飞机起落架缓冲器的设计航空专业

1、摘 要随着社会的发展，飞机这个词对于我们来说已经不再陌生，无论在军事领域还是在日常生活中，飞机在各个领域都有所应用。特别在日常生活中，飞机已经成为了我们日常出行一种常用的交通工具，飞机具有速度快、舒适等特点，深受广大人民群众的喜爱。由于是在空中进行飞行，而且速度又比较快，所以一架飞机的安全性能至关重要。但是，我们如果将一架飞机进行细分的话，一架飞机有成千上万个零部件组成，每个零部件都发挥着它的作用，我们今天所要研究的课题便是飞机起落架缓冲器。飞机起落架是飞机下部用于起飞降落或地面滑行时支撑飞机并用于地面移动的附件装置，是唯一一种支撑整架飞机的部件，是飞机不可缺少的一部分。起落架能能吸收飞机在滑

2、行和着陆过程中的震荡和冲击载荷。而能够吸收飞机在滑行和着陆过程中的震荡和冲击载荷的是起落架缓冲装置。起落架的缓冲装置由缓冲器和轮胎组成。缓冲器是整个起落架的核心部分，缓冲器设计的好坏直接影响着飞机在滑跑和着陆过程中能量的消耗与吸收。根据现实要求对起落架进行参数设计，保证缓冲器效率达标。关键词：起落架缓冲器；参数设计；双气式缓冲器AbstractWith the development of society, the term aircraft is no longer strange to us, and the aircraft has applications in all fields,

3、 both in the military field and in daily life. Especially in daily life, the airplane has become a commonly used means of transport for our daily travel. The aircraft has the characteristics of speed and comfort, and is deeply loved by the masses. The safety of an aircraft is crucial because it is f

4、lying in the sky and at a faster rate. However, if we subdivide a plane, an aircraft has tens of thousands of components, each of which plays its part. The subject we are studying today is the aircraft landing gear bumper . Aircraft landing gear is the lower part of the aircraft used for take-off an

5、d landing or ground taxiing and support aircraft for ground movement attachment device, is the only support for the entire aircraft parts, is an integral part of the aircraft. Landing gear can absorb shocks and impact loads during taxiing and landing. Able to absorb the shock and impact load of the

6、aircraft during taxiing and landing is the landing gear cushioning device. The landing gear cushioning device consists of a buffer and a tire. The shock absorber is the core part of the entire landing gear. The design of the shock absorber directly affects the energy consumption and absorption of th

7、e aircraft during its running and landing. According to the actual requirements of landing gear parameters to ensure that the buffer efficiency standards.Key words: landing gear bumper; parameter design; double-air bumper. III1 引言1.1 课题研究背景经过几十年的发展，飞机的发展也经历了很多代的更新换代，在整个飞机中，存在很多零部件，今天，我们所要研究的便是飞机起落架，

8、飞机起落架在整个飞机设备中起到非常关键的作用，在飞机起飞以及降落的过程中，飞机起落架起到稳定的作用，它是唯一一种支撑整架飞机的部件，是飞机不可缺少的一部分，起落架能能吸收飞机在滑行和着陆过程中的震荡和冲击载荷，通过震荡以及冲击载荷，便可以实现飞机在起飞以及降落时的稳定以及安全问题。纵观飞机起落架的发展历程，由飞机出现的初期的四点式起落架到后来经实践证明的三点式起落架，起落架的发展越来越趋于安全稳定。三点式的起落架有前三点式跟后三点式，目前还存在一种叫做前三点式起落架，它的主要构造包括两个主轮，飞机后面的重心使得它在进行飞行的过程中起到平衡对称的作用，第三个支点即前轮，位于机身前部；后三点式起落

9、架（如图2）的两个支点即主轮，对称安装在飞机重心的前面，在飞机的后面安置第三个支点。 （图1前三点式起落架示意图） （图2 后三点式起落架示意图）前三点飞机起落架存在着很多便利，首先，在飞机要着陆的情况下，前三点起落架可以保证飞机安全着陆。飞机在进行着陆时，如果速度过快，那么在飞机后面轮子接触地面时，则前三点飞机起落架会发挥出自己的优势作用，它会使得飞机不发生蹦跳的现象，这便为飞机的安全着陆上上了一道保险杠，使得飞机的安全系数大大增加了，当有风的时候，它会使得飞机侧着风安全着陆，如果下完雨或者雪的天气，它在进行着陆的情况下，不会产生倒立或者侧翻的危险。而且它最大的优点可以减少飞机跑道的长度，这

