某型民用飛機(jī)散貨艙門打開(kāi)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

張秀麗，馬巖

（中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110179）

0 引言

散貨艙門位于后機(jī)身地板平面下部，在后貨艙門后部與后貨艙相通，散貨艙主要用于存放旅客的散件行李。散貨艙門在機(jī)身上的位置如圖1所示，圖中的白色曲線為散貨艙門在機(jī)身上的開(kāi)口曲線。散貨艙門采用堵塞式設(shè)計(jì)方案，艙門與口框縱梁間采用擋塊的形式進(jìn)行連接，艙門打開(kāi)的時(shí)候向艙內(nèi)向上翻轉(zhuǎn)打開(kāi)。打開(kāi)機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)艙門從關(guān)閉位置到打開(kāi)位置的功能，并控制艙門在打開(kāi)過(guò)程中的姿態(tài)[1]。

圖1 散貨艙門在機(jī)身上的位置

1 打開(kāi)機(jī)構(gòu)的組成

艙門的打開(kāi)機(jī)構(gòu)一般包括打開(kāi)機(jī)構(gòu)與打開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分，由于該散貨艙門是向內(nèi)向上打開(kāi)的，不存在半堵塞式艙門提升后艙門位于機(jī)身開(kāi)口上部的問(wèn)題，只需定義艙門的鉸接點(diǎn)直接控制艙門的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以將艙門上的鉸鏈臂與艙門結(jié)構(gòu)固接，并定義鉸鏈臂與機(jī)身結(jié)構(gòu)的鉸接點(diǎn)，通過(guò)鉸鏈臂的旋轉(zhuǎn)就可以帶動(dòng)整個(gè)艙門旋轉(zhuǎn)，與艙門固接的鉸鏈臂即可作為艙門的打開(kāi)機(jī)構(gòu)。所以該打開(kāi)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是打開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2 打開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求及動(dòng)力源的選擇

2.1 打開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

打開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由打開(kāi)動(dòng)力源和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分組成。打開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為艙門的打開(kāi)提供動(dòng)力，并控制打開(kāi)速率。打開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足如下設(shè)計(jì)要求：

1）在艙門完全關(guān)閉時(shí)，打開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)該只對(duì)艙門有很小的驅(qū)動(dòng)載荷，并且此載荷不應(yīng)使艙門有打開(kāi)的趨勢(shì)。

2）使艙門在打開(kāi)的過(guò)程中不需要外力驅(qū)動(dòng)或者只需要比較小的外力驅(qū)動(dòng)；因艙門在打開(kāi)過(guò)程中打開(kāi)角度的變化，艙門重力及風(fēng)載等對(duì)轉(zhuǎn)軸的力矩也在不斷變化，導(dǎo)致打開(kāi)艙門需要的力矩是不斷變化的，因此打開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成開(kāi)門驅(qū)動(dòng)力矩與艙門打開(kāi)所需力矩的變化相匹配，不會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開(kāi)門所需力矩，使艙門的整個(gè)打開(kāi)運(yùn)動(dòng)相對(duì)平緩，避免打開(kāi)過(guò)快或者不能完全打開(kāi)艙門。

3）打開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置不能影響艙門的凈開(kāi)口[2-3]。

2.2 打開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力源的選擇

艙門打開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源即為艙門打開(kāi)運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力的裝置，飛機(jī)艙門上常見(jiàn)的動(dòng)力源主要有液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式和機(jī)械式等[4]，如表1所示。

表1 艙門常用動(dòng)力源

在選擇動(dòng)力源時(shí)主要考慮的因素有：動(dòng)力源的輸出載荷大小、動(dòng)力源是否安全可靠、在有限的空間內(nèi)是否可以對(duì)其進(jìn)行外觀及性能等方面參數(shù)的設(shè)計(jì)。由于散貨艙門相對(duì)較小，質(zhì)量輕，不需要太大的驅(qū)動(dòng)力，再綜合艙門空間布局等因素，本艙門采用了氣動(dòng)式的驅(qū)動(dòng)方案。氣動(dòng)式驅(qū)動(dòng)比較典型的應(yīng)用就是氣彈簧，由于氣彈簧是獨(dú)立的裝置，不需要機(jī)身動(dòng)力系統(tǒng)的支持，相對(duì)更加安全可靠。打開(kāi)及打開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)型如圖2所示。圖中的驅(qū)動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)與動(dòng)力源和艙門結(jié)構(gòu)相連。

