飞机起落架中减震缓冲装置及零部件的设计与加工工艺编制

1、目 录1 绪论41.1 起落架常见类型51.1.1前三点式61.1.2后三点式71.1.3自行车式71.1.4多轮小车式81.2起落架的设计要求81.3起落架受到的外载荷91.4起落架的结构121.4.1简单支拄式和撑杆支柱式121.4.2摇臂支柱式131.4.3多轮小车式起落架142 起落架的减震缓冲装置162.1减震器的不同形式和对比162.2油式减震器182.2.1工作原理182.2.2减震器中的气体192.2.3油液和阻尼扎的作用及对功量图的影响202.3油气式减震器232.4全油式减震器的设计252.5减震装置中的轮胎262.5.1轮胎的类型272.5.2轮胎的特性282.5.3设计

2、时选用轮胎力原则282.5.4轮胎的形式及发展情况283.起落架及缓冲减震装置的制造及其加工工艺303.1起落架的制造303.1.1国内外研究现状303.1.2起落架的寿命303.2起落架的材料和机械加工制造技术303.2.1材料303.2.2机械加工制造技术313.2.3接头设计313.2.4减少应力集中设计313.2.5表面保护323.3缓冲减震装置的制造及其加工工艺323.3.1材料的选择323.3.2加工注意事项353.4外筒、活塞杆等大件的整体模锻工艺363.4.1整体锻件外形扒皮加工及数控加工363.5外筒的加工及加工工艺373.5.1材料的选择373.5.2外筒的工序373.6活

3、塞杆的加工及加工工序423.6.1材料的选择423.6.2活塞杆的加工工序423.7外筒和活塞杆的密封垫片453.7.1密封垫片的种类453.7.2垫片的选择474.常见的问题484.1漏油原因分析484.2电镀铬及铬层性质494.3镀铬层的渗漏现象494.4修复工艺505 结语511 绪论起落架是供飞机起飞、着陆时在地面(或水上)滑跑、滑行以及移动和停放用的,它是飞机的主要部件之一。它的工作性能的好坏以及可取性直接影响飞机的使用和安全。飞机上安装的起落架和减震缓冲装置,此装置是要达到两个目的：一是吸收并耗散飞机着陆时垂直速度所产生的动能,二是保证飞机能够自如而又稳定地完成在地面上的各种动作。

4、然而起落架设计面临着结构设计、空气动力性能、跑道设计以及飞机驾驶员和维修人员对使用维修等方面所提出的一系列矛盾的要求,因此力求起落架设计能找到一个既能最好地协调这些要求,同时又结构轻、成本低的方案。现代飞机的起落架不单纯只是一个结构,而是一种相当复杂的机械装置。它包括减震系统、受力支校、机轮、刹车装置、收放机构和其他一些系统。在多数情况下,飞机起落架的整个装置的重量约占全机总重的(3.75),占结构重量的15左右。它还必须在飞机升空后能收入到对机体结构和飞机阻力的影响最小的空间中去。现代飞机由于载荷日益增大,运输机比过去要重得多(如波音747的重量是波音707320 c的两倍多),于是就要求有

5、大的起落架,然而收藏起落架的空间却日益狭窄,因此要使起落架的设计能有效、满意地完成其功能就变得越来越复杂了,因而也就促进了与起落架设计有关的各个方面的科学技术有了很大的发展1。本文先介绍了解了不同的起落架类型和不同的减震缓冲装置,从而对比设计一种新型的减震缓冲装置。针对其材料的选择也相应的设计完成其机械加工工序。1.1 起落架常见类型起落架的类型除了常见的采用机轮起飞、降落之外,还有用于水上和雪地上的起落装置。水上飞机有船身式和浮筒式两种。船身式水上飞机没有专门的起落装置,飞机的起飞和陷落、漂浮和锚泊由作为机身的船身承担。浮筒式水上飞机的起落装置就是连接在机身和机翼下方的浮筒。浮筒采用胶布制作

