某型飞机主起落架缓冲支柱卡滞计算及参数影响分析

黎永平，王进剑，夏佳丽，李 彬

（航空工业洪都，江西 南昌， 330024）

0 引言

缓冲支柱是飞机起落架的核心部件，其主要功能是吸收和耗散飞机着陆和地面滑行期间的动能。缓冲支柱的缓冲作用得以实现的前提条件是缓冲支柱活塞杆与外筒之间存在相对运动，而缓冲支柱一旦发生卡滞，缓冲支柱将不能正常压缩，会导致结构破坏、飞机姿态失衡等严重后果。飞机油气缓冲支柱起落架设计标准中提出，设计师应合理选择起落架缓冲支柱上、下支承轴承的间距、材料、应力，并对可能出现的黏结卡滞现象进行考核。

半轴支柱式起落架具有结构简单、易收藏和重量轻的特点，被广泛运用于各型号飞机上。 但是对于半轴支柱式起落架，由于构型的原因，其活塞杆上支承和下支承处的支反力相比其他型式起落架要大得多，进而引起支承处摩擦力过大，在起落架设计之初必须对起落架防卡滞设计加以重视。

1 卡滞理论计算分析

缓冲支柱卡滞的产生与其受力形式是密不可分的，起落架的结构形式、缓冲支柱的结构形式以及摩擦副的摩擦条件都是决定缓冲支柱受力情况的关键因素。 此外，卡滞分析理论模型的准确性直接影响分析结果，精确完善的理论模型有助于对卡滞特性影响因素进行更好地定性和定量分析，并为缓冲支柱防卡滞优化设计提供参考。

1.1 起落架构型及参数

某型飞机主起落架采用半轴支柱式起落架，结构参数示意图如图1 所示。

图1 起落架结构参数示意图

为地面坐标系，以顺航向向前为轴，垂直地面向上为轴，轴按右手定则确定；为缓冲支柱坐标系， 以垂直于缓冲支柱轴线顺航向向前为轴，沿支柱轴线向上为轴，轴按右手定则确定。

图中：

-缓冲支柱行程；α-起落架倾角与姿态角之和；-扭力臂侧向载荷；-上、 下扭力臂连接点至缓冲支柱轴线的距离，为的函数；-上、下扭力臂连接点与轮轴中心向距离，为的函数；-上下支承之间的初始距离；-下支承到轮轴中心的向初始距离；-轮轴中心到缓冲支柱轴线距离。

起落架扭力臂结构示意图如图2 所示，和为缓冲支柱行程的函数。

图2 扭力臂结构示意图

计算参数：

其中

计算参数：

1.2 卡滞计算模型

对上支承点B 列力矩平衡方程：

对下支承点A 列力矩平衡方程：

由绕缓冲支柱轴向的扭矩平衡方程可得扭力臂载荷：

将地面坐标系下轮心点载荷转换到缓冲支柱坐标系：

式（6）中：μ 为地面摩擦系数。

将式（5）、（6）代入式（3）得到支承点A 处载荷：

将式（5）、（6）代入式（4）得到支承点B 处载荷：

卡滞系数为上下支承摩擦力与缓冲支柱轴向载荷之比，求得卡滞系数：

式（11）中：μ为支承处摩擦系数。

将式（8）、（10）代入式（11），得到卡滞系数：

当μ 取0 时，航向力为0，只有地面垂向载荷作用，即为静态卡滞系数计算公式。

1.3 卡滞计算结果

起落架卡滞计算所需参数如表1 所示。

表1 计算参数

现在以缓冲支柱行程为变量，将表1 中计算参数代入卡滞系数计算公式（12）中，分别计算水平和尾沉着陆姿态下卡滞系数随行程的变化趋势，计算结果如图3 所示。

图3 卡滞系数与缓冲支柱行程关系曲线

由图3 计算结果可知，卡滞系数随着缓冲支柱行程的增加而减小。该起落架在机尾下沉着陆姿态起转时卡滞系数最大，最大为0.296，虽然小于1，发生卡滞的概率较低，但是相比其他机型起落架缓冲支柱的卡滞系数还是偏大，需进一步通过试验考核卡滞情况。

2 参数影响分析

由第1 章可知，缓冲支柱卡滞系数是关于起落架相关结构参数和摩擦系数的函数，因此，可以分析卡滞系数随影响参数的变化趋势，通过改变设计参数来降低缓冲支柱的卡滞系数。

支承轴套摩擦系数、支承轴套间距、起落架安装倾角、扭力臂安装角度对缓冲支柱的卡滞特性都有重要影响。由卡滞计算结果可知卡滞系数随缓冲支柱的行程增加而减小，为了更加直观地分析设计参数对缓冲支柱卡滞的影响，本章只分析起落架初始状态下，即缓冲支柱行程为0 时，卡滞系数随各参数的变化曲线。

