某型民用飛機(jī)艙門外手柄機(jī)構(gòu)研究分析

楊炎通

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

0 引言

手柄的類型并沒(méi)有固定的形式，滿足適航要求和設(shè)計(jì)要求即可。艙門機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[1]要求簡(jiǎn)單直接，因此外手柄的位置布置不僅要考慮艙門結(jié)構(gòu)空間的要求，而且外手柄還要靠近閂鎖機(jī)構(gòu)位置，最后還要考慮人機(jī)工程因素[2]。本文中介紹的外手柄機(jī)構(gòu)為上下翻轉(zhuǎn)打開(kāi)的形式。

1 外手柄機(jī)構(gòu)的功能

本文外手柄機(jī)構(gòu)的詳細(xì)功能如下：操作人員在飛機(jī)外側(cè)扳動(dòng)外手柄可以直接打開(kāi)艙門；操作人員在飛機(jī)內(nèi)部用內(nèi)手柄開(kāi)門時(shí)，外手柄保持靜止，且不會(huì)對(duì)此過(guò)程造成任何阻礙；在用內(nèi)手柄打開(kāi)艙門后并將艙門保持打開(kāi)位置時(shí)，可以通過(guò)外手柄來(lái)關(guān)閉并鎖定艙門。

2 外手柄機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

艙門對(duì)飛機(jī)安全有著直接影響，而艙門打開(kāi)或關(guān)閉的運(yùn)動(dòng)需要手柄機(jī)構(gòu)才能進(jìn)行，按照CCAR25.783[3]艙門條款的說(shuō)明：“每扇外部艙門必須有措施鎖定并保險(xiǎn)，以防止飛行中打開(kāi)（被人無(wú)意中打開(kāi)或是由于關(guān)閉時(shí)或關(guān)閉后機(jī)構(gòu)損壞或單個(gè)結(jié)構(gòu)元件損壞而打開(kāi)）”。針對(duì)自身功能和適航條款的要求，大多數(shù)飛機(jī)艙門外手柄會(huì)有以下設(shè)計(jì)要求：

1）外手柄能夠被95%的男性帶著手套進(jìn)行操作；

2）手柄把手的形狀和位置在聯(lián)合定義階段確定；

3）外手柄上的任意點(diǎn)能承受來(lái)自任何方向的300 lb（約合136 kg）的極限載荷；

4）空氣動(dòng)力、重力、振動(dòng)、擺動(dòng)、結(jié)冰或溫度等單獨(dú)或組合作用下，外手柄都不能被意外操作。

3 外手柄機(jī)構(gòu)的原理設(shè)計(jì)及分析

本套外手柄機(jī)構(gòu)可以分為翻板鎖機(jī)構(gòu)和離合機(jī)構(gòu)兩部分，兩機(jī)構(gòu)為串聯(lián)式機(jī)構(gòu)[4]。

3.1 離合機(jī)構(gòu)

離合機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外手柄相互獨(dú)立且在特定情況下可以聯(lián)動(dòng)的功能，如圖1所示，由多個(gè)拉桿、搖臂、彈簧等構(gòu)成的小構(gòu)件組成。下文將對(duì)外手柄機(jī)構(gòu)的各個(gè)過(guò)程進(jìn)行逐一分析。

圖1 離合機(jī)構(gòu)

1）外手柄關(guān)閉并鎖定。門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，彈簧拉桿和連桿1的合力是讓手柄翻板趨于關(guān)閉的。

2）扳動(dòng)外手柄開(kāi)門。翻板在趨于打開(kāi)時(shí)（此時(shí)忽略下文中提到的橡膠圈，單獨(dú)分析手柄自身），翻板轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)彈簧拉桿擺動(dòng)，由于連桿1長(zhǎng)度不變，拉桿想要擺動(dòng)需要拉桿1和滑塊發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即滑塊壓縮彈簧1，翻板轉(zhuǎn)動(dòng)需要克服彈簧1的力，沒(méi)有力驅(qū)使彈簧2變形，彈簧拉桿總長(zhǎng)度不變。

隨著翻板翻動(dòng)，通過(guò)彈簧拉桿、搖臂、連桿等帶動(dòng)離合鉤繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)一定角度后，離合鉤勾緊離合襯套，此時(shí)離合鉤由于被襯套阻擋無(wú)法繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，即造成了搖臂“卡滯”，故繼續(xù)扳動(dòng)翻板會(huì)使彈簧拉桿會(huì)變長(zhǎng)，即彈簧2被壓縮。