6、后充气,有双浮简式和单浮筒式两种。这种水上飞机常常采用陆上飞机加装浮筒的方式作为起落装置。要求飞机能在雪地上起飞、着陆时常采用雪橇。为了使飞机也能在无雪的地面上使用,装雪橇的飞机常装有机轮,视需要可将雪橇相机轮之中的某一种装置放下,接地使用。对于某些小型直升机还有用滑模式起落架。滑模应用的一般概念包括有一个小车或滚棒装置用于起飞,用滑橇作着陆,起飞的装置是留在地面上的。但也有用与地面接触的滑橇来起飞,此时要使用较高的推力重量比,具有摩擦力非常低的地表面。滑橇一般没有刹车装置,它常比与其相当的有轮起落架要轻,且只需较少的维护,主要缺点是缺乏在地面上运动的能力。以上所述的采用机轮和浮简的起落架都属

7、常规起落架,雪橇、滑撬则属于非常规的飞机起落架。还有其他一些非常规起落架,如履带式起落架和气垫起落系统,其目的主要是为了能在松软的表面上使用,同时气垫系统还可大大减轻起落架重量。但是这种起落架还在研发中,并不常见2。1.1.1前三点式前三点式起落架（图1.1）的两组主轮布置在飞机重心的稍后处,另一前轮布置在飞机头部。这种形式在现代喷气式和涡轮螺桨式飞机上被广泛采用,主要原因有以下几点：(1)飞机在地面运动的方向稳定性好。两主轮上的摩擦力合力Pf绕飞机重心的力矩将减小偏向,使飞机转回到原来状态。(2)飞机着陆时可猛烈刹车而不致使飞机翻倒,从而可采用高效刹车装置以大大缩短着陆滑跑距离,这对高速飞机

8、很有利,着陆操纵也比较简单。(3)飞机的纵轴线接近水平位置,因此乘员较舒适；驾驶员的前方视界好,飞机滑跑阻力起飞加速快,喷气式发动机的喷流对机场的影响也小3。但前三点式起落架也有它的缺点,前起落架比较长,受力较大,重量也较大,因而起飞时抬头难一些。有时布置稍困难(对于战斗机,飞机头部常装有雷达、电气、无线电设备和武器；当飞机头部装有发动机时,则前起落架的布置就更困难些)。另外,前轮在高速滑跑中还会出现摆振现象,需加装减摆器,使前起落架结构复杂。 前三点式 图11 后三点式 图121.1.2后三点式对于小型低速装有活塞式发动机的飞机,一般采用后三点式起落架（图12）,即将起落架的两个主轮布置在飞

9、机重心的稍前处,另一尾轮布置在飞机尾部。这种形式的起落架由于安装处的空间容易保证,尾起范架又短又小,故容易安置,受的外载小,重量较轻。但飞机在地面上运动的方向稳定性较差。当有偏向时,两主轮上产生的摩擦力合力Pf绕飞机重心的力矩将使飞机的偏向增大。另外,在着陆过程中猛烈刹车时Pf会使飞机有“翻倒”的倾向。不能与高效率的刹车装置相配合。因此,随着飞机着陆速度的增长,为保证降落的安全,现代高速飞机广泛采用前三点式5。1.1.3自行车式这种飞机的前、主起落架均安装并收藏在机身内,放下时像自行车一样在地面滑跑。为防止由于两主轮间距小而导致倾斜,通常在翼尖处还装有辅助轮（图14）。这种形式基本上具备前三点

10、的优点,但通常前起落架比前三点式更靠近重心,因此它分担的飞机重量较大(可达总载荷的40),因而起飞时抬头较困难,有时要安装自动增大起飞迎角的装置。因其转弯困难,一般依靠操纵机轮偏转来使飞机转弯。另外,起落架都收藏在机身内,机身上要开大洞,这将影响机身的结构强度、刚度和装载布置,一般耍增重15(与其他形式比)。因而这种形式仅在个别飞机上使用,英国的垂直短距起落战斗机“猎兔狗”就采用自行车式起落架6。自行车式 图141.1.4多轮小车式现代的大型运输机重量较大。因此起落架一般都采用多轮小车式起落架（图13）。对于一些重量很大的飞机,例如C5A(330 t)、彼音747(351t),为了提高漂浮性采

