軸內(nèi)操縱自動傾斜器運動學仿真分析*

于富侃，董錦山，鄭俊偉，李永鑫

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引 言

直升機飛行所需的動力是旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，飛行過程中的操縱力來源則是通過操縱旋翼槳葉改變升力合力方向來實現(xiàn)。而自動傾斜器則是實現(xiàn)旋翼操縱的最重要部件之一。

自動傾斜器的主要功能是傳遞運動和操縱載荷。為了能將駕駛員的周期變距操縱和總距操縱傳遞至繞旋翼軸高速旋轉(zhuǎn)的每片槳葉，自動傾斜器應(yīng)該由繞旋翼軸高速旋轉(zhuǎn)部分和不旋轉(zhuǎn)部分兩大部分組成，這兩部分之間有相對的高速轉(zhuǎn)動，并且能夠一起滑移和任意方向的傾斜運動。

目前絕大多數(shù)自動傾斜器構(gòu)型均為軸外操縱構(gòu)型，設(shè)計分析也相對成熟。但是對于國內(nèi)直升機很少采用的軸內(nèi)操縱自動傾斜器的涉足不深，設(shè)計分析手段也稍顯不足。

筆者主要介紹一種應(yīng)用于蹺蹺板式旋翼的軸內(nèi)操縱構(gòu)型自動傾斜器，搭建此類構(gòu)型自動傾斜器的運動仿真平臺，仿真分析該型自動傾斜器的結(jié)構(gòu)運動特征，并通過運動分析解決結(jié)構(gòu)設(shè)計中參數(shù)確定的問題。

1 自動傾斜器構(gòu)型及運動仿真

常規(guī)軸外自動傾斜器為環(huán)式球鉸結(jié)構(gòu)，具體構(gòu)成包括動環(huán)組件、不動環(huán)組件、大球鉸組件、大軸承、扭力臂組件、防扭臂組件和變距拉桿組件等(見圖1)。

在功能上，常規(guī)軸外自動傾斜器通過沿固定在主減上端的導筒上下滑動實現(xiàn)旋翼的總距操縱，通過繞大球鉸的傾轉(zhuǎn)實現(xiàn)旋翼的周期變距操縱；扭力臂組件通過與主軸相連的卡環(huán)帶動動環(huán)與主軸同步旋轉(zhuǎn)；防扭臂一端連接在主減速器殼體上，防止不動環(huán)被動環(huán)帶轉(zhuǎn)；不動環(huán)三個叉耳分別與三個操縱舵機相連。來自舵機的旋翼操縱(含總距和周期變距操縱)通過不動環(huán)和大軸承傳遞到動環(huán)上，進一步傳遞到變距拉桿，最終完成槳葉的變距。

圖1 常規(guī)環(huán)式球鉸自動傾斜器組成

運動分析基于Catia Kinetimatics模塊的運動學分析，通過模擬真實自動傾斜器運動情況，有效求解各部件之間的運動關(guān)系，輔助確定各結(jié)構(gòu)參數(shù)。能夠解決傳動機構(gòu)設(shè)計中周期長、效率低、精度低，參數(shù)調(diào)整等困難。

常規(guī)自動傾斜器的運動仿真建模步驟：

定義機架件：導筒，定義運動性質(zhì)包括以下4個。

(1)總距操縱：大球鉸沿導筒的上下平動。

(2)周期變距縱向操縱：動環(huán)不動環(huán)組件繞橫向變距軸的傾斜轉(zhuǎn)動。

(3)周期變距橫向操縱：動環(huán)不動環(huán)組件繞縱向變距軸的傾斜轉(zhuǎn)動。

(4)旋翼方位：動環(huán)繞不動環(huán)的旋轉(zhuǎn)運動。

定義運動機構(gòu)連接運動副的類型：

(1)轉(zhuǎn)動運動副：旋翼軸/導筒，卡環(huán)/扭力臂方形臂，扭力臂方形臂/扭力臂三角臂，防扭臂安裝座/防扭臂方形臂，防扭臂方形臂/防扭臂三角臂，動環(huán)/不動環(huán)。

