民航客机驾驶杆操纵机构脱开力仿真研究

民航客机驾驶杆操纵机构脱开力仿真研究
摘要：民航客机正副驾驶杆的脱开机构对飞机的安全稳定操纵具有重要的作用，而脱开机构的脱开力能否满足飞行员的操纵要求是设计脱开机构的重要依据。

该文利用LMS b motion三维仿真工具，模拟飞行员脱开过程，得到飞行员的脱开力和脱开时的操纵角度，为脱开机构的脱开扭矩的设计提供了一定的依据。

关键词：驾驶杆脱开机构LMS b 脱开力操纵角度仿真脱开扭矩
民航客机电传飞机的驾驶杆操纵机构包括以下几个设备：驾驶杆、力感机构、脱开机构等，如图1所示。

在正常的飞行操纵中，飞行员前后操纵驾驶杆，驾驶杆的前后运动通过拉杆传递到力感机构的摇臂以产生旋转运动，摇臂带动力感机构内部的弹簧和位移传感器，以产生操纵反力和相应侧升降舵舵面控制信号。

另外，一侧的力感机构的运动通过脱开机构带动另一侧的力感机构的运动，以控制另一侧的升降舵舵面的运动。

正副驾驶杆通过脱开机构进行连接，当其中一侧操纵机构（如驾驶杆、力感机构等）发生卡阻时，需利用脱开机构将正副驾驶舱操纵机构断开，以使非卡阻侧的飞行员能够操纵升降舵，使飞机安全返回地面。

因此，脱开机构脱开力大小的设置至关重要，既要满足正操操纵的需求，又要满足当卡阻故障发生时飞行员能够使脱开机构脱开而操纵升降舵(如图1)。

脱开机构属于典型的连杆机构，仿真研究在连杆机构的参数优化设计中发挥了重要的作用[1-5]。

脱开力的设计没有相应的适航条款，先通过仿真计算，再进行飞行员在环评估的方法进行设计确认。

脱开机构脱开力与驾驶员操纵力之间为非线性传递，因此，通过三维动力学仿真的方法来找到脱开力与驾驶员操纵力之间的关系更加方便和快速。

该文利用LMS b motion三维仿真工具[6]，模拟飞行员脱开过程，得到飞行员的脱开力和脱开时的操纵角度，为脱开机构的脱开扭矩的设计提供了一定的依据。

1 脱开机构的基本原理
常用的脱开机构为机械的弹簧-卡销式结构，两端分别通过扭力管连接至力感机构上。

左右侧的联动通过脱开机构实现，操纵载荷也经过脱开机构传递，图2所示：
脱开机构内部为弹簧-销钉结构，飞行员操纵驾驶杆的载荷经过力感机构和扭力管，传递到脱开机构的弹簧上，当弹簧处的载荷达到脱开扭矩时，固定弹簧的销钉弹起然后两侧脱开。

脱开后两侧的法兰盘可以独立运动，两侧的驾驶杆即脱开，如图3所示。

两侧法兰盘脱开时脱开角为（0°~），即脱开机构从0到之间都有可能脱开，以脱开扭矩达到为准。

2 脱开机构的建模
2.1 数学建模
如前所述，为探求驾驶员操纵力与脱开机构脱开扭矩之间的关系，根据图1创建驾驶杆操纵系统仿真模型，在创建模型中需注入以下参数：
1)脱开机构扭力管刚度；
2)力感机构弹簧刚度和阻尼率;
3)力感机构启动力和启动角;
4)力感机构摩擦力；
5)脱开机构脱开扭矩和脱开角（0°~）；
6)力感机构飞行员操纵力感机构的偏转角度。

设驾驶杆向前运动为正方向。

由于力感机构摩擦扭矩始终与机构运动方向相反，因此在设置该参数时提取力感机构运动速度参数。

当驾驶杆向前运动时，力感机构运动速度>0;
此时摩擦扭矩为负,即<0。

在正常操纵情况下，
×L×=++(1)
其中,为驾驶员操纵力；
为力感机构感觉弹力弹簧产生的力=2×；
为力感机构与驾驶杆之间运动传动比；
L为驾驶杆长度。

当机构一侧发生卡阻时，飞行员要操纵机构，使脱开机构脱开，不仅要克服脱开机构的脱开扭矩，还要考虑单侧非卡阻侧力感机构带来的杆力，因此
×L×=++±*×（±*)（2）
如果操纵方向为驾驶杆回中方向，力感机构弹簧力则帮助飞行员脱开，那么人所需的力将减少（公式1中*处为负号）；反之则力增大（公式1中*处为正号）。

2.2 仿真建模
根据上面的数学模型，可以看出，在仿真求解卡阻状态下的时，需根据式（2）来设置以下变量有：脱开机构脱开角、卡阻时操纵方向（即回中方向或极限位方向）、卡阻时的升降舵模块位置。

所建立的三维仿真模型如图4所示。

3 仿真及结果分析
由于脱开机构脱开角在0°~之间都有可能脱开，因此选取0°,，，，五个可能的脱开角进行仿真。

卡阻时的力感机构位置由卡阻时驾驶杆的位置决定，根据AC-671DRAFT,飞机正常起飞和着陆情况下发生卡阻时将处于最危险的状态。

因此可选取以下卡阻点：中立位置，前极限位置，后极限位置，正常起飞时卡阻位置，正常着陆时卡阻位置。

力感机构刚度和阻尼通过扭转弹簧设置，同时也可叠加启动扭矩摩擦扭矩，以实现力感机构的机械特性设置；脱开机构扭力管刚度利用扭转弹簧进行模拟；脱开机构脱开力矩也通过扭转弹簧模拟，其刚度为=/。

在进行仿真时先设定卡阻位置和，然后在驾驶杆端施加垂直于驾驶杆的操纵力，观察脱开机构扭装弹簧的扭矩达到时驾驶杆操纵力的数值。

改变、及驾驶杆操纵方向，得出一系列，在各个点之间线性插值，得出FCC-的关系，结果如图5所示。

4 结语
通过以上分析得出驾驶杆（力感机构）在不同位置时的脱开力，由飞行员在工程模拟器上进行在环评估，确定脱开力是否合适。

进而确定脱开机构脱开扭矩，为脱开机构的设计提供载荷输入。

参考文献
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