民機艙門垂直軸傳動機構參數化設計方法

馬 巖 李忠霖 / MA Yan LI Zhonglin

(中航沈飛民用飛機有限責任公司，沈陽 110000)

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民機艙門垂直軸傳動機構參數化設計方法

馬 巖 李忠霖 / MA Yan LI Zhonglin

(中航沈飛民用飛機有限責任公司，沈陽 110000)

引入了一種新型垂直軸傳動機構，該機構首次被應用于民用飛機艙門設計中，具有一定的先進性。介紹了其基本構型、傳動原理及在艙門上的典型應用。深入分析了其機構特性，并依據解析幾何的方法推導出該機構輸入輸出角度計算公式，從而得出了該機構的參數化設計方法。

垂直軸傳動；解析法；輸入角度；輸出角度

0 引言

對于民用飛機艙門設計，因為結構及機構布置的需要，常常要實現兩根互相垂直軸之間的聯動(如內外手柄軸)。目前，艙門設計中普遍采用的是空間四桿機構。空間四桿機構僅適用于不在同一平面內的兩根軸的聯動，而且需要連桿間關節軸承的轉動來補償機構軸向的竄動，在機構設計上有一定的局限性。本文介紹了一種全新的垂直軸傳動機構，該機構可以應用于艙門設計，并且實現了在同一平面內的兩根垂直軸之間的聯動，該機構具有傳動準確、構型簡單、可調整性高及占用空間小等優點。

1 垂直軸傳動機構構型

本文介紹的全新的應用于垂直軸之間傳動的空間機構示意圖如圖1所示。

本套機構包括：處于同一平面內互相垂直的主動軸A和從動軸E，主動軸上固定連接的主動軸曲柄B，從動軸上固定連接的從動軸曲柄D，以及兩端分別與曲柄B和曲柄D鉸接連接的連桿C。主動軸曲柄B與主動軸A之間存在一個夾角α。從動軸曲柄D平行于從動軸E。連桿C垂直于主動軸曲柄B。連桿C與曲柄D的鉸接點軸線垂直于紙面。

圖1 垂直軸傳動機構示意圖

2 垂直軸傳動機構在艙門上的典型應用

圖2為某機型應急門外手柄機構示意圖。該機型選用的是III型機翼上部應急門[1]。歐洲航空安全局(EASA)于2008年提出修正公告NPA2008-4[2]，對III型應急門的操作提出新的要求，應急門在打開時要與機身相連，并且要求打開過程中要易于操作。隨后這一要求被寫進CS 25.813(c)(6)[3]，對于大于或等于41座的民用客機機翼上部應急門，必須能夠自動打開、且打開后需要與機身相連。為了滿足上述設計要求，艙門需設計多套機構，設計難度徒然增大。因III型應急門空間尺寸比較狹小，機構布置難度很高，為了給其他機構留出足夠的空間，所以外手柄機構選擇了占用空間更小的“蝴蝶”式手柄，如圖2所示。

圖2 外手柄機構示意圖

“蝴蝶”式手柄雖然占用空間小，但這種形式的手柄也存在一定的不利因素。采用這類外手柄，外手柄軸垂直于內手柄軸軸線方向，這就給內外手柄的傳動帶來了一定的困難。本例中的應急門受設計空間的限制，只能將外手柄軸與聯動內手柄軸的鎖軸布置在同一水平面內，傳統的空間四桿機構無法滿足設計要求，所以選擇了本文介紹的垂直軸傳動機構。

圖3 應急門垂直軸傳動機構

本機構應用于應急門上的形式如圖3所示，其主動軸為鎖軸，鎖軸與傳動曲柄2固定連接，傳動連桿3一端與傳動曲柄2鉸接，另一端與傳動曲柄4鉸接，傳動曲柄4與外手柄軸5固定連接。外手柄軸5連接外手柄機構。

本例中對于圖1所示的垂直軸傳動機構做了微小更改。垂直軸傳動機構各個機構件之間的連接形式不變，將圖1中的主動軸曲柄B的構型做了修改，使其處于傳動連桿3與傳動曲柄4的閉環中。這樣機構更加緊湊，可以最大程度地節省空間。