(2)球鉸運動副：不動環(huán)/大球鉸，扭力臂三角臂/動環(huán)，防扭臂三角臂/不動環(huán)，變距拉桿/變距搖臂，變距拉桿/動環(huán)，舵機/不動環(huán)。

(3)圓柱運動副：大球鉸/導筒。

(4)固接：卡環(huán)/旋翼軸，導筒/舵機下安裝座/防扭臂安裝座。

建立骨架模型：根據(jù)各構(gòu)件的主要輪廓特征建立對應(yīng)的骨架模型，該模型應(yīng)能體現(xiàn)構(gòu)件的主要幾何參數(shù)并盡量簡單，并且所有可變幾何尺寸應(yīng)參數(shù)化以便后期的快速更改。理論上可以使用實際的零件實體模型構(gòu)建運動學仿真模型，但更傾向于先建立骨架模型，然后將實體固接到對應(yīng)的“骨架”上去，這樣做的目的一方面提高仿真模型的可讀性，另外也便于參數(shù)的更改及提升模型的健壯性。然后將各種“接合”連接起來，同時固定好機架件，定義好原動機的驅(qū)動類型及范圍。最后將各構(gòu)件的實體模型利用“剛性接頭”“綁定”到對應(yīng)的骨架上去。

其運動仿真骨架模型及實體模型如圖2。

圖2 骨架模型及綁定實體后的仿真模型

2 軸內(nèi)操縱自動傾斜器運動仿真分析

盡管常規(guī)環(huán)式球鉸構(gòu)型自動傾斜器已經(jīng)過多年驗證能夠很好的運用于多種旋翼構(gòu)型，但對于某些特定旋翼構(gòu)型，特殊的軸內(nèi)操縱型式卻能在某些方面更具優(yōu)勢。通過搭建此構(gòu)型的運動仿真分析平臺，提供該新型構(gòu)型結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析手段，為實現(xiàn)對該構(gòu)型設(shè)計的設(shè)計成熟性打下基礎(chǔ)。

2.1 構(gòu)型特點分析

所謂軸內(nèi)操縱構(gòu)型自動傾斜器，指的是自動傾斜器主要結(jié)構(gòu)全部或部分穿過主旋翼軸，文中所分析的軸內(nèi)操縱自動傾斜器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 軸內(nèi)操縱自動傾斜器結(jié)構(gòu)示意圖

該型結(jié)構(gòu)主要由動環(huán)不動環(huán)組件、變距拉桿組件和防扭拉桿組件等構(gòu)成。變距拉桿組件實際上是一套桿系，由長拉桿組件、短拉桿組件和支撐件，搖桿等構(gòu)成；動環(huán)不動環(huán)組件位于主減速器下方，動環(huán)位于不動環(huán)之內(nèi)；長拉桿組件從主旋翼軸中間穿過，通過位于主槳轂上方的支撐件組件、搖桿和小拉桿連接，最后連接蹺蹺板旋翼主槳轂變距搖臂，實現(xiàn)完整變距桿系的串聯(lián)；防扭拉桿通過與機身相連，以實現(xiàn)防止不動環(huán)旋轉(zhuǎn)功能。

為實現(xiàn)自動傾斜器功能，從運動學角度來分析其構(gòu)型，該型自動傾斜器與常規(guī)自動傾斜器的不同在以下方面。

(1)使用兩副深溝球軸承組成的十字鉸代替球鉸來實現(xiàn)動環(huán)不動環(huán)傾斜運動，動環(huán)置于不動環(huán)內(nèi)部，動環(huán)半徑小，傳動比大，但總的動環(huán)不動環(huán)運動空間范圍小，同時動環(huán)不動環(huán)組件位于主減之下，都利于小噸位總體空間布置。

(2)通過上下兩對滑塊組成的滑動副來代替球鉸與導筒的滑動，以實現(xiàn)自動傾斜器上下運動而實現(xiàn)總距運動，同時滑塊通過承擔側(cè)向力，可直接傳遞旋翼軸至動環(huán)的扭矩，使得動環(huán)及動環(huán)中軸能夠與主軸同步旋轉(zhuǎn)，代替扭力臂的作用。用滑塊和主軸的滑動副將為實現(xiàn)總距和帶轉(zhuǎn)功能的球鉸/導筒運動副和扭力臂合二為一，化繁為簡。

