無人機剛柔耦合前輪轉彎操縱機構設計與仿真分析

何滿，黎園亮，朱曉寧

（中航飛機起落架有限責任公司，長沙 410200）

0 引言

起落架是飛機起飛著陸的關鍵部件，起落架前輪轉彎機構的性能直接影響到飛機的安全。隨著對起落架轉彎操縱技術需求的不斷提高，其操縱技術也不斷向前發展，從早期的機械式轉彎操縱系統、機械-液壓式轉彎操縱系統發展到現代的電傳式轉彎操縱機構[1]。另外由于飛機滑跑過程中會發生擺振，前起落架還需具備有減擺系統。起落架的轉彎和擺振，前者為主動操縱系統，后者為被動阻尼系統，兩者的切換需要一套較復雜的轉換機構。傳統的起落架前輪轉彎機構采用液壓作動筒，有雙作動筒和單作動筒轉彎，以單作動筒轉彎機為例，其工作原理為：利用轉彎作動筒的往復運動實現轉彎操縱，需另安裝一電磁閥實現減擺。帶減擺功能的電磁閥的工作原理為：轉彎時，對轉彎作動筒左右兩個腔進行通壓，利用左右腔壓差實現前起落架的轉彎。在不轉彎的情況下，電磁閥處于中立位置，該腔與轉彎作動筒形成一個閉環系統，在飛機滑跑的過程中，通過中間減擺腔中阻尼閥上的阻尼孔，對轉彎作動筒進行減擺，從而實現前起落架的減擺功能[2]。該結構的缺點在于：由于電磁閥安裝位置往往位于機身上，距離轉彎作動筒較遠，管路較長，導致減擺的靈敏度較低，且轉彎控制閥的結構復雜、體積較大，很大程度上限制了起落架的性能、質量等要求，對空間較小的無人機不利。因此設計一種減擺性能好、結構緊湊的轉彎機構，對起落架整體設計具有積極意義。

針對上述問題，本文構建了一種電傳式剛柔耦合四連桿轉彎操縱機構的模型，對其工作原理進行了分析。并在此基礎上建立了它的仿真模型，給出了一種其傳動比的分析方法。

1 剛柔耦合四連桿轉彎操縱機構設計

四連桿機構是連桿機構的基礎，它結構簡單，承載能力大，能實現多種運動軌跡曲線和運動規律，因而廣泛應用于工程實踐中。本文提出了一種起落架剛柔耦合四連桿轉彎操縱機構模型，包括水平布置的搖臂和減擺器、通過支架安裝在起落架的支柱外筒一側的轉彎驅動舵機，以及套設于起落架的支柱外筒上且可相對支柱外筒旋轉的轉彎套筒，轉彎套筒的外圓周上設有安裝支架；轉彎驅動舵機具有豎向布置的輸出軸，輸出軸與搖臂的一端固連，搖臂的另一端與減擺器的一端鉸接，減擺器的另一端與轉彎套筒上的安裝支架鉸接，轉彎套筒與起落架的防扭臂固連；轉彎驅動舵機旋轉時可帶動搖臂和減擺器擺動，搖臂和減擺器擺動以驅動轉彎套筒繞支柱外筒旋轉，轉彎套筒繞支柱外筒旋轉以驅使防扭臂帶動前輪轉彎。四連桿轉彎機構模型如圖1所示。

2 剛柔耦合四連桿轉彎操縱機構工作原理

圖1所示四連桿機構，舵機輸出軸中心到支柱外筒中心的距離構成四連桿機構機架桿長，搖臂兩端連接中心孔間的距離構成第一連架桿桿長，減擺器可以左右擺動一個微小距離，減擺器構成四連桿中的氣動連桿，轉彎套筒與減擺器的連接中心到支柱外筒的中心距離構成第二連架桿桿長。飛機轉彎時，給舵機輸入一個轉彎角度，舵機輸出軸的運動啟動四連桿機構，四連桿機構帶動轉彎套筒繞支柱外筒旋轉，轉彎套筒通過上下防扭臂將運動傳遞到輪叉上，輪叉轉動帶動起落架支柱活塞桿在支柱外筒內部旋轉，從而固定在輪叉上的前輪實現轉彎操縱。飛機前輪左轉彎如圖2（a）所示，回中如圖2（b）所示，右轉如圖2（c）所示。

圖1 四連桿轉彎機構模型

圖2 轉彎操縱示意圖

減擺器作為四連桿機構中的氣動連桿，當飛機前輪轉彎操縱時充當剛性連桿，當飛機直線滑行時，充當阻尼器作為柔性連桿能有效避免機體發生擺振，剛柔耦合，集轉彎減擺為一體，結構簡單，構型緊湊。減擺器工作原理如下文所述。

