065-飞机前起落架转弯系统性能分析

飞机前起落架转弯系统性能分析

张丹丹

南京航空航天大学，南京 210000

摘要：飞机前轮操纵技术是飞机地面操纵的核心。作为起落架设计中的重要组成部分，前轮转弯操纵系统的结构及性能对起落架地面滑跑及操纵稳定性存在较大影响。特别地，转弯机构能否实现大角度转弯，满足大转弯力矩的要求，对飞机起落架的滑跑转弯性能有重要影响。本文某型飞机为研究对象，针对双作动筒式前轮转弯系统和齿轮齿条式前轮转弯系统的前轮转弯机构和液压控制系统两部分，在LMS b AMESim中建立了双作动筒式和齿轮齿条式前轮转弯操纵系统的液压系统模型。然后基于LMS b Motion软件平台分别建立了含有双作动筒式前轮转弯机构和齿轮齿条式前轮转弯机构的前起落架动力学模型，并与AMESim中建立的两种转弯系统的液压控制模型进行联合仿真，分析不同工况下飞机转弯操纵的性能。

关键词：民机起落架、转弯系统、Virtual Lab Motion、AMESim、联合仿真

0 前言

作为飞机设计的基础领域之一，起落架的设计结果对飞机性能的影响是非常大的。飞机的起飞着陆过程是飞机安全事故的多发阶段，因此飞机具有良好的地面操纵性就显得尤为重要。

对于大型飞机，起落架多采用前三点式布局。该布局常用的转弯操纵技术有以下三种：发动机推力差动、前轮操纵以及差动刹车技术。其中，发动机差动对飞机地面机动和方向难以达到精准控制，而差动刹车对机轮磨损严重，现代飞机多采用前轮操纵的方式来实现飞机的转向以及地面机动。前轮转弯系统不仅能对飞机运动方向进行操纵，当飞机滑跑过程中遇到扰动或侧风、单侧轮胎爆破漏气等原因导致的飞机前轮摆振或偏离预定航向时，前轮转弯操纵系统能及时响应，消除前轮摆振并对航向进行纠正。

液压传动是飞机各操纵系统动力的主要来源。由于技术水平的限制，国内早期军用飞机的前轮转弯系统大多采用的是机械—液压系统。此类系统通过机械机构（手轮或脚蹬）传递操纵指令控制液压助力器，以此提供转弯力矩驱动前轮转弯。系统结构简单，可提供较大的操纵力矩，因而在早期得到了广泛应用。随着计算机技术的发展，数字电传操纵系统得到了越来越多的应用。数字电传操纵主要通过电导线传递操纵信号代替机械传动，节省了大量空间，减轻了系统重量，并且具有优良的控制性以及自适应能力。因此国内新型军用飞机均采用数字电传操纵前轮转弯系统。对于大型民机，在我国C919机型的研制过程中，中国商用飞机有限公司对包含前轮转弯操纵技术在内的大型民机关键技术展开了一系列的攻关研究。考虑到电传液压操纵系统在国内民机上的应用仍不成熟，开展飞机前轮转弯操纵系统的设计、分析以及试验验证工作的研究，对提高我国大型民机地面操纵关键技术的技术储备水平具有很重要的意义。

对于飞机前轮转弯操纵的研究，一般都是分析在给定转弯机构转角情况下的液压操纵系统的动态响应。为了深入研究在给定输入转角信号时，前轮转弯电液伺服系统以及转弯机构的响应情况，本文将前轮转弯液压控制系统与转弯机构进行联合仿真，可以更有效的模拟前轮转弯系统的运动情况。

1前轮转弯机构动力学建模

双作动筒式前轮转弯机构的主要运动部件为两个作动筒及其活塞以及支柱卡圈；齿轮齿条式转弯机构的主要运动部件为齿条作动筒及与其啮合的转向齿轮。在转弯机构中，很多零件并不参与转弯过程的运动，过度冗余的结构不但不利于建模，也会使计算效率低下，故在建模过程中去掉了对转弯没有贡献的零件。然后在Motion中，根据实际情况建立运动学与动力学关系。最终建立的双作动筒式以及齿轮齿条式前轮转弯机构的LMS b

Motion模型，如图1和图2所示。

图1双作动筒式前轮转弯机构动力学模型图2齿轮齿条式前轮转弯机构动力学模型为了仿真前轮转弯过程，采用第三章所建立的电液伺服控制系统对机构进行控制，动力学模型中不需要附加任何驱动，同时通过添加输入、输出控制节点来设置数据通信端口，并将b的求解器设置为“AMESIM COUPLED”，计算后生成“#.vlcosim”文件。在b中将“#.vlcosim”文件导入，并连接对应的控制点，即完成了仿真分析的连接工作。转弯过程的负载由卡圈（齿轮）与支柱之间的旋转副上添加的与转动方向相反的力矩模拟。

2 前轮转弯系统联合仿真

根据前面的设置，完成了动力学模型与液压控制模型之间连接以及数据传输，本节通过电液伺服控制系统模型中的操纵信号，为整个系统输入转弯信号，控制系统进行前轮转弯。从而获得转弯机构的转角数据、作动筒腔室的压力、作动筒活塞的位移、速度等结果，以此结果对两种前轮转弯系统的功能和性能进行验证分析。

2.1双作动筒式前轮转弯操纵系统

联合仿真模式下双作动筒式前轮转弯系统的电液伺服控制系统模型，如图3所示。

图3 联合仿真中的双作动筒式电液伺服控制系统模型仿真采用三种工况，分别对最大转弯角度为75°的情况下负载分别为4000Nm（工况

1）、6000Nm（工况2）、7000Nm（工况3）三种工况进行了仿真。下面将对三种工况结果进行对比分析。

图4三种工况两个作动筒活塞的位移—时间曲线从图中可以看出，随着前轮向左转角的增大，左侧作动筒的位移一直增大，而右侧作动筒位移先减小后增大，这与第二章中对转弯状态的分析，左转时右侧作动筒先到达死点后换向的情况一致。可以看出，由于三种工况的最大转弯角度相同，且转弯速率相差不大，故作动筒活塞的位移—时间曲线基本相同。且通过联合仿真，验证了该双作动筒式前轮转弯电液伺服控制系统的转弯跟随性良好，且运动过程中速度平稳，动态性能良好。

2.2齿轮齿条式前轮转弯操纵系统

仿真采用不同最大转角、不同频率以及不同的最大负载共4种工况，如表1所示。

表1 齿轮齿条转弯机构仿真工况

最大转弯角度（°）频率（Hz）最大负载（NM）工况1200.14000

工况2400.054000

工况3800.054000

工况480/7000

联合仿真模式下齿轮齿条式前轮转弯系统的电液伺服控制系统模型如图5所示。