(3)軸內(nèi)的長拉桿，槳轂上方的搖桿，短拉桿構(gòu)成的桿系，可實現(xiàn)雙槳葉旋翼的變距。此種桿系結(jié)合十字鉸結(jié)構(gòu)使得總距、周期變距變成桿系的二維平面運動，而非常規(guī)構(gòu)性變距拉桿的三維體運動。變距桿系取代簡單的二力變距拉桿，化簡為繁，使得變距拉桿關(guān)節(jié)軸承擺角大幅減小，提高了關(guān)節(jié)軸承壽命。

(4)防扭拉桿代替防扭臂，通過直接與機身骨架的橫向連接，通過三自由度的雙鉸鏈二力桿代替原有的方形臂、三角臂運動鏈系，化繁為簡。

2.2 運動學建模

從操縱原理來看，軸內(nèi)操縱與常規(guī)自動傾斜器是一致的，鑒于蹺蹺板旋翼的特點，機構(gòu)的運動性質(zhì)包括以下5個。

(1)旋翼旋轉(zhuǎn)：動環(huán)隨旋翼軸繞不動環(huán)的旋轉(zhuǎn)運動。

(2)總距操縱：自動傾斜器隨滑塊沿旋翼軸滑槽的兩個滑動副上下往復運動。

(3)縱向操縱：動環(huán)不動環(huán)組件繞十字鉸的縱向傾斜運動，并隨旋翼軸旋轉(zhuǎn)傳遞給變距桿系，球鉸合成運動副重新分解為兩個旋轉(zhuǎn)運動副。

(4)橫向操縱：動環(huán)不動環(huán)組件繞十字鉸的橫向傾斜運動，并隨旋翼軸旋轉(zhuǎn)傳遞給變距桿系，球鉸合成運動副重新分解為兩個旋轉(zhuǎn)運動副。

(5)槳葉揮舞：槳葉反對稱揮舞，存在一個自由度的運動。

基于以上運動源，可定義運動機構(gòu)連接運動副的類型(機身骨架為機架件)：

(1)旋轉(zhuǎn)運動副：旋翼軸/機架，不動環(huán)/動環(huán)，動環(huán)中軸/動環(huán)，動環(huán)中軸/滑塊，長拉桿/動環(huán)中軸，搖桿/滑塊，揮舞鉸/主軸，揮舞支臂/揮舞鉸。

(2)球鉸運動副：短拉桿/搖桿，短拉桿/變距搖臂，舵機/不動環(huán)，防扭桿/不動環(huán)，防扭桿/機架。

(3)圓柱運動副：上、下滑塊/主軸。

(4)固接：防扭桿機架連接件/機架。

明確以上運動副后，可搭建此類構(gòu)型自動傾斜器的運動仿真平臺，圖4為骨架模型。

圖4 軸內(nèi)自動傾斜器運動仿真骨架

2.3 主要部件運動學特征仿真分析

構(gòu)建仿真模型后需要有仿真輸入，即各運動性質(zhì)輸入。在本構(gòu)型的基礎(chǔ)上，也即變距操縱輸入和槳葉揮舞輸入。槳葉變距范圍輸入如表1。

表1 槳葉變距范圍

基于以上輸入和已搭建好的運動仿真分析平臺，對各部件進行如下方面分析。

(1)動環(huán)不動環(huán)運動包絡(luò)體分析

在進行各最大變距操縱下，得出動環(huán)不動環(huán)運動包絡(luò)體如圖5。

通過測量分析，包絡(luò)體在200×200×80空間內(nèi)，相比于類似噸位直升機常規(guī)構(gòu)型自動傾斜器動環(huán)不動環(huán)動輒兩、三百的運動半徑，可以體現(xiàn)動環(huán)半徑小帶來的優(yōu)點明顯。

(2)滑塊運動分析

滑塊的運動行程體現(xiàn)在總距，因此在仿真分析過程中，在操縱步驟單步驟為40步長的基礎(chǔ)上，0～40步長總距操縱為低距-高距；40～80，高距-低距。滑塊偏移距離如圖6。