10、样可以减少不少成本。当然它也存在很多缺点，它的明显缺点便是起落架进行安排时不太灵活，占据空间比较大，留给飞机其他地方空间比较少，它不能很好的利用风的推力来进行起飞，在起飞的过程中，要求飞机起飞跑道必须平整，否则，容易发生一系列的故障，所以在遇到障碍物的情况下，它的应急能力比较差。 后三点式飞机起落架也有很多优点以及缺点，它最明显的优点便是在安装的过程中比较容易一些，比较省事，将它与前三点飞机起落架比较，它的结构以及尺寸等方面都比较简单，在后三点式飞机起落架飞机着陆的情况下，整个飞机的轮子会同时接触地面，这样比较平稳一些，而且可以利用速的阻力来进行飞机着陆时减速，这样可以减少跑道的长度。整体来说

11、，后三点式飞机起落架安装在飞机上要比前三点式飞机起落架安装在飞机上更加平稳一些。它也同样存在一些缺点，它的最大缺点便是便是在跑道上不能进行紧急制动，否则容易发生侧翻（俗称拿大顶）。这种情况下，明显的降低了整个飞机临时处理事故的机动能力。无论是哪种起落架，它们所起的作用是一致的，都是吸收滑行和着陆过程中的载荷。飞机起落架承受的外载荷主要有：着陆撞击载荷、滑跑冲击载荷、刹车载荷和地面静态载荷。（图3）为飞机三点式起落架的着陆撞击载荷示意图：图3 三点式着陆撞击载荷示意图（图4）为飞机的滑跑冲击载荷示意图：图4 滑跑冲击载荷示意图我们通过查阅资料，可以获得一些信息，在上个世界五十年代到上个世纪90年

12、代，喷气式飞机发生了1408起飞行事故。由于起落架的问题引起的事故占这些事故当中的比例为32.4%，这个比例是非常大的，排在众多事故当中的首位，世界上最大的飞机制造公司波音飞机公司专门进行过一些数据统计，它们根据数据进行分析，得出了一些事故的主要原因便是构的裂纹和疲劳断裂造成的。很多国家为此做过一些实验，看一下到底问题出现在哪些地方，不同的飞行出现不同的问题2，很多情况下，随着巨大的冲击波，会使得人的心脏以及心脑血管受不了，所以必须要进行合适的改进来增加飞机的安全以及舒适性能。 我们从其他方面来看待这个问题，在进行缓冲器的设计过程中，必须要从缓冲性能出发，增加起落架缓冲效率，提高起落架的安全性

13、能，能够使得它对于一些冲击波进行吸收以及转化，尽量减少冲击波。起落架的缓冲装置由轮胎和缓冲器组成。缓冲原理的实质是：产生尽可能大的变形来吸收撞击动能，来减小物体收到的撞击力；尽快的消散能量，使物体碰撞后的颠簸跳动迅速停止。起落架缓冲器主要有固体弹簧缓冲器、油液缓冲器和油气式缓冲器等多种类型，而油气式缓冲器是现代飞机的主流造型。1.2 设计方法在本次飞机起落架缓冲器设计过程中，。起落架缓冲器设计方法一直是一个受到关注研究课题，即使不计机体柔性而将机体视为刚体，在进行起落架的一些参数设计时，我们通常使用的办法是使用我们以往的经验来设定这些参数，在进行起落架缓冲器设计时，我们应当按照设计出重量小的、

14、结构紧凑、性能好的原则来进行设计，以便我们设计出的缓冲器是具有挑战性的创造工作3。在进行设计的过程中，我们需要对于一些问题进行思考以及验证，主要对于飞机起落架缓冲器过载限制条件进行验证，还需要对于一些参数进行验证，主要是为了设计的简单而且有效果，需要对于一些参数进行校验，选择出合适的参数来进行设计，需要确保设计的简单通俗一下，还需要研究飞机的起飞时间、距离、路程等核心问题。2 起落架缓冲器的力学模型2.1 起落架缓冲器的力学模型油气式缓冲器是现代飞机最常用的缓冲器，其典型结构如图5所示1反弹腔；2油孔支承器；3空气阀；4上腔（气体）；5油；6油孔；7上轴套；8反弹阀；9限油针杆；10密封； 1