3 垂直軸傳動機構的參數化設計方法

本套機構的設計難點為機構的調整。作為空間機構，不同于平面機構的調整方法，需要采用立體解析幾何的方法對機構進行分析計算，從而找到調整方法。

首先分析機構特性。依據圖1分析該機構的構型可以發現，只要主動軸曲柄B的長度和其與主動軸A之間的夾角α確定，機構的整體構型就完全確定。曲柄B的長度決定機構的空間大小，曲柄B與主動軸A之間的夾角α，則決定了機構的輸入輸出角度關系。圖1所示為本套機構的運動中心位置，機構運動時，以中心位置為界，前后運動形式一致。設計機構時，可以以中心位置為起點，分配輸入輸出角度。例如要求輸入角度為110°，輸出角度為90°，則機構的結束位置相對中心位置，輸入軸轉動55°，輸出軸轉動45°。

為了更好地分析機構，將該機構抽象成圖4所示線架結構，可以利用解析法計算出夾角α與輸入輸出角度的關系。圖4線架圖中實線為機構中心對稱位置，虛線為機構轉動了一定的輸入輸出角度之后的結束位置，點畫線為計算需要的輔助線。

圖4 垂直軸傳動機構線架圖

如圖4所示，ad為抽象后的主動軸曲柄B，cd為抽象后的連桿C，ac為抽象后的主動軸A，cg為連桿C與從動軸曲柄D的鉸接軸線方向，ch為機構轉動后的連桿C與從動軸曲柄D的鉸接軸線方向，cb為轉動后的連桿C位置，ab為轉動后的主動軸曲柄B位置。

定義輸入角度即主動軸轉動角度為2γ，輸出角度即從動軸轉動角度為2β。通過交點d作輔助線df垂直于ac，連接bf，圖中為中心對稱位置，所以∠dfb即為主動軸曲柄轉動的角度γ，∠hcg即為從動軸的轉動角度β。通過交點b作垂直于主動軸和從動軸所在平面的垂線be，通過e點做直線eg垂直于cg，連接ef和ec。

已知ch⊥cb，ch⊥eb，則ch⊥平面cbe，所以ch⊥ec，∠β=∠ceg；

已知ac⊥be，ac⊥bf，則ac⊥平面bfe，所以ac⊥ef；

因為ac⊥ef，ac⊥cg，ge⊥cg，所以四邊形cgef為矩形，可以得出：

已知cg⊥平面acd，所以ef⊥平面acd，所以ef⊥df，所以∠γ=∠fbe；

已知ad⊥cd，df⊥ac，所以∠α=∠cdf；

因為∠γ=∠fbe，∠β=∠ceg，∠α=∠cdf，所以可得：

已知df=bf，通過上述關系式，可以推導出：

如果給定設計要求的輸入輸出角度，通過上面推導出的公式，便可以求解出夾角α，從而調整出機構的基本構型。在具體應用到艙門上時，在確定機構基本構型后，可以依據給定的空間位置，調整主動軸曲柄的長度，從而調整整個機構的空間大小，使之滿足設計空間要求。

4 結論

本文以某機型應急門手柄機構為例，介紹了一種新型垂直軸傳動機構，本套機構布局緊湊，可調整度高，可廣泛應用到艙門機構設計中。本文推導出的公式，實際應用時，應與機構的具體構型相結合。本文提出的從解析幾何角度對空間機構進行設計的思路及參數化設計方法，具有一定的通用性，還可以應用于其他空間機構的設計中。

[1] 中國民用飛機航空局.CCAR25-R4中國民用航空規章第25部：運輸類飛機適航標準[S].北京：中國民用航空局，2011.

[2]EASA.NoticeofProposedAmendment(NPA)No2008-4TypeIIIEmergencyExitAccessandEaseofOperation[S].EASA, 2008: 23.

[3]EASA.CS-25_Amendment9CertificationSpecificationsforLargeAeroplanes[S].EASA, 2010: 1-D-34.

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