11、用了四个多轮小车式主起落架。此时从排列上看,沿机身轴线方向的两组主起落架比较靠近,因此从总体上说,一般仍作为前三点式配置4。 C5A起落架配置 图131.2起落架的设计要求起落架如同飞机其他结构一样,有一些共同的设计要求：如在保证起落架结构的强度、刚度以及预期的安全寿命的前提下,重量最小,又如应使起落架使用、维护方便,易于更换修理,还有空气动力和工艺性、经济性要求等。必须说明,起落架是由各种系统、结构和机构组成的复杂部件,在使用中,属于起落架系统范畴的问题也比较多,而它对飞机的安全又有很大关系因此起落架应具有很高的可靠性。除上述结构设计的要求之外,起落架还应满足与本身特定的使用条件有关的下列各

12、项要求： (1)起落架应具有有良好的减震作用,能吸收飞机看陆时的正常撞击载荷,以减小看陆及高速滑跑时所产生的撞击过载。此外应能很快耗散撞击能量使飞机在撞击后的跳跃能很快衰减,平稳下来。在不平的场地上滑跑时,起落架不应使飞机产生太大的颠簸 (2)起落架应使飞机在地面运动时有良好的稳定性、操纵性和适应性。飞机起飞、着陆方便,滑行转弯灵活,转弯半径小,滑跑中不易偏向、滚翻或侧翻,不产生不稳定的前轮摆振。这些与起落架在飞机上的总体配置形式、配置参数及起落架的某些装置有关。(3)起落架应有良好的刹车性能以减小着陆滑跑距离,缩短所需跑道的长度,便于使用。同时也要适当考虑在起飞滑跑前加大推力时能先刹住飞机。

13、刹车装置必须有效可取,最大允许刹车力与跑道表面组糙度有关,故两者要相匹配。在测风着陆和高速滑行时飞机不应有倾斜或在地上打转”等不稳定的倾向。对于舰载飞机来说,由于在甲板跑道上着舰时有拦截网或拦阻钩强制飞机停止,所以起落架上无须装强有力的刹车装置。(4)漂浮性要求,轮胎的充气压力和起落架的构形应当根据飞机预定使用的机场跑道面的承裁能力进行选择,例如机场是很干坦印泥凝土,还是松软的泥地等,以使飞机能在预定的机场上顺利通行。 (5)起落架应便于在飞行时收藏于机体内,以减小飞行阻力,提高飞机的性能。因而应有较小的体积和可靠的收放机构、锁定装置、信号装置以及起落架操纵、定向和纠倔等装置。(6)防护要求：

14、这包括两个方面,一是对起落架本身的防护,因起落架常常在某些特定环境中使用,如温度、湿度、振动、尘土、盐雾等等。起落架要注意防止污泥进入减震器、轮轴的内腔,要特别注意密封。还要防止轮胎抛起的外来物损坏外部设施、设备、电缆、液压管道等,要注意这些附件的布置。另一方面也要注意当起露架结构失效时,不好使破损物穿入乘员区、驾驶舱或造成燃油大量泄漏7。1.3起落架受到外载荷飞机降落起飞时,起落架都会受到不同的载荷。1着落载荷 飞机降落时可能有三点着陆、两点着陆,甚至一点着陆、侧沿着陆等情况。以民航飞机为例,一般其使用中的着陆下沉速度为0.31至0.91ms若超过1.32ms便称为硬着陆。关于着陆下沉速度各