圖2 打開(kāi)及打開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成

打開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)根據(jù)艙門結(jié)構(gòu)形式及打開(kāi)艙門所需要的推力選取氣彈簧。氣彈簧作為動(dòng)力源不但為艙門打開(kāi)提供動(dòng)力，還可通過(guò)合理的設(shè)計(jì)提供合適的阻尼從而限制艙門打開(kāi)速度。

驅(qū)動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)的作用為：1）將氣彈簧和機(jī)身結(jié)構(gòu)連接起來(lái)；2）由于制造誤差可能會(huì)導(dǎo)致氣彈簧不能完全與設(shè)計(jì)位置重合，而中間增加可調(diào)節(jié)桿長(zhǎng)的四桿機(jī)構(gòu)就可以很好地實(shí)現(xiàn)安裝調(diào)整；3）可以實(shí)現(xiàn)氣彈簧的驅(qū)動(dòng)力矩的調(diào)整，使驅(qū)動(dòng)載荷與重力和風(fēng)載保持基本匹配，避免載荷突變。

3 打開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理及分析

3.1 打開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

圖3中ACD為艙門結(jié)構(gòu)，AB為機(jī)身固定端。鉸鏈臂與艙門結(jié)構(gòu)固定連接。艙門圍繞鉸鏈臂的鉸接點(diǎn)A旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)打開(kāi)。

圖3 打開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理分析圖

DG為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，當(dāng)前方案選擇為氣彈簧。DG驅(qū)動(dòng)連桿CEG轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿CEG、連桿BE、連桿AC、AB構(gòu)成一套四桿機(jī)構(gòu)，連桿CEG的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)艙門結(jié)構(gòu)AC相對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)AB的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此活動(dòng)構(gòu)件為連桿CEG、連桿BE、連桿AC。

機(jī)構(gòu)自由度F的計(jì)算：F=3N－2PL－Ph。式中：N為活動(dòng)連桿的數(shù)量；PL為低副連接的數(shù)量；Ph為高副的數(shù)量。N=3；4個(gè)鉸接點(diǎn)分別為A、B、C、E，PL=4；沒(méi)有高副，則Ph=0。

該機(jī)構(gòu)自由度為F=3×3－2×4－0=1，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式唯一[5]。

3.2 氣彈簧載荷分析

為了選擇合適的氣彈簧需要對(duì)艙門打開(kāi)過(guò)程中所承受的載荷進(jìn)行分析，艙門在打開(kāi)過(guò)程中主要承受重力載荷、風(fēng)載、摩擦力，以及氣彈簧的驅(qū)動(dòng)載荷。由于在打開(kāi)過(guò)程中重力、風(fēng)載與氣彈簧輸出力對(duì)艙門的轉(zhuǎn)軸的力矩是不斷變化的，在這里基于CATIA草圖分析模塊，通過(guò)作圖法可以得到艙門打開(kāi)任意角度時(shí)氣彈簧和重力載荷對(duì)艙門旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)矩，如圖4所示。

圖4 氣彈簧打開(kāi)力矩分析草圖

由于氣彈簧在打開(kāi)過(guò)程中是不斷伸長(zhǎng)的，即圖4中L長(zhǎng)度變長(zhǎng)，其輸出的力也是不斷變化的，通過(guò)CATIA草圖模擬分析，可以得到氣彈簧輸出力一定時(shí)對(duì)A點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩與氣彈簧長(zhǎng)度L和艙門打開(kāi)角度α之間的關(guān)系，再結(jié)合氣彈簧輸出力與長(zhǎng)度的關(guān)系就可以得出氣彈簧的輸出力矩與打開(kāi)角度α的關(guān)系。同理，通過(guò)草圖模擬可以得出重力及風(fēng)載對(duì)A點(diǎn)的力矩與打開(kāi)角度α的關(guān)系。