2.1 減擺器

減擺器結構簡圖如圖3所示，減擺器的A腔體和B腔體通過充氣孔充有設定壓力的高壓氣體，設定氣體壓力的值應能平衡起落架最大轉彎力矩，C腔體為正常大氣壓力。當減擺器的活塞桿耳環接頭受到向右的拉力，并且該力不足以克服B腔體氣體的壓力，此時活塞桿處于中立位置不移動，整個減擺裝置相當于一個剛性連桿；如果該力較大，可以克服B腔體內的壓力，活塞桿向右移動，E腔體的油液通過阻尼孔進入D腔體，減擺裝置作阻尼器使用。如果這個外力是一個向左的壓力，并且該力不足以克服氣體彈簧內A腔體內的壓力時，此時活塞桿不會移動，此時減擺裝置作剛性連桿使用；當該力可以克服A腔體內的壓力時，活塞桿帶動活塞向左移動，阻尼器內的油液從D腔體竄入E腔體，減擺裝置作阻尼器使用。

圖3 減擺器結構簡圖

減擺器作為剛柔耦合連桿，當起落架轉彎操縱時，減擺器內部高壓氣體將減擺器保持在中立位置。此時，減擺器作為轉彎四連桿機構中的一個剛性連桿。起落架在地面直線滑跑時，機輪輪胎受到的沖擊載荷迫使起落架左右擺振，當沖擊載荷傳遞到減擺器上，強大的沖擊載荷將減擺器壓縮或拉伸，迫使減擺器一腔體中油液通過活塞中阻尼孔流入另一腔體，從而將沖擊能量在一定周期內耗散掉，實現起落架減擺阻尼，此時減擺器為柔性連桿。下文將具體研究減擺器充當剛性連桿時轉彎機構的傳動比。

3 剛柔耦合四連桿轉彎操縱機構仿真分析

在平面四連桿機構中，曲柄搖桿機構和雙曲柄機構是最常用的兩種。根據前輪轉彎機構的實際應用，本文中四連桿轉彎操縱機構選取曲柄搖桿機構進行分析，四連桿轉彎操縱機構如圖4所示，ABCD為曲柄搖桿機構，AB（支柱外筒）為機架，BC（搖臂）曲柄為輸入構件，CD（阻尼器/減擺器）為連桿，AD（轉彎套筒）搖桿為輸出構件。

圖4 四連桿運動機構簡圖

當曲柄處于BC時，四連桿機構中曲柄存在的條件為：1）BC+CD≤AD+AB；2）BC+AD≤AB+CD。

曲柄搖桿機構的成立的條件為：1）最長桿和最短桿之和不大于其余兩桿之和；2）最短桿為曲柄。

根據上述機械原理的應用[3]，選取：AB=94 mm; BC =35 mm；CD=119 mm；AD=82 mm。

傳動比是連桿機構最基本的性能參數，對于四桿機構而言，其傳動比大小不是固定不變的，而是在一定數值范圍內波動。掌握四連桿機構傳動比的數值波動范圍，可根據原動件的運動規律，求出從動件的運動規律。本文在CATIA環境下對機構進行運動仿真，給原動件一個驅動角度，得到從動件的輸出角度，從而求出傳動比的數值波動范圍。

在CATIA的DMU運動機構環境中，建立4個link分別為AB（支柱外筒）、BC（搖臂）、CD（阻尼器/減擺器）、AD（轉彎套筒）及4個REVOLUTE JOIN：J001～ J004均為旋轉副，J001有一個常數驅動即舵機輸出軸旋轉，其輸入角度范圍為-30°～30°。建立模型仿真機制后，啟動機制，激活傳感器，監測J004的輸出角度，機構仿真界面如圖5所示。

圖5 四連桿運動機構仿真界面

圖6 轉彎機構傳動比與轉彎角度關系曲線

4 結論

本文構建了一種剛柔耦合四連桿轉彎機構，在四連桿機構中集成了剛柔耦合連桿，實現了轉彎、減擺一體化功能，分析了其工作原理，并通過CATIA軟件對剛性四連桿機構進行建模仿真分析，給出了一種其傳動比的分析方法。在實際應用中可根據傳動比結合工況設置舵機的驅動角度。與傳統的起落架前輪轉彎機構相比，剛柔耦合四連桿轉彎機構大大降低了結構的空間占用率，減重效果顯著，傳動可靠，為起落架研發人員給出了一種新的設計思路。