直升機起落架機輪軸載荷分析與強度校核

李 兵，魏 敏，劉振江，朱英杰，張東波

（1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003；2.69008 部隊，新疆 五家渠 831300）

直升機作為能垂直起降的飛行器，對著陸起降場地要求不高，被人們廣泛應用在各種場合，起落架在其日常使用中發揮了重要的作用，因其起降頻繁，起落架與地面的常態化剛性碰撞，起落架的關鍵部位較容易損壞，給直升機的安全使用帶來隱患。而機輪軸是連接機輪系統與搖臂及緩沖減震裝置的紐帶，是起落架的關鍵零件，在起落架的著陸和地面滑行中要承受很大的交變沖擊載荷[1]，對起落架設計方案的決策起著重要的參考作用，機輪軸對保證起落架功能的正常使用發揮著舉足輕重的作用。鑒于此，對機輪軸展開載荷分析，進行強度校核以及有限元仿真有非常重要的實踐指導意義。

1 設計要求及其著陸過程受力分析

起落架要求是直升機以一定速度著陸時，起落架的結構強度達標，且直升機的垂直過載Ω 小于2[2]。起落架外觀如圖1 所示。

圖1 起落架系統結構示意簡圖

起落架載荷分析過程如下：假定起落架觸地瞬時直升機動能為W，重力勢能為H，直升機著陸速度為ν，當速度由ν 降為零時，起落架的應力應變在這個瞬間達到最大。直升機向下位移的距離為h，此時直升機的動能W 和重力勢能H 變為零。

其重力勢能的變化量為：

動能變化量為：

其中，

m 為直升機機體品質，等于3 500 kg；ν 為觸地前速度，輪式直升機著陸速度一般小于10 m/s，取ν=12 m/s。

在直升機降落的過程中，其旋翼升力做功減少了由重力勢能所帶來的能量轉化，同時這個過程中升力小于直升機重力，取升力為

則升力做功

設直升機下降速度變為0 時，地面的反作用力為F，其變形程度在線彈性范圍內，同時材料受力與變形成正比關系，變形所吸收的能量等于地面反作用力所做的功。

由以上各式可得：

式中F 和h 為未知參數，因為變形在線彈性范圍，F 與起落架的變形成正比，可設

根據材料力學中單位載荷方法[3]，在對稱結構的一端施加1 N 豎直方向上的單位載荷進行分析即可，根據此方法算出起落架機輪軸的變形，就可以得出線性系數的λ 的數值，再把上式代入（6）式中就可以得到一個以h 為未知量的一元二次方程，可以求出h，進一步可得到地面最大反作用力F 和垂直過載Ω。

2 載荷計算

起落架機輪軸采用直徑為50 mm 的30CrMnSiE材料，其受力簡圖如圖2 所示。

圖2 起落架受力簡圖及坐標系參數

地面反作用力引起的力矩為

單位力1N 所引起的力矩為

機輪軸截面的慣性矩

機輪軸在數值方向上的變形為

把（7-11）各式代入上式中，計算可知

δ=0.017 326 f=1.732 6×10-2F，單位：mm

當單位作用力F 為1N 時，變形δ =1.732 6 ×10-5m

因此，線性系數為

進而，F=λh=5.771 7×104h

將F=λh 代入機械能守恒方程

可得關于h 的一元二次方程式

解得，h=1.111 3 m

則地面最大反作用力為

所以垂直過載為

根據計算可得出垂直過載小于2，滿足過載要求。

3 應力分析及強度校核

只要考察最大載荷下的應力與強度，即為前飛降落時[4]，只要屈服力小于最大許用力則可。

取豎直方向載荷F1=2/5 F，水平方向載荷F2=1/2 F1，則

機輪軸中央截面處附近的正應力為

機輪軸中央截面中最大應力單元體的應力狀態如圖3 所示。

圖3 最大應力處單元的應力狀態

由最大主應力計算公式計算，可知

材料30CrMnSiA 的屈服極限為885 MPa[5]，取安全系數為1.2，則許用應力為

可知，最大正應力σm＜[σ]，故滿足強度要求。

4 結束語

通過對起落架機輪軸的過載分析，并進行了強度校核，從力學角度完整的研究了機輪軸工作情況。機輪軸的材料具有其特點，有著特定的要求，一方面,其需要有足夠的強度，須承受得住足夠大的應力施加；另一方面，其要求具有一定程度的彈塑性，能根據受力情況的不同產生變形提供緩沖能力，以達到減弱地面反作用力與垂直過載，故在其設計中，要考慮到這些潛在要求。

在計算中發現，機輪軸中間部分承受應力較大，可以考慮適當增大此部分的橫截面面積。這樣的設計，首先最大限度地利用了材料，達到減輕質量的目的；其次制造工藝難度增加，導致生產成本增加。鑒于此應整體考慮，統籌兼顧的決策起落架機輪軸的設計方案。

[1]羅漳平，向錦武. 直升機起落架抗墜毀性能的有限元仿真評估[J].航空學報，2003，24：216-219.

[2]王 昂，毛德華，等.飛機設計手冊[M].北京：航空工業出版社，2005.

[3]單輝祖.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2004.

[4]楊嘉陵,吳衛華. 武裝直升機抗墜毀設計研究[J]. 機械工程學報，2001，37：78-82.

[5]聞邦椿. 機械設計手冊（第5 版）[M]. 北京：機械工業出版社.2010.