15、国有不同规定,按美国和我国民航条例的规定,民航机的限制下沉速度为3.05ms； 2滑跑冲击载荷 飞机在起飞着陆的滑跑过程中,由于道面不平或道面上有杂物等都会引起对起落架的冲击裁荷。在着陆滑跑中还会有由于未被减震装置消耗掉的着能量引起的震动(衰减)载荷。一般情况下,这些载荷值比着陆撞击的小,但由于滑跑距离长滑跑冲击载荷反复作用的次数较多,因而对结构的损伤也较大。3刹车载荷 为了缩短着陆滑跑距离,在滑跑过程中须要刹车。这时机轮上除了受有刹车力矩引起的Y向载荷外,还有较大的X向载荷F轮胎与地面的摩擦力.4静态操纵载荷和地面停放载荷 飞机在地面牵引、地面进入定位时,常用牵引架对起落架进行各方向的推、拉

16、、扭、摆,造成静态操纵裁荷。飞机停放并固定在地面上时,可能受到大风而引起的载荷,这在沿海地区更应加以考虑8。 起落架还受有其他一些载荷,如收放过程中作用于收放机构上的载荷,多轮式起落架由于载荷不均匀而产生的偏心载荷等等。 总之,起落架的载荷是多种多样的。必须注意的是起落架所受的力大多是动载荷。伴随着机轮的旋转相刹车、减震器的伸缩等可能出现各种振动,加之多次起落、重复受载(一般现代运输机可能要完成60000至70000个起落),因此对起落架因疲劳载荷引起的损伤和破坏应着重加以考虑。 2 起落架的减震缓冲装置 飞机起落架的减震系统由减震器和轮胎组成。其中,减震器(也称缓冲器)是所有现代起落架所必须

17、具备的构件,也是最重要的构件。某些起落架可以没有轮胎、机轮、刹车、收起系统等,但是它们都必须具备有某种形式的减震器。而轮胎虽然也能吸收一部分能量,但仅占减震系统总能量的(1015)。减震系统的主要作用,是当飞机以一定的下沉速度(一般限制下沉速度为305ms,美国规定某些短距起落或海军用舰载机等可能更大些)着陆时,起落架会受到很大的撞击,并来回振动,减震装置就是用来吸收着陆相在地面滑行时的撞击能,以使作用在机体上的过载减小到可以接受的程度,同时使振动衰减。 由以上功用,对减震装置提出如下的设计要求：(1)在压缩行程(正行程)时,减震装置应能吸收设计规范要求的全部撞击能,而使作用在起落架和机体上的

18、载荷尽可能小。在压缩过程中载荷变化应匀滑、功量曲线应充实一也即减震器应具有较高的效率。 (2)为了减小颠簸或在伸展行程(反行程)中不出现回跳,要求系统在压缩行程中所吸收能量中的较大部分(一般应有(6580)左右)转化为热能消散掉。 (3)为了让起落架能及时承受再次撞击,减震器应有必要的能量和伸展压力,使起落架恢复到伸出状态,伸展放能时应适当、柔和,支柱慢慢伸出,这样可消除回眺。减震器完成一个正、反行程的时间应短,一般不能大于0.8s。以上(2)、(3)项措施对提高乘员舒适性有利。(4)着陆滑跑时,根据各种飞机对所预定的使用跑道的通过性(漂浮性)要求,规定在遇到某一高度的凸台和坑洼地时,过载不能

19、超过允许值,(如某些次等跑道的路面包含有76mm高的凸台,以及一定波长和波幅的波形表面隆起)。在上述吸收能量、减小过载和提高滑行时乘员舒适性方面,轮胎的弹性变形和弹性力均起一定作用,但是它不能消耗能量16。2.1减震器的不同形式和对比总的来说减震器可分为两大类：一类是由橡胶或钢制的固体“弹簧”式减震器；另一类是使用气体、油液或两者混合(通常称油气式)的流体“弹簧”式减震器。利用橡胶、钢弹簧和气体作为介质的减震器,是利用介质变形吸收撞击动能,靠介质内的分于摩擦消耗能量。因此这些减震器的热耗作用很小,只适用于轻型低速飞机以及后三点式起落架的尾轮。对不同形式减震器的效率v和效率重量比作了比较。效率v