2.1 支承轴套摩擦系数的影响

支承轴套的材料及润滑条件直接影响支撑轴套的摩擦系数，由卡滞系数计算公式（12）可看出，卡滞系数与支承轴套摩擦系数呈线性关系。卡滞系数随支承轴套摩擦系数的变化曲线如图4 所示。

由图4 可看出，卡滞系数受支承轴承摩擦系数的影响非常大，当支承轴承的摩擦系数增大至0.35 时，最大卡滞系数大于1，缓冲支柱出现卡死现象。 故在支承处应尽量选用摩擦系数低的材料，同时要保证良好的润滑条件，若不能保证良好的润滑条件，可以选用自润滑材料。

图4 卡滞系数随μ1 变化曲线

2.2 支承轴套初始间距b

缓冲支柱上、下轴套初始间距关系到支承反力作用点的位置，对于轴套摩擦力和支柱卡滞性能具有重要影响。卡滞系数随支承轴套初始间距的变化曲线如图5 所示。

图5 卡滞系数随b 变化曲线

由图5 可知，卡滞系数随支承轴套初始间距增大而减小， 当轴套间距由初始227mm 增大为250mm时，最大卡滞系数由0.296 变为0.275。

故如果缓冲支柱的卡滞问题比较突出，可以适当增大上、下轴套的初始间距来改善卡滞问题，但这样会增加起落架重量，因此要综合考虑。

2.3 起落架安装倾角β

α 为起落架安装倾角与姿态角之和，将表1 计算参数中的起落架安装倾角用变量β 代替，代入式（12）中，即可求出卡滞系数随β 的变化曲线，如图6 所示。

由图6 可知，起转工况卡滞系数随起落架安装倾角的增大而减小，回弹工况卡滞系数随起落架安装倾角的增大而增大，当起落架安装倾角由初始-1.35°调整为-4°时，最大卡滞系数由原来的0.296 变为0.276。

图6 卡滞系数随β 变化曲线

故在起落架初始设计时，可参考起落架安装倾角对卡滞系数的影响结果， 综合考虑其他设计因素，最终确定起落架安装倾角。

2.4 扭力臂安装角度θ

扭力臂是半轴支柱式起落架的关键部件，如果扭力臂位置布置适当，由扭力臂产生的附加弯矩可抵消一部分由外力产生的弯矩，从而减小起落架内外筒之间的摩擦力，可以缓解卡滞情况，因此合理布置扭力臂位置是一个重要方面。

扭力臂安装角度示意图如图7 所示，即将图1 中向视图的扭力臂偏转一个角度θ。

图7 扭力臂安装角度示意图

式（3）中对上支承点列力矩平衡方程变为：

式（4）中对下支承点A 列力矩平衡方程变为：

最终得到考虑扭力臂安装角度的卡滞系数计算公式：

求出卡滞系数随扭力臂安装角度的变化曲线，如图8 所示。

图8 卡滞系数随θ 变化曲线

由图8 可知， 将扭力臂安装角度改为97°后，最大卡滞系数由原来的0.296 变为0.178，降低了40%，收益非常明显。 改变扭力臂的安装角度，在不增重的情况下，可明显改善缓冲支柱的卡滞情况。

但由于起落架收藏空间限制，扭力臂一般安装在0°或者180°方向。 由图8 可知，扭力臂安装在180°方向时，最大卡滞系数为0.314，比安装在0°方向稍大。故当起落架收藏空间限制扭力臂只能安装在0°或180°方向时，选择安装在0°方向对防卡滞设计更加有利。

3 结论

本文对某型飞机主起落架卡滞进行了理论计算分析，在此基础上，对起落架相关结构参数和摩擦系数进行了影响分析，得到以下结论：

1） 起落架在机尾下沉着陆姿态起转时，卡滞系数最大，最大为0.296，发生卡滞的概率较低，但是相比其他机型卡滞系数还是偏大；

2） 卡滞系数与支承轴套摩擦系数呈线性关系，当支承轴承的摩擦系数增大至0.35 时， 最大卡滞系数大于1，缓冲支柱会出现卡死现象；

3） 卡滞系数随支承轴套初始间距增大而减小，适当增大上、下轴套的初始间距可以改善卡滞问题；

4） 起转工况卡滞系数随起落架安装倾角的增大而减小，回弹工况卡滞系数随起落架安装倾角的增大而增大，起落架安装倾角由初始-1.35°调整为-4°时，对防卡滞最有利；

5） 将扭力臂安装角调整至97°时，最大卡滞系数降低了40%，明显减小，当起落架收藏空间限制扭力臂只能安装在0°或180°方向时， 选择安装在0°方向对防卡滞设计更加有利。