在翻板翻動(dòng)一定角度后，翻板軸、鉸接點(diǎn)、彈簧拉桿會(huì)處于同一條直線上，此時(shí)達(dá)到“過(guò)中心”狀態(tài)，此時(shí)彈簧拉桿的長(zhǎng)度需大于它的初始長(zhǎng)度，保證離合鉤在翻板“過(guò)中心”后也始終鎖緊離合襯套，完成“上鎖”。

曲柄2是與外手柄固連的（如圖1），曲柄1與手柄軸固連，外手柄在開(kāi)啟時(shí)曲柄2直接推動(dòng)曲柄1運(yùn)動(dòng)，此時(shí)如果需要關(guān)閉外手柄，離合鉤才會(huì)拉住離合襯套，從而帶動(dòng)手柄軸完成關(guān)閉運(yùn)動(dòng)。

3）扳動(dòng)外手柄開(kāi)門。在內(nèi)手柄開(kāi)門時(shí)，內(nèi)手柄軸通過(guò)齒輪箱或其他聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)外手柄軸轉(zhuǎn)動(dòng)，與外手柄軸固連的曲柄1會(huì)隨動(dòng)，但曲柄1上的離合襯套會(huì)直接跨過(guò)離合鉤，不會(huì)帶動(dòng)外手柄上的其它零件運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)從內(nèi)手柄打開(kāi)登機(jī)門時(shí)外手柄不會(huì)隨動(dòng)的功能。

在用內(nèi)手柄開(kāi)門后，想用外手柄關(guān)門，需先將外手柄處于打開(kāi)狀態(tài)。如圖2所示，在翻板完全打開(kāi)后，扳動(dòng)外手柄，當(dāng)外手柄轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度時(shí)離合鉤外曲面接觸離合襯套，由于手柄翻板處于打開(kāi)限位處，無(wú)法繼續(xù)打開(kāi)，離合襯套被手柄軸限制無(wú)法被離合鉤向外擠壓而運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)扳動(dòng)外手柄時(shí)，離合鉤不得不通過(guò)搖臂拉動(dòng)彈簧拉桿使之變長(zhǎng)（即壓縮彈簧2），在彈簧力的作用下，離合鉤與離合襯套一直緊貼并發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如圖2所示，外弧面先接觸離合襯套并發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，直到圖2中最后的狀態(tài)，在離合鉤小弧面跨過(guò)彈簧襯套后，離合鉤會(huì)被已被拉長(zhǎng)的彈簧拉桿勾住離合襯套，完成鎖定，此時(shí)可用外手柄關(guān)閉并上鎖已經(jīng)打開(kāi)的艙門。

圖2 門在打開(kāi)后扳動(dòng)外手柄至打開(kāi)狀態(tài)

在關(guān)閉外手柄鎖定艙門時(shí)，離合襯套給離合鉤的力不應(yīng)有脫鉤的趨勢(shì)，傳動(dòng)角應(yīng)設(shè)置成驅(qū)動(dòng)離合鉤上鉤的狀態(tài)。

4）扳動(dòng)外手柄開(kāi)門。如外手柄各個(gè)機(jī)構(gòu)示圖所示，機(jī)構(gòu)中采用多套平面四桿機(jī)構(gòu)，但是四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，存在誤差，會(huì)使機(jī)構(gòu)不易精確地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要減小誤差對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的干擾。減小誤差有兩個(gè)方法，一是通過(guò)研究桿件長(zhǎng)度等機(jī)構(gòu)因素來(lái)分析四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而提高傳動(dòng)精度。為避免輸出角φ3波動(dòng)過(guò)大，l1和l3的公差應(yīng)盡可能取小值，l2和l4的長(zhǎng)度變化對(duì)輸出角φ3的影響可以相互抵消[5]，故在設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮嚴(yán)格控制l1和l3的公差，稍微放開(kāi)l2和l4以節(jié)約制造成本。

二是通過(guò)設(shè)置調(diào)整組件來(lái)彌補(bǔ)機(jī)構(gòu)在制造過(guò)程中產(chǎn)生的誤差對(duì)傳動(dòng)精度的影響。當(dāng)離合機(jī)構(gòu)因?yàn)檎`差而無(wú)法完成某些功能時(shí)，可以調(diào)節(jié)離合襯套及離合鉤轉(zhuǎn)軸的位置，來(lái)彌補(bǔ)制造和裝配的誤差。

3.2 翻板鎖機(jī)構(gòu)

