无人机起落架电动转角装置减摆器设计与控制研究

无人机起落架电动转角装置减摆器设计与控制研究

1起落架减摆器的研究随着无人机行业的快速发展，其安全性、速度和机动性提出了更高的要求。起落架是飞机起飞着陆的关键部件,直接关系到飞机的安全。发展起落架全电控制是今后无人机的发展趋势,目前国内对无人机起落架电动转弯装置的结构和控制原理还缺乏深入的研究,而电动转弯装置中减摆器是影响无人机全电控制关键因素之一。飞机在整个起飞、着陆剖面内的交变载荷下,减摆器不仅是电动转弯系统实现主动转弯、滑跑纠偏过程中的一个重要连接件,同时减摆器可提供足够的防摆动态阻尼,防止主要由机轮绕定向轴转动和地面接触部分的变形,引起前轮剧烈侧向摆动而导致前起落架支柱和前机身的晃动,甚至形成整个机身的颤振。因此,开展起落架减摆器的研发具有重要的理论意义和广泛的应用前景。为此,根据市场需求进行了某型式油液弹簧减摆器的结构设计,并对该结构进行了研究分析。2起落架控制方案设计起落架电动转弯控制系统如图1所示,其主要由减摆器、控制器、无刷直流电机、无刷直流电机减速器、连接轴、连接杆、角度传感器等组成。在地面滑跑转弯时,控制器控制电机转动,电机通过连接轴、减摆器(此时,减摆器通过两个弹簧作用而使减摆器为一刚性元件)、连接杆将力传递给机轮,从而驱动机轮绕起落架外筒转动,并通过角度传感器时时向控制器反馈起落架的转动角度,实现起落架的转弯功能。当机轮承受侧向冲击能量引起机轮的偏摆时,该冲击能量通过防扭臂、连接杆传递给减摆器,减摆器活塞杆压缩(拉伸),活