一種作動筒彈性卡爪鎖的設計

魯德發，鄧曉山，折世強

（中航飛機起落架有限公司，湖南 長沙410200）

0 前言

帶鎖作動筒除通過無桿腔和有桿腔的液壓切換，實現活塞桿的伸出和收回功能外，常利用內置機械鎖使作動筒活塞桿在伸出（或收回）到位后被鎖住，實現作動筒在活塞桿伸出（或收回）泄壓時可作為承受壓（或拉）載荷的撐桿使用的功能。

帶鎖作動筒有內置卡環鎖、鋼球鎖和卡爪鎖等形式[1]，卡環鎖常在活塞上設置鋼制開口彈性卡環，卡在缸筒上的卡環槽中實現作動筒活塞桿到位時的鎖定功能，其缺點是卡環滑出卡環槽后易劃傷作動筒缸筒內表面，不好控制上鎖間隙等；而鋼球鎖的上鎖和開鎖導向面制造難度大，結構也較復雜。

本文提出了一種卡爪鎖設計結構和布置形式，實現作動筒活塞桿完全伸出到位（下位）時的鎖定和可作承壓撐桿使用的功能，克服了卡環鎖和鋼球鎖的缺點。同時給出了其關鍵功能件——彈形卡爪的受力、設計要點和分析方法等，可供設計作動筒內置鎖時參考。

1 作動筒下位彈性卡爪鎖結構及原理

圖1為所設計的作動筒下位卡爪鎖結構，它在常規液壓作動筒的端蓋1、活塞桿2、缸筒6、活塞7之間設置了卡爪鎖結構，主要有彈性卡爪5、游動活塞4、彈簧3、調整墊片8及密封件等。彈性卡爪5通過活塞7和緊固件9與活塞桿2的一端固連在一起，在有桿腔和無桿腔液壓的驅動下可隨活塞桿一起運動。彈性卡爪5的卡爪端設計有前導向斜面H和后導向斜面K，缸筒內凸臺兩端也設計有前導向斜面E和后導向斜面F，導向斜面用于彈性卡爪開鎖和上鎖時的導向作用。下位上鎖后，缸筒前導向斜面E起支撐和止動彈形卡爪5的后導向斜面K的功能。

圖1 作動筒下位鎖及鎖定狀態結構示意圖和三維模型圖

圖1 所示為作動筒活塞桿完全伸出（下位）被鎖定狀態。在需活塞桿完全伸出（下位）上鎖時，無桿腔B內的液壓力將活塞桿向左推出，彈性卡爪5的前導向斜面H進入缸筒的后導向斜面F，彈性卡爪5由自由漲開狀態變為受壓向內收縮并向左移動而進入缸筒內凸臺腔。隨著活塞桿2的繼續向左伸出，彈性卡爪5會推動游動活塞4克服彈簧3的彈力向左移動。當彈性卡爪5爪頭進入缸筒6油口A處的大腔時，便會自由漲開，此時游動活塞4在彈簧力作用下進入彈性卡爪的內孔使其不能內收，從而實現活塞桿完全伸出（下位）上鎖。

作動筒活塞桿完全伸出，在下位上鎖后可當受壓撐桿使用，此時，有桿腔A口無壓，活塞桿2受壓使彈性卡爪5受拉，彈性卡爪5的后導向（支撐）斜面K頂在缸筒6的前導向止動斜面E上，彈簧3的彈力使游動活塞4的支撐面（圖中箭頭D指示面）進入彈性卡爪5的內孔，使卡爪端頭不能向內收縮而滑離缸筒6的前導向止動斜面E，下位上鎖有桿腔泄壓后該機構鎖始終處于閉合上鎖狀態。

當需要收回作動筒活塞桿時，壓力油經作動筒的A口進入有桿腔，推動游動活塞4向左移動。當游動活塞4的支撐面D移出彈性卡爪5內孔而不再對其支撐限制時，在液壓力作用下，彈性卡爪5沿缸筒6的前導向斜面E向內收縮，并向右移動直至脫離缸筒6的前導向止動斜面E——即實現下位開鎖。下位開鎖后，作動筒的活塞桿2（包括固連在一起的彈性卡爪5、活塞7和緊固件9等）在有桿腔液壓力的作用下繼續向右移動，實現活塞桿的下位鎖開鎖后的縮回。

2 關鍵結構件——彈性卡爪的設計和分析

對于圖1給出的彈性卡爪鎖結構，通常結構布置空間較小，除要計算和選好彈簧參數及設計鎖機構中的其它零件外，關鍵是彈性卡爪5的設計，它的設計直接決定著卡爪鎖功能和性能。根據國內外資料和設計經驗，對彈性卡爪5的設計通常應重點考慮如下幾點[2]：

（1）為增大承載能力，應選用強度值高，塑性好的材料。以便于設計出重量輕、結構尺寸小、承載大的卡爪結構。常用選材料有：30CrMnSiA、35Cr2Ni4MoA和40CrNi2Si2MoVA等。

（2）如圖2所示，彈性卡爪的前后導向斜面的導向角度（θ1、θ2）要盡可能合理，同時導向面的表面粗糙度要小，拐角處圓角要拋光，以使上鎖和開鎖壓力不因摩擦力而過大、不劃傷缸筒上的導向斜面。通常取 θ1＝ 30°，θ2＝ 60°，導向斜面的粗糙度取 Ra0.8。

（3）彈性卡爪爪寬和數量要適當，卡爪長度L要盡可能長。除應滿足卡爪受拉、卡爪承壓斜面受擠壓的強度要求外，卡爪上鎖和開鎖時爪瓣根部彎曲應力要盡可能小，以提高爪瓣的壽命，同時還應滿足活塞桿向外伸出時上鎖壓力和活塞桿收回時的開鎖壓力要求。