翻板鎖機(jī)構(gòu)的主要作用是鎖定/解除鎖定手柄機(jī)構(gòu)，由翻板、翻板鎖（叉子）、襯套、彈簧桿、橡膠圈組成，如圖4所示。翻板鎖、橡膠圈與艙門結(jié)構(gòu)（手柄盒）固連，襯套固連在翻板上，彈簧桿一端鉸接在翻板上，一端與搖臂鉸接。

圖3 四桿機(jī)構(gòu)分析圖

圖4 翻版鎖機(jī)構(gòu)

艙門關(guān)閉并鎖定時(shí)，手柄翻板在彈簧桿的作用下處于關(guān)閉的狀態(tài)，襯套被與結(jié)構(gòu)固連的翻板鎖勾住，此時(shí)外手柄被翻板鎖鎖定，外手柄不會(huì)因?yàn)閼T性力、氣動(dòng)力等其他外力打開(kāi)，但是需要設(shè)計(jì)翻板關(guān)閉限位來(lái)保證翻板、手柄和艙門蒙皮的階差。

扳動(dòng)外手柄前需打開(kāi)翻板，翻動(dòng)翻板的同時(shí)，翻板上的襯套離開(kāi)翻板鎖，此時(shí)手柄處于解鎖狀態(tài)，可以扳動(dòng)外手柄。當(dāng)操作者需要通過(guò)外手柄來(lái)開(kāi)門時(shí)，人手指按下手柄翻板、伸入手柄并握住手柄把手，在翻板向內(nèi)翻動(dòng)一定距離時(shí)（距離的具體數(shù)值由設(shè)計(jì)者給定，滿足人機(jī)功效學(xué)要求），橡膠圈和彈簧連桿的合力應(yīng)使驅(qū)使手柄翻板閉合，即設(shè)計(jì)者可以選擇此時(shí)翻板沒(méi)有過(guò)中心，或者翻板已經(jīng)過(guò)中心但橡膠圈給翻板的力大于彈簧力，這樣設(shè)計(jì)的意義在于翻板在任何時(shí)候可以自動(dòng)關(guān)閉。同樣，需要設(shè)計(jì)翻板打開(kāi)位置限位。

如圖5所示，翻板在閉合情況下關(guān)閉外手柄，手柄旋轉(zhuǎn)至襯套剛好接觸翻板鎖后繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，襯套會(huì)沿著翻板鎖曲面滑動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)手柄翻板克服彈簧拉桿拉力向內(nèi)翻動(dòng)（翻板打開(kāi)），直至滑動(dòng)到鎖底部（翻板關(guān)閉），同時(shí)手柄完全關(guān)閉，此時(shí)襯套在彈簧拉桿的作用下進(jìn)入鎖底部，完成手柄上鎖。

圖5 在翻板關(guān)閉時(shí)關(guān)閉外手柄

如圖6所示，翻板在打開(kāi)的情況下關(guān)閉手柄，外手柄關(guān)閉時(shí)，手柄翻板內(nèi)緣會(huì)先接觸橡膠圈，隨著手柄繼續(xù)關(guān)閉，橡膠圈的壓縮量逐漸變大，到某一時(shí)刻橡膠圈的彈力會(huì)大于彈簧拉桿給翻板的拉力，促使翻板完成過(guò)中心運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而關(guān)閉翻板并使手柄上鎖。

圖6 在翻板打開(kāi)時(shí)關(guān)閉外手柄

4 結(jié)論

本文對(duì)一種外手柄機(jī)構(gòu)的各個(gè)功能及其原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，分析了各個(gè)狀態(tài)下機(jī)構(gòu)中每個(gè)零組件的作用，并得出以下結(jié)論：

1）內(nèi)手柄開(kāi)門時(shí)，內(nèi)手柄帶動(dòng)外手柄軸上的曲柄（安裝離合襯套的曲柄）越過(guò)離合鉤運(yùn)動(dòng)，即外手柄軸動(dòng)而外手柄不動(dòng)。

2）外手柄開(kāi)門時(shí)，與外手柄固連的曲柄推動(dòng)與手柄軸固連的曲柄進(jìn)行解閂解鎖運(yùn)動(dòng)；外手柄關(guān)門時(shí)，離合鉤勾緊離合襯套，完成外手柄驅(qū)動(dòng)手柄軸的運(yùn)動(dòng)。

3）用外手柄關(guān)門并鎖定時(shí)，離合襯套給離合鉤的合力，不應(yīng)驅(qū)使離合鉤解鉤。

4）多套四桿機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成桿長(zhǎng)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)結(jié)果影響較小，以避免因制造和裝配誤差而造成外手柄功能失效的情況發(fā)生。