15、1下轴套；12活塞13轮轴图 5 油气缓冲器结构图当飞机着陆撞击或滑跑时，缓冲器活塞杆受压迫使油液流过油孔进入上腔，一方面引起上腔气体体积变化而改变气体压力，另一方面油液流过油孔形成阻尼力。缓冲器由于受弯矩作用而使上、下套筒间有摩擦力，缓冲器的设计要求上、下套筒间的摩擦力小于缓冲器轴向力的5%。参见图6缓冲器力 F 可以表示成 ()+()+ (2-1)式中 为活塞杆内截面积，为活塞杆外截面积，为限油针杆截面积，为油液压力，为气体压力，为上、下套筒间的摩擦力。此式也可以写成 (2-2）式中为缓冲器上腔气体弹力， =()()=()为缓冲器油孔阻力，其中 =()为有效压油面积。 图6 油气缓冲器原理

16、图2.2 起落架缓冲器的油孔处的阻力缓冲器油孔液压阻力起源于与油液流过油孔时油孔两侧的压力差。通常情况下油气式缓冲器油孔面积远小于活塞面积（油孔面积为活塞面积的 1%-2%），通过油孔的油液流速及雷诺数都较大。参见文献4，假设油气式缓冲器油液为不可压流体，运用流体运动的连续方程和小孔流量方程，有 (2-3)缓冲器油孔阻力公式可得到缓冲器的油孔液压阻力为 (2-4)式中为缓冲器行程，为油液密度，为有效过油面积（为油孔面积）为有效压油面积，为油孔流量系数，为油孔阻力系数。上式被广泛应用于油气式缓冲器油孔液压阻力的分析计算中。2.3 起落架缓冲器外筒作用力文献5将缓冲器外筒视为刚体，缓冲器上部质量块

17、与下部质量块的运动在着陆过程中的不同时段用不同的动力学方程描述，求解时需要确定分段时间点，在不同时段，采用不同的处理方法，有时采用理论解法，有时采用数值解法，比较麻烦。文献6将缓冲器外筒视为弹性体，着陆过程用统一的动力学方程描述，采用数值解法，方法简明高效。缓冲器外筒作用力表达式为 为缓冲器行程，为缓冲器允许最大行程，缓冲器外筒变形弹性常数。3 起落架缓冲器设计3.1 起落架缓冲器设计要求一般的起落架缓冲装置在性能方面应满足以下几点要求：(1） 当飞机的缓冲装置已经达到极限的过程中，它需要吸收大量的能量来实现缓冲的作用，需要尽量确保缓冲装置能够接收足够多的缓冲作用力，如果缓冲装置吸收缓冲作用力

18、的能力不够大，那么在飞机进行起飞的过程中，则容易产生一些缓冲作用力，使得飞机飞起来颠簸一些，产生一些不舒适的感觉。(2） 缓冲装置还需要能够处理掉因为缓冲作用力而产生的热量，我们通过查阅资料，不难发现，如果缓冲装置能够越多的吸收热量，那么会使得飞机在起飞与降落的过程中越平稳一些。(3）缓冲装置在进行压力过程中，应当具备它承受的载荷作用力越来越大，要求它能够将载荷进行转化，如果缓冲装置承受的载荷过小，那么随着时间的增加，飞机的很多其他零部件结构会遭到一定程度的损坏。(4）缓冲装置还需要能够接收一定力的撞击能力，因为它需要应对一些紧急突发情况，这就需要进行一些相应的设计。(5）缓冲装置还需要进行一

19、系列的保护装置，因为它会裸露在外部，经常受到风吹日晒，所以为了增加它的使用寿命，需要进行保护装置。3.2 双气式缓冲器原理双气式缓冲器结构如图7所示，它的工作原理非常简单，当活塞进行上下推动的过程中，使得A室和C室的体积变小，而且会让C油液经过相关的装置系统进入D室，A室会有一部分油经过相关的装置进入到B室，另一部分会经过相关装置流入D室。这种情况下会让气体得到压缩，气体的压力由于体积变小而获得增加，这种情况下便会产生一系列的压力能量，由于压力能量的产生，会使得撞击力降低。而且油由于流动的过程中，产生了一系列的摩擦力，这部分摩擦力会减少一些其他力的产生。在第一阶段运动过程结束之后，内筒与浮动活