參見圖1，開鎖時，來自A口的開鎖壓力將游動活塞4向左推動使其脫離彈性卡爪5的內孔，并推動彈性卡爪5向右移動，沿缸筒6的前導向斜面E向內縮入缸筒內腔實現開鎖，卡爪向內收縮變形可簡化成懸臂梁的變形。卡爪向內縮入缸筒的受力可簡化成圖2所示模型（圖2為上鎖時卡爪受力模型），經分析推導[3]，變形受載、上鎖和開鎖壓力可按簡化公式①進行分析和判定，爪瓣根部彎剪當量應力σe可按公式②分析和判定；爪瓣拉伸應力σt按公式③分析和判定，活塞桿受壓，卡爪端部斜面擠壓應力σjy可按公式④分析和判定。彈性卡爪實物圖見圖3。

圖2 彈性卡爪鎖上鎖受力示意圖

圖3 彈性卡爪實物圖

式中：P為單瓣卡爪縮進缸筒內孔變形δ所需徑向力；

δ為卡爪端部開鎖時進入缸筒內變形量，δ=（D1-D2）/2；

E為卡爪材料的彈性模量；b為單瓣卡爪根部彎曲截面寬度；L為卡爪彎曲段懸臂長度Fp為卡爪縮進缸筒內孔變形所需軸向力；μ為卡爪與缸筒斜面間的摩擦系數（≤0.15）；p為作動筒開鎖壓力；n為卡爪爪瓣數量；t為兩個爪瓣間開槽寬度；A為作動筒開鎖/上鎖液壓力作用（有桿腔/無桿腔）面積；σb為卡爪材料許用應力；A1為所有卡瓣受拉時根部彎曲截面處面積，。

通常，由于結構布置空間小，上鎖或開鎖時的卡爪根部的等效應力較大，為降低該等效應力，從公式②知可增大爪瓣根部厚度h和減少彎曲懸臂長度L，但從公式①知這會增大開鎖和上鎖液壓壓力。設計時，可先根據結構空間確定一個缸筒內腔凸臺的內徑 D1、變形量（如取 δ=1.5 ～ 2 mm）、d1和 L1，然后根據公式①、②、③、④及其設計判據要求反復計算替代分析算出 d2、t和 n。

按上述分析方法設計的卡爪鎖經試驗驗證，公式①簡化計算確定的作動筒活塞桿下位開鎖壓力和上鎖壓力（取μ=0.15時）較為保守，用該簡化計算能保證試驗上鎖和開鎖壓力值要求。

（4）為提高彈性卡爪鎖的上鎖和開鎖使用壽命，應降低彈性卡爪根部的應力集中，可增大彈性卡爪根部圓角半徑或在彈性卡爪根部鉆圓孔，并將棱邊拋光。在確定好彈性卡爪結構尺寸后，通過有限元進行卡爪鎖壽命評估，確保這種機械鎖的關鍵件——彈性卡爪的使用壽命符合設計要求。

通過上述分析和設計的彈性卡爪鎖結構，很好地通過了產品結構的設計鑒定工作循環試驗。其優點是：彈性卡爪在上鎖和開鎖進入缸筒內的活塞密封表面期間，卡爪爪頭外徑面不會和缸筒內腔密封面相接觸，避免了卡環鎖的卡環在退出鎖槽漲開后劃蹭缸筒密封面的缺點；同時通過調節彈性卡爪后面的調整墊片厚度可控制鎖的下位間隙；彈性卡爪鎖結構可承受較大的軸向拉載荷；利用卡爪變形可很好地控制上鎖和開鎖壓力。

3 試驗驗證

按上述分析設計的某卡爪鎖結節結構見圖1，卡爪零件實物見圖3。卡爪材料為為40CrNi2Si2MoV，E=205 GPa，相關結構尺寸為 δ=（55-52）/2=1.5 mm，h=（51-47）/2=2 mm，t=1.8 ～ 2 mm，L=35 mm，n=18，μ =0.1，有桿腔尺寸為 Φ58 × 40 mm，無桿腔尺寸為Φ58 mm。計算開鎖壓力≈2.8 MPa（空載時設計要求值為0.8 MPa≤P＜3 MPa），計算上鎖壓力≈1.5 MPa（空載時設計要求值為≯2 MPa）。卡爪鎖壽命壽命估算值約為25 650次工作循環。安裝此卡爪鎖作動筒的試驗圖見下圖4，試驗結果如圖4。

圖4 卡爪鎖作動筒試驗圖

開鎖和上鎖壓力檢測試驗時，活塞桿端不帶載時。在生產的多件產品試驗中，上鎖壓力試驗實測值在1.3～2.0 MPa間，開鎖壓力試驗實測值在1.25～1.4 MPa之間，符合設計要求值。

安裝上述尺寸卡爪鎖的某作動筒按標準[4]進行了耐久性工作循環試驗。安裝見圖4，一個工作循環試驗方法為：模擬作動筒的工作歷程，即：從活塞桿收回到底→活塞桿受壓載4 000 N伸出上鎖→加壓載Ftu=60 000 N→活塞桿受拉載4 000 N開鎖并收回到底。試驗經歷了20 000多次的上鎖、開鎖和收放承載工作循環試驗，鎖壽命滿足標準要求的20 000次工作循環要求，功能性能穩定、工作可靠。同時按此設計的其它卡爪鎖結構也得到了較好的試驗驗證。

4 結束語

本文提出的作動筒彈性卡爪鎖的結構，結構輕巧、布置緊湊、上鎖和開鎖原理簡單、承載能力大、設計與簡化分析方法簡單易行，可供作動筒內置鎖的設計時參考。