20、()A/LS 式中A为减震器正行过程中吸收的能量；L为正行过程中最大载荷；S为试验得到最大行程。由图21可知油气式减震目前效率最高、且效率重量比最轻的减震器形式,实际上可达到的效率通常在(80-90)之间。表示了波音737主起落的防震试验曲线,其减震效率达到了90,同时它还具有最好的能量消散能力。因此现代飞机一般多采用油气式减震器。全油液式减震器工作可靠,效率也可达到75以上、它由于高液压而需要加强减霞器的构件,导致减震器的重量比较大,但因结构强而较耐疲劳,且减震器尺寸相对较小。缺点是低温时液体容积约改变会影响减震器的性能,且高液压使密封比较困难。目前仍被使用。 式减震器因重量较大、效率较低、

21、可靠性较差等原因,目前已不再使用。团体“弹簧”式减震器虽然有效率重量比小,耗散能量少等缺点,在一般速度较高的现代飞机上基本上不采用,但仍应对其构造简单、工作可靠性商、维护要求低以及相应的低价格子以应有的认识。对于某些轻型的简易飞机或多用途小飞机,若起落架不收放,此时通过折衷研究也有采用片贺式或橡胶压块式减震器,如加拿大的DHC6(“双水獭”)飞机就是一个典型例子。该机为涡轮螺桨发动机短距起落的小型运输机最大起飞重量为56t。它的不可收的主起范架就采用T橡胶压块式减震器,前起落架为油气式减震器。该机于1969年改型后的DHC-6-300系列有二百余架投入了使用17。2.4设计全油式减震器通过各种

22、起落架减震缓冲装置对比,故设计新型减震器全油液式减震器全油液式减震器的构造与油气式的基本相同图27。不过没有气体。在全神展的状态下,筒腔内全部充满液体。减震器工作时,油液被来回挤压流过油孔而起到吸功散能、缓冲减震作用。着陆撞击压缩时,活塞杆上行,油室容积减小,油液被压缩,吸能随震,同时油液被挤过阻尼孔,摩擦生效而散能减震。当压力大过菜一定值时,定压活门被冲开,增大了流袖孔的面积,减小了流油阻力,从而减小了过载,改善了功量图。 伸展时油液膨胀,推活塞杆下行。此时油液反流挤过阻尼孔,关闭了定活门,减小了流油孔面积,提高了流油阻力,改善了功量固。其次,由于是通过液体的压缩来减震,故内压很大(常达3.

23、5102MPa以上),设计时要仔细加以考虑。对减震器的密封装置也提出了很商的要求,即既要在异常高压下保证对油液的密封,还要经久耐用。在应用过程中表明,全油液减震器几乎适用于所有形式的起露架结构。由于它的结构紧凑,因此特别适用于摇臂式起范架,对于机身离地面较近的起落架持别有利。它还可以设计出高效率酌减震器,曾经有一种全油液减震器,其效率达到97。全油液减震器已应用于各类飞机上,如C120喷气客机。特别是在一些战斗机上,由于空间上要求紧凑和限制较多,更适合使用全油液减震器,如米格23、F104和加拿大的CF100。但这种形式,因为它的油液压力太高,需要高压密封装置,这种密封装置摩擦系数比较高,维护

24、上不太理想,常会在密封益处漏油。且重量比较大,又低温时液体容积的改变会影响减震器性能,因此也限制了它的使用21。故此设计此中减震器。3.起落架及缓冲减震装置的制造及其加工工艺3.1起落架的制造3.1.1国内外研究现状起落架系统的主要受力构件选用300M钢、高强度钛合金的整体锻件,制造技术向自动化、数控化方向发展；热加工技术向真空化发展,采用材料双真空重熔、真空焊接、真空热处理等,以避免有害气体对零件的不利影响；零件表面采用强化工艺,如无氢脆电镀、金属喷涂、刷镀等,提高零件的疲劳寿命和抗力腐蚀能力；新材料逐步应用如钛合金、耐磨材料等。同时要加强对工艺过程的控制和检测,不断更新检测设备和检测方法。