20、塞接触，这个时候飞机产生的下沉动能没有被完全吸收掉和消耗掉，飞机继续下沉，在进行相关的高压气体克服之后，迫使内筒带着浮动活塞一起向上运动，开始减震支柱的第二个行程，由于体积减少的原因，会使得气缸内的压力压强继续增大，于是减震支柱（图8）吸收飞机下沉动能的能力增强，低压油气室的油液继续流动消耗飞机的下沉动能。减震支柱减少的过程中，由于高低压气室的气体作用力之和大于减震支柱向下的冲击载荷，减震支柱开始伸张。伸张过程与压缩过程相反。减震支柱经过若干次压缩和伸张行程后，在进行工作的时候，飞机起落架缓冲装置会吸收一些热量，会使得由于油体流动产生的热量减少，减震支柱会使得震动持续减弱，使得飞机的颤抖越来越

21、弱平稳性获得增强。图7 双气式缓冲器结构图 图8 减震支柱工作过程图3.3 双气式缓冲器设计双气式缓冲器的组成也比较简单，它主要包括外筒、内筒（活塞杆）、浮动活塞、套筒、变截面油针杆、反制动活门、高低压充填嘴及油孔垫圈这些结构，上部的密封使用高压密封圈。浮动活塞作为界限，高压气室在上面，低压气室和油室在下面。（详细见图7） 3.3.1 双气式缓冲器设计及校核根据缓冲器设计要求，对缓冲器的结构进行了设计，图7为结构设计图。在原有的基础上额外设计一个反制动活门，能够在压缩的过程中将A腔中的油液一部分重新回到回油腔使得A腔内的油液压力不至于过大而引起缓冲器寿命的降低。另外，对缓冲器中的油针采用了变截

22、面的设计，在缓冲支柱进行不同的运动时随时改变截面面积，从而使得过油面积得到变化，改变油液的阻尼力，进而更好的提高缓冲器的缓冲效率。本文在后面将进行详细说明。图9 双气式缓冲器结构图根据实际工作过程，对所设计的缓冲器进行校核，根据公式（2-1）缓冲器力 F 可以表示成()+()+ =（-）+ （-）+ 根据公式（2-2）此式也可以写成 =+（-） （-）+ 根据流体运动的连续方程和小孔流量方程（2-3）= =缓冲器油孔阻力公式可导出缓冲器油孔液压阻力为 （3-1） = N经计算和查询得出，无论是缓冲器力还是缓冲器油孔处的阻力的大小均在允许的范围内。3.3.2 轮轴结构设计及校核 采用45号钢作为

23、材料，对轴的结构进行设计,确定轴的结构形状和尺寸。 图10 轮轴结构设计图对所设计的轮轴进行强度校核，该材料的，根据机械设计手册进行强度校核。其受力简图与弯矩图如图11图11 受力简图及弯矩图轴上的支反力：垂直面内 水平面内 根据第四强度理论 在水平面 在垂直面 总弯矩 扭矩 根据 得 所以轴的强度足够。3.3.3 活塞杆结构设计及校核活塞杆是一种细长的轴类零件，长径比较大，但其刚性不是很好，所以车削时要分粗车削和精车削，这样能够保证加工精度。且所使用的刀架应相符，以便减少工件的变形；外圆表面磨削时，工件容易发生变形或者让刀现象，会影响到活塞杆的精度，因此，应让中心孔保持清洁，它与顶尖的松紧程

24、度要适当，且润滑要良好。根据活塞杆的设计的工艺要求对活塞杆进行设计，采用40作为活塞杆的材料，其结构设计图如下图12所示。图12 活塞杆结构图对所设计的活塞杆进行校核，受力分析如下图 图13 活塞杆受力简图(1)对活塞杆疲劳强度进行校核 由受力简图分析得到，活塞杆可简化为收到对称循环载荷的作用，因此，其疲劳强度校核公式为截面上内力，液压油对活塞杆的作用力为，按最大油压计算 截面上应力 活塞杆材料的疲劳强度，由于拉压循环载荷为： 活塞许用应力，取疲劳安全系数，则： 所以活塞杆的疲劳强度足够。(2)活塞杆的稳定性校核由于活塞杆还受到其他载荷的影响，所以取稳定安全系数 活塞杆材料的临界力： 活塞杆工