圖5 動環(huán)不動環(huán)運動包絡(luò)體 圖6 滑塊偏移距離分析

上下兩副滑塊在此結(jié)構(gòu)中的作用不言而喻，由于滑塊和主軸的滑動副將為實現(xiàn)總距和帶轉(zhuǎn)功能的球鉸/導筒運動副和扭力臂合二為一，滑塊在主要承擔滑動摩擦的情況下還要承擔扭矩帶來的側(cè)向力。所以滑塊的運動學特征與滑塊的承力能力直接關(guān)聯(lián)，由圖6可以看出滑塊的運動幅度并不大，再通過其他應(yīng)力分析手段，驗證了滑塊的選擇余地很大，并不困難。

(3)變距桿系運動分析

平面運動的變距拉桿桿系，長拉桿類似平行四邊形的平移及變形，搖桿轉(zhuǎn)動，短拉桿擺動，如圖7。

短拉桿關(guān)節(jié)軸承擺角：0～40步長，揮舞最大；40～80，總距和縱橫向周期變距最大；80～120，旋翼旋轉(zhuǎn)1/4圈。關(guān)節(jié)軸承擺角結(jié)果如圖8。

短拉桿擺角：0～40步長總距最大，縱向最大，橫向最大以及揮舞角度最大，40～80旋轉(zhuǎn)兩周。短拉桿擺角結(jié)果如圖9。

搖桿擺角：0～40步長總距最大，縱、橫向最大以及揮舞角度最大，40～80旋轉(zhuǎn)兩周。搖桿擺角結(jié)果如圖10。

圖7 變距桿系運動示意 圖8 短拉桿關(guān)節(jié)軸承擺角

圖9 短拉桿擺角 圖10 搖桿擺角

平面運動的最大優(yōu)點即是短拉桿關(guān)節(jié)軸承擺角極小，長拉桿甚至可采用深溝球軸承，即使在槳葉揮舞的作用下，短拉桿擺角也有限，這就使得關(guān)節(jié)軸承的壽命提高，而且短拉桿及搖桿的擺動角幅度均不大，不管從運動學分析還是傳力分析的角度來看，都是合理的。

(4)防扭拉桿的運動分析

防扭拉桿關(guān)節(jié)軸承擺角的分析：0～40步長，橫向0-最大；40～80，橫向最大-橫向最小，縱向0-最大；80～120；橫向不動，縱向最大-最小；120～160，橫向最小-最大，縱向最小-最大。結(jié)果如圖11。

圖11 防扭拉桿關(guān)節(jié)軸承擺角

二力桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)防扭臂的運動鏈系，動環(huán)不動環(huán)布置于主減下使得二力桿的橫向布置成為可能。簡化機構(gòu)的同時，關(guān)節(jié)軸承的擺角也不大。結(jié)構(gòu)運動合理可行，優(yōu)點突出。

2.4 運動仿真分析的應(yīng)用實例

在旋翼操縱結(jié)構(gòu)設(shè)計中，除了以上運動部件的運動學特性分析外，還通過仿真分析發(fā)現(xiàn)了搖桿與變距拉桿支撐件頂件間隙小的問題，如圖12(a)，0～40步長為總距和縱向、橫向周期變距均為最大的情況下旋轉(zhuǎn)兩周，發(fā)現(xiàn)最小間隙僅為0.25 mm，這對于運動部件來說相當危險，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輸入?yún)?shù)的協(xié)調(diào)修正，在不影響主要設(shè)計參數(shù)的前提下，不斷通過仿真分析，最終將間隙調(diào)整至1 mm以上，如圖12(b)，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計的調(diào)整與優(yōu)化。

圖12 搖桿與變距拉桿支撐件頂件間隙監(jiān)測分析

3 結(jié) 語

基于運動學角度分析了一種軸內(nèi)操縱構(gòu)型自動傾斜器，搭建此構(gòu)型自動傾斜器的運動仿真平臺，仿真分析該型自動傾斜器的結(jié)構(gòu)運動特征，為該型自動傾斜器的設(shè)計提供了有效分析手段，且通過運動分析解決了實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中的問題，為此后類似構(gòu)型的設(shè)計分析提供借鑒。