小型飛機起落架收放機電作動器研究與開發

申健 劉從靈 冮慶庸

摘 要：近些年來，越來越多的全電動的或者電動飛機的發展成為飛機航空系統研究領域的新潮流和最大趨勢。對于更多的電動或全電動飛機，大多數的電力用戶將被電機驅動。這將大幅的降低系統的空間、物流、功耗、復雜性和操作與生產成本。并且有很多的實驗證明，重量的減輕這一目的可以實現。取代傳統的液壓收放系統，實現小型飛機的全電動控制，該機電作動筒具有收放、到位時無電鎖定、放下位置承受較大航向的側向地面載荷的功能，沒有了液壓油的重量，也沒有了液壓油箱的龐大體積，從而減輕的重量與占用體積，縮小了成本。

關鍵詞：小型飛機；機電作動器；起落架

中圖分類號：V226 文獻標志碼：A

1 緒論

目前，飛機的起落架收放系統一般以液壓系統作為主要的驅動源，以冷氣、電力作為備用驅動源。隨著多電飛機功率電傳（PBW）技術的不斷發展，功率電傳作動器在一些先進飛機上已被采用，[1]取代傳統的液壓和氣壓管路傳輸功率的功率電傳[2]功率方式應用已越來越多。小型飛機眾多系統中除了起落架系統收放系統采用液壓驅動之外，其他系統都已采用電力控制。飛機為了起落架收放系統需要特意配置一部液壓系統來驅動，這不僅僅大大增加了機身重量，還占用了很多空間，并且增加了制造與維修成本。所以，起落架系統收放系統實現全電控制是一個很大的突破口，顯得非常必要。

我主要研究電動起落架的機構設計，取代傳統的液壓收放系統，實現小型飛機的全電動控制，該起落架具有收放、到位時無電鎖定功能，最終除去了液壓油的重量，也除去了液壓油箱的龐大體積，從而減輕的重量與占用體積，同時縮小了生產成本與維修成本。

2 CATIA三維建模

電動起落架由豎桿，連桿機構1，連桿機構2和機電作動筒組成。上端豎桿右側有凸臺帶有鉸接口從而達到起落架支柱的收起與放下。起落架連桿機構1是一個V形的構件，三端均有孔。桿機構2是一根兩端開孔長棒。根據在網上尋找的起落架方案和相關書籍，總結出起落架的鎖死特性。結合機械設計基礎課本的知識，經過不斷地調試與改進，最終設計出起落架機構的草圖。草圖設計好之后，要對起落架的各部件進行建模。根據設計的各部件外形和尺寸要求，利用CATIA建模軟件對起落架的各部件進行三維建模。

3 靜力學分析

上一步，我們已經運用CATIA軟件對起落架各部件以及整體進行了三維建模，可以將三維圖導入ABAQUS軟件進行靜力學有限元分析。我們分收上位和放下位兩個位置進行靜力學分析。在收上位時整體分析，在放下位時分為豎桿和連桿機構兩部分進行分析。

由收起位起落架的應力云圖和應變云圖可知，收上位時起落架連桿機構受力要比豎桿大得多，連桿機構的受力大小從大到小依次是孔內壁，孔周圍區域，其他部位。越靠近孔部分的連桿機構區域受力越大。這是符合實際的情況的，因為起落架在收上位時，豎桿幾乎不受外載荷，只有鉸接部位受連桿機構的拉扯。連桿機構一樣只有孔部受力較大，其他部位受力比較均勻緩和。因此，鉸接部位需要加固，孔與連桿機構外緣的間距不能太小。由放下位起落架豎桿的應力云圖和應變云圖可知，起落架受力最大的是下邊桿靠近上邊套筒的區域，當起落架落地時受到向上的反作用力與側向力，會產生壓桿效應。因此在套筒側向加以斜支撐桿來加強。

4 運動學分析

在進行完起落架靜力學分析之后，要對起落架機構進行運動學分析，確保起落架在運作期間不會發生碰撞和摩擦的情況。通過運動仿真，發現設計好的機構可以順利地進行運作，不會中途發生碰撞、卡死或者摩擦的現象。說明初期設計的連桿機構方案包括尺寸，外形是可行的。

在這里，還需要運用CATIA軟件對起落架上死點與下死點的鎖定功能進行檢驗。首先我們的起落架具有了無電鎖死功能，運用了機械設計原理中的兩桿重合，壓力角為零的原理，當起落架在收上位和放下位的時候，連桿機構1與連桿機構2軸線重合，從而達到壓力角為零，使得機構不會再發生轉動，從而使起落架達到無電鎖死狀態，即使無電，也可以保持一定位置不變。

上一節的仿真運作僅僅是運動學分析的一部分，這一節將要對在運作期間的起落架的各部件的物理參數進行監控。由圖可知各部件速度變化比較緩，因此符合起落架運作平緩的要求。

5 驗證平臺及試驗驗證

根據上述原理進行了樣機設計，并制造驗證平臺。按照試驗任務書要求進行了起落架收放聯試。按照試驗任務書要求進行了起落架收放聯試、靜強度剛度試驗、收放耐久性試驗，試驗結果均滿足要求。

6 結論和展望

本文主要的研究成果有：

（1）利用CATIA建模軟件繪制出了電動起落架的三維模型，對構件和支柱的尺寸進行調整，使得起落架可以完成正確和理想的運作，設計收上位和放下位的鎖定方式，使電動起落架在收上位和放下位實現無電鎖定。

（2）將利用CATIA建模軟件繪制出所需要分析結構的三維模型，導入ABAQUS有限元分析軟件，對構件和支柱進行靜力學分析，分析其受力區域強弱，對比分析結果，得到了具有最安全最可靠的機構設計方式。

（3）利用ADAMS軟件對電動起落架再次進行三維建模，并對其進行運動學分析，確保在起落架運作過程中不會發生碰撞和摩擦。同時對構件和支柱的速度、加速度等一些參數進行監控。

（4）在理論正確的基礎上，進行驗證平臺的開發，使得起落架可以達到收上位和放下位兩個位置，最后進行了驗證試驗。

對起落架強度的分析是非常困難而且又非常復雜的理論和工作問題。需要經過更多更深入的理論研究和試驗不斷的測試才能慢慢地得到逐步完善。總體來說，繼續完善該款電動起落架不僅需要對設計、建模、靜力學分析、加工制作進行進一步進行優化，還需要不斷在現有的成果基礎上添加其他方面的能力和功能，使其變得更加產業化、商業化，變成具有一定市場價值的產品。

參考文獻：

[1]于黎明.全電飛機的技術改進及其發展狀況[J].飛機設計，1999（03）：3-5，22.

[2]Alan Brown.Actuator research complete[J].NASA the DrydenX-Press，V0l.41，Issue 1，January 15，1999.

基金項目：中國民航大學航空工程創新創業實驗基地資助（項目編號：201610059048）

作者簡介：申健（1997-），男，研究方向：飛機起落架結構。