25、作压力： 稳定校核： 所以活塞杆满足稳定要求3.3.4 油针的设计为了使缓冲器的缓冲效果更好使缓冲器的缓冲效率提高，对油针进行另外的设计，采用变截面的油针。通过截面变化改变过油面积的大小，从而实现阻尼力的变化。缓冲器压缩时为了避免最大载荷出现在形成前段，提高起落架的减震效率，采用大油孔。减震器开始压缩时，为了避免最大载荷出现在行程前段，提高起落架的减震效率，宜采用较大的油孔以减少油液阻尼力，根据以往经验取活塞杆上的载荷随着行程的增加而增加，最大值在行程末端：取减震器内外壁之间的滑动摩擦系数为0.15，则活塞杆的载荷为： （3-3） 将气 室弹簧力、库伦力、活塞间隙处的粘性力以及油针处的阻尼力代

26、入得：求导得：当时，缓冲压缩正行程结束，此时有，则：令上式=0得： （3-4）由起落架落震运动微分方程组： 其中为的位移，为的位移；、分别为、的质量。得到： 由于，忽略与活塞杆下端连接的机构的质量的影响之后有： 在最大压缩状态下，活塞杆的载荷主要是气室的力和库伦力，因为与气室的力相比库伦力要大得多，因此这里只考虑气室的力，则：代入公式（3-4）得到行程末端的油针处油孔面积。由油针油孔处的阻尼力公式 ：可知变油孔的油液阻尼力通过和两个参数来调整，油孔处油液阻力最大由的最大值决定，令，则油孔处油液阻尼力最大的位置由以下条件决定：，即：当时，为正，为负值。这表明在油孔最大油液阻尼力处油孔面积曲线的斜

27、率必须是负值即说明曲线必然是下降的。综上所述,确定油孔面积沿行程变化应按以下三点设计： 当时，；当时，按照公式（3-4）计算；当时， 3.4 双气式缓冲器参的改进根据有关研究7，在一定程度上增大缓冲器气室的体积；减小缓冲器的活塞面积，增大缓冲器工作时的有效体积压缩比；根据起落架的结构，充分考虑合理性，用导管引出第二气室，安放到合理位置。通过以上途径改善缓冲器气体弹力特性。4 缓冲器主要维护4.1 缓冲支柱的填充液缓冲支柱内的填充液并不只是液压油，其中加入了润滑油。LUBRIZOL 1395和METHYL OLEATE（甲基油酸）都是重型润滑油。将其加入到液压油中，可以减小缓冲支柱的内部运动部件

28、的磨损。（1）BMS 3-32,1型填充液它是MIL-H-6083液压油加上1.5%体积的LUBRIZOL1395，再加上1%体积的METHYL OLEATE混合液。（2）BMS 3-32,2型填充液它是MIL-H-5606液压油加上1.5%体积的LUBRIZOL1395，再加上1%体积的METHYL OLEATE混合液。上述两种缓冲支柱的填充液完全是配制好的，可直接使用。当第一次灌充新的缓冲支柱时，或在大修后，应选择BMS 3-32,1型填充液，这是因为在MIL-H-6083液压油中，加有抗腐蚀抑制剂。其他情况可任选两者之一，这两种填充液是兼容的。（3）调制缓冲支柱填充液BMS 3-32,1

29、型和2型填充液是最佳选择，如果没这两种，自行调制填充液。4.2 缓冲支柱的油量检查现代飞机缓冲支柱油量检查的方法是：在两个不同的缓冲支柱伸出量情况下，测量缓冲支柱的压力和伸出量两次。两次缓冲支柱的伸出量差值越大，则测量越精准。两次伸出量的差值应在2-4in（51-102mm）。主要有两种获得不同缓冲支柱伸出量的方法：第一次测量(1)可以再两个不同飞机重量下进行测量。例如，加油前和加油后测量。(2)用集体千斤顶顶飞机，再用轮轴千斤顶压缩和伸张缓冲支柱。检查步骤如下：(1)拆除充气活门盖；(2)在缓冲支柱上安装压力表；(3)拧松充气活门旋转螺帽两圈，测量缓冲支柱压力；(4)测量实际的缓冲支柱伸出尺寸；(5)在灌充曲线上找到与测量压力对应的缓冲支柱伸出尺寸；(6)比较缓冲支柱实际伸出尺寸与灌充曲线上查出的伸出尺寸，如果实际尺寸在灌充曲线的上、下限范围内，进行第二次测量；(1)如果实际尺寸不在灌充曲线上、下限范围内，则进行“灌充氮气”。第二次测量：(1)-(5)与第一次测量步骤一样；(6)