25、3.1.2起落架的寿命从目前看,歼击机、教练机等的寿命为40008000小时,民用飞机则更高。以波音737为例,假设飞机寿命为20年,每天平均飞十次起落,它的安全寿命就应保证完成75000次起落,约60000小时。而起范架需经受的疲劳试验次数应是安全寿命的三倍。为了达到这样高的疲劳寿命,大量的零件都必须精心设计。主要可从以下几个方面采取措施23。3.2起落架的材料和机械加工制造技术3.2.1材料 高强度钢是制造大多数起落架零件用得最多的材料,其极限强度商,延展性极好。国外在起落架上常用的钢有4130、4340、300 M等。为了获得良好的机械性能和疲劳特性,应注意以下几点,钢锻件应该使用真空电

26、弧再熔炼件,起落架结构应进行喷丸强化处理；对于有的孔则可采用冷挤压方法进行强化处理(如波音757、767起落架上的承力孔),凡属结构的疲劳危险部件,加工表面的粗糙度应符合有关的要求；应尽力减轻应力腐蚀(臂如采用卸载热处理)等等。 钛合金主要用于小型民用飞机的起落架上。钛合金虽然比强度高、疲劳寿命长、抗腐蚀好,但因材料本身和加工费用高,因此用得不广泛。碳环氧、砌环氯复合材料目前已有在起落架上使用,如可制造机轮：A37B的主起落架也使用了复合材料。试验还表明纤维缠绕复合材料(持别对简形件)是可靠的。但总的说复合钉料目前成本高,在零件的制造、分折和设计等方面还有很多工作要做,但采用复合材料确实可以大

27、大减轻重量。故选择300M钢3.3缓冲减震装置的制造及其加工工艺3.3.1材料的选择起落架的缓冲装置是飞机上的关键受力部件,要求制造起落架缓冲装置的材料具有很高的强度、刚性和良好的综合性能,300M钢完全符合这种要求。300M钢是一种成熟的航空结构材料,现代飞机起落架的主要承力构件(如外筒、活塞杆、轮轴等)多选用300M钢。目前,我国飞机起落架结构件也己逐步采用国产300M钢(低合金超高强度钢40CrNi2Si2MoVa)。国产300M钢的抗拉强度为19602100 MPa(HRC5256),比原航空工业常用的高强度钢30CrMnsiNiZA的抗拉强度高出22 .4%;其化学成分及机械性能见表

28、1、2,对应力集中和应力腐蚀比较敏感,因此对制造工艺有更高、更新的要求。3.6活塞杆的加工及加工工序3.6.1材料的选择根据活塞的工作情况,活塞的材料应满足：a.材料密度小,以减少活塞的往复惯性力；b.导热系数大,以降低活塞顶的温度；c.线形系数膨胀小,以减少活塞的变形；d.在高温下材料能保持足够的强度；e.具有良好的摩擦性、耐磨性和腐蚀性；f.工艺性好。而这些要求又往往是相互矛盾的。最后综合参考,选择30CrMnSiNi2A。3.7外筒和活塞杆的密封垫片3.7.1密封垫片的种类密封垫片的种类很多,主要有非金属垫片、聚四氟乙烯包覆垫、金属缠绕垫、金属包覆垫、柔性石墨复合垫、波齿复合垫、金属垫片等等。常用密封垫片的适用范围和经济性能如表1所示。本团队全部是在读机械类研究生,熟练掌握专业知识,精通各类机械设计,服务质量优秀。可全程辅导毕业设计,知识可贵,带给你的不只是一份设计,更是一种能力。联系方式：QQ712070844,请看QQ资料。3.7.2垫片的选择 选用适当类型的垫片是保证良好密封效果的前提。垫片的选型主要是依据操作条件(温度、压力)及该条件下被密封介质的性质。首先,所选