高性能剛柔混合起落架設計研究

張威， 李田囡， 黃海清

（中航飛機起落架有限責任公司，長沙410200）

0 引 言

板簧式起落架結構簡單、可靠性高、造價低廉、維護簡單，一直受到小型飛機及小型無人機的青睞。隨著小型飛機和無人機的飛速發展，起落架輕質化、空間緊湊、低過載已成為現代小型飛機的重要需求。

通常，對于板簧式起落架，飛機在同樣下沉速度情況下，飛機過載大小主要通過起落架變形量的大小調節，同樣下沉速度，過載越小需要越大的變形量來保證，而板簧式起落架主要通過板簧結構變形來調節，其所承受載荷與其變形量相互影響，很難兼顧大的下沉速度及小過載要求。為了提升板簧式起落架的使用性能，許多研發人員從多個維度（如滿應力設計、工藝優選、試驗方法等方面）進行了深入研究[1-3]，以期獲得更好的使用性能及輕量化要求。

針對現代小型飛機起落架輕質化、空間緊湊、低過載等需求，本文提出了一種新的解決思路。結合板簧和全油液式緩沖器的特點，創新設計一種板簧式起落架+全油液緩沖器集成緩沖模式，通過板簧和油液緩沖器各自緩沖特點，性能互補，有效提高起落架系統下沉量（有助于降低無人機過載）和緩沖效率，減小起落架結構空間布局和質量。同時，實現了在板簧上設置輪載傳感器，實時監測飛機起降和接地狀態，解決常規板簧起落架上輪載傳感器安裝問題，為飛機精確控制提供信號依據。

1 高性能剛柔混合起落架方案設計

高性能剛柔混合起落架裝置主要由板簧、機輪組件、全油液式緩沖器、拉伸彈簧、輪載開關、連接座等組成。板簧與機身和緩沖器通過鉸接和轉動副機構連接。在飛機著陸過程中，板簧起落架主要通過板簧結構變形、繞機體轉動的全油液緩沖器阻尼行程，以及輪胎變形吸收飛機下沉速度產生的能量，使其著陸過載控制在一定的范圍內。起落架結構及工作原理如圖1、圖2所示。

圖1 起落架方案

圖2 起落架機構原理簡圖

起落架工作原理：飛機在地面滑跑階段，起落架處于停機狀態，緩沖器被完全壓縮，拉簧被拉伸，輪載開關傳感器的接觸頭與板簧上表面脫離。飛機在滑跑過程中的振動能量主要由輪胎和板簧吸收。

飛機起飛后，輪胎脫離地面，在起落架自重和拉簧的共同作用下，帶動板簧繞機身轉動，輪載開關傳感器的接觸頭與板簧上表面接觸，并向飛機控制系統發出一個信號，告知飛機已處于起飛離地狀態，同時，緩沖器上腔中的油液沿阻尼孔流入緩沖器下腔，回復到初始未被壓縮的狀態。在空中，拉伸彈簧仍然處于拉伸狀態，防止起落架隨機身振動而擺動，確保飛機在著陸時緩沖器處于初始行程未壓縮狀態。

在飛機著陸前，飛控系統檢查輪載開關傳感器位置信息確認起落架是否滿足著陸要求。

當飛機著陸過程中，輪胎接觸地面發生變形，板簧發生結構變形并繞機身轉動，輪載開關傳感器的接觸頭與板簧上表面脫開并向飛控系統發送一個信號，告知起落架已經處于著陸狀態，同時，拉簧被拉伸，緩沖器被壓縮，起落架達到全壓縮狀態。此過程中，輪胎通過自身結構變形和壓縮其內部氣體將飛機著陸的動能轉化為熱量耗散，板簧受力并發生彈性變形，消耗飛機著陸動能，飛機著陸時的巨大沖擊使緩沖器下腔中的油液快速通過阻尼孔進入緩沖器上腔，摩擦生熱耗散能量，在輪胎、板簧和緩沖器三者共同作用下，吸收飛機著陸撞擊能量。

雙冗余拉伸彈簧設計既保證了飛機在飛行中讓板簧復位防止其隨機體一起振動，也讓全油液式緩沖器在飛機著陸前始終處于未被壓縮狀態。

安裝在緩沖器上的補償器其內部的單向閥結構可以保證油液體積隨溫度熱脹冷縮緩慢變化時，油液在補償器與緩沖器內部自由流動，同時還實現了當飛機著陸時，緩沖器內部油液被劇烈壓縮，單向閥瞬間關閉，確保緩沖器緩沖效率。

因此，在常規板簧起落架基礎上增加了緩沖器壓縮產生的輪軸垂向位移，實現了板簧起落架大變形，有效降低飛機使用過載。

2 仿真分析

基于LMS motion多體動力學軟件，對常規板簧式起落架及剛柔混合起落架進行緩沖性能仿真分析[4]。

通過對板簧進行柔性化處理，采用Craig—Bampton模態疊加法，用模態柔性來描述板簧的彈性，并輸入板簧材料不同頻率下對應的阻尼比，以此來模擬板簧在彈性變形過程中結構所耗損的能力。

根據飛機質量和下沉速度值，讓一定投放質量的起落架從一定的高度落下，模擬飛機著陸的過程，從而驗證設計的板簧式起落架緩沖性能是否滿足要求。仿真分析模型如圖3所示。

完成板簧式起落架虛擬仿真建模之后，利用LMS軟件后處理功能進行落震虛擬仿真分析。

圖3 板簧式起落架緩沖性能仿真分析簡圖

依據同樣起落架著陸下沉速度、過載要求，分別對常規板簧起落架及剛柔混合起落架進行了緩沖性能仿真計算，常規板簧應力及變形如圖4所示，結構空間如圖5所示。

最大應力為900～1000 MPa；板簧質量為19.96 kg。

剛柔混合起落架應力及變形如圖6所示，結構空間布局如圖7所示。

最大應力為900 ～1000 MPa；板簧質量為13.7 kg。

3 對比分析

對常規板簧和高性能剛柔混合起落架緩沖性能分析、強度校核及結構空間進行對比，在飛機同樣下沉速度和過載情況下，高性能剛柔混合起落架大大降低了結構空間占有率，減重效果明顯，具體對比結果如表1所示。

圖4 常規板簧應力及變形分析

圖5 常規板簧結構空間布局尺寸

圖6 剛柔混合起落架板簧應力及變形分析

圖7 高性能剛柔混合起落架結構空間布局尺寸

表1 參數性能比對項目

4 結 論

本文在常規板簧基礎上集成了油液緩沖裝置，通過LMS motion對起落架裝置緩沖性能進行仿真分析，在同樣的下沉速度及過載要求下，剛柔混合起落架提升了板簧起落架的使用限制，大大降低了結構空間占有率，減重效果明顯，為起落架研發人員提供了一種新的設計思路。