩会被已被拉长的弹簧拉杆勾住离合衬套，完成锁定，此时可用外手柄关闭并上锁已经打开的舱门。

图2 门在打开后扳动外手柄至打开状态

在关闭外手柄锁定舱门时，离合衬套给离合钩的力不应有脱钩的趋势，传动角应设置成驱动离合钩上钩的状态。

4）扳动外手柄开门。如外手柄各个机构示图所示，机构中采用多套平面四杆机构，但是四杆机构设计比较复杂，存在误差，会使机构不易精确地实现运动规律，所以在设计时要减小误差对机构运动规律的干扰。减小误差有两个方法，一是通过研究杆件长度等机构因素来分析四杆机构的运动规律，从而提高传动精度。为避免输出角φ3波动过大，l1和l3的公差应尽可能取小值，l2和l4的长度变化对输出角φ3的影响可以相互抵消[5]，故在设计时可以考虑严格控制l1和l3的公差，稍微放开l2和l4以节约制造成本。

二是通过设置调整组件来弥补机构在制造过程中产生的误差对传动精度的影响。当离合机构因为误差而无法完成某些功能时，可以调节离合衬套及离合钩转轴的位置，来弥补制造和装配的误差。

3.2 翻板锁机构

翻板锁机构的主要作用是锁定/解除锁定手柄机构，由翻板、翻板锁（叉子）、衬套、弹簧杆、橡胶圈组成，如图4所示。翻板锁、橡胶圈与舱门结构（手柄盒）固连，衬套固连在翻板上，弹簧杆一端铰接在翻板上，一端与摇臂铰接。

图3 四杆机构分析图

图4 翻版锁机构

舱门关闭并锁定时，手柄翻板在弹簧杆的作用下处于关闭的状态，衬套被与结构固连的翻板锁勾住，此时外手柄被翻板锁锁定，外手柄不会因为惯性力、气动力等其他外力打开，但是需要设计翻板关闭限位来保证翻板、手柄和舱门蒙皮的阶差。

扳动外手柄前需打开翻板，翻动翻板的同时，翻板上的衬套离开翻板锁，此时手柄处于解锁状态，可以扳动外手柄。当操作者需要通过外手柄来开门时，人手指按下手柄翻板、伸入手柄并握住手柄把手，在翻板向内翻动一定距离时（距离的具体数值由设计者给定，满足人机功效学要求），橡胶圈和弹簧连杆的合力应使驱使手柄翻板闭合，即设计者可以选择此时翻板没有过中心，或者翻板已经过中心但橡胶圈给翻板的力大于弹簧力，这样设计的意义在于翻板在任何时候可以自动关闭。同样，需要设计翻板打开位置限位。

如图5所示，翻板在闭合情况下关闭外手柄，手柄旋转至衬套刚好接触翻板锁后继续转动手柄，衬套会沿着翻板锁曲面滑动，同时带动手柄翻板克服弹簧拉杆拉力向内翻动（翻板打开），直至滑动到锁底部（翻板关闭），同时手柄完全关闭，此时衬套在弹簧拉杆的作用下进入锁底部，完成手柄上锁。

图5 在翻板关闭时关闭外手柄

如图6所示，翻板在打开的情况下关闭手柄，外手柄关闭时，手柄翻板内缘会先接触橡胶圈，随着手柄继续关闭，橡胶圈的压缩量逐渐变大，到某一时刻橡胶圈的弹力会大于弹簧拉杆给翻板的拉力，促使翻板完成过中心运动，进而关闭翻板并使手柄上锁。

图6 在翻板打开时关闭外手柄

4 结论

本文对一种外手柄机构的各个功能及其原理进行了详细介绍，分析了各个状态下机构中每个零组件的作用，并得出以下结论：

1）内手柄开门时，内手柄带动外手柄轴上的曲柄（安装离合衬套的曲柄）越过离合钩运动，即外手柄轴动而外手柄不动。

2）外手柄开门时，与外手柄固连的曲柄推动与手柄轴固连的曲柄进行解闩解锁运动；外手柄关门时，离合钩勾紧离合衬套，完成外手柄驱动手柄轴的运动。

3）用外手柄关门并锁定时，离合衬套给离合钩的合力，不应驱使离合钩解钩。

4）多套四杆机构应设计成杆长对机构运动结果影响较小，以避免因制造和装配误差而造成外手柄功能失效的情况发生。