綜上，在已知風(fēng)載和艙門重力的情況下可以選擇合適的氣彈簧使開(kāi)門全行程內(nèi)氣彈簧的驅(qū)動(dòng)力矩與重力及風(fēng)載等載荷對(duì)艙門的關(guān)門力矩盡量匹配，從而盡可能選擇輸出力相對(duì)小的氣彈簧，以減小氣彈簧質(zhì)量，并減少關(guān)門力矩。同時(shí)在草圖分析時(shí)可以調(diào)節(jié)每個(gè)連桿的長(zhǎng)度及其相互之間的角度，就會(huì)得到不同的氣彈簧輸出力矩曲線，從而選擇最優(yōu)的方案。

4 運(yùn)動(dòng)仿真

以上通過(guò)草圖模塊設(shè)計(jì)出打開(kāi)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理圖，并模擬了該打開(kāi)機(jī)構(gòu)的平面運(yùn)動(dòng)[6]。但是平面草圖不能清晰地了解各個(gè)零件之間及其與艙門結(jié)構(gòu)零件之間的空間位置關(guān)系，因此可通過(guò)CATIA的運(yùn)動(dòng)仿真模塊對(duì)艙門的打開(kāi)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬。根據(jù)以上設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理草圖，創(chuàng)建三維模型并進(jìn)行裝配，如圖5所示。

在將所有相關(guān)零件數(shù)模裝配到位后，即可對(duì)艙門的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬。在CATIA的運(yùn)動(dòng)仿真模塊中，根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理在各個(gè)零組件之間添加運(yùn)動(dòng)副，在該艙門打開(kāi)運(yùn)動(dòng)模擬時(shí)共需在艙門結(jié)構(gòu)、機(jī)身結(jié)構(gòu)及打開(kāi)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)四桿和氣彈簧之間添加6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和1個(gè)移動(dòng)副，驅(qū)動(dòng)命令為氣彈簧的長(zhǎng)度伸長(zhǎng)75 mm，實(shí)現(xiàn)艙門打開(kāi)角度為60°，滿足凈開(kāi)口要求。通過(guò)仿真模擬發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)連桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與艙門上邊框干涉，故將該拉桿修改成彎曲的形式，修改后重新模擬，沒(méi)有出現(xiàn)干涉和卡滯，機(jī)構(gòu)滿足時(shí)序和功能要求。艙門完全關(guān)閉和完全打開(kāi)時(shí)的狀態(tài)如圖6所示。

圖5 打開(kāi)機(jī)構(gòu)三維模型

圖6 艙門關(guān)閉和打開(kāi)狀態(tài)

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)散貨艙門的打開(kāi)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)要分析引入打開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并對(duì)打開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力源的選擇、機(jī)構(gòu)原理及驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行了詳細(xì)的分析，最終通過(guò)運(yùn)動(dòng)模擬驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的艙門打開(kāi)機(jī)構(gòu)滿足功能要求。通過(guò)以上過(guò)程可得出以下結(jié)論：1）基于散貨艙門的打開(kāi)方式、艙門質(zhì)量及結(jié)構(gòu)布置等，結(jié)合各種動(dòng)力源的特點(diǎn)選擇氣彈簧作為該艙門的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源可以滿足要求；2）可通過(guò)CATIA草圖分析模塊完成機(jī)構(gòu)的初步原理設(shè)計(jì)及初步的載荷分析，并基于分析結(jié)果選擇合適的氣彈簧；3）可通過(guò)CATIA運(yùn)動(dòng)仿真模擬艙門的打開(kāi)運(yùn)動(dòng)，從而驗(yàn)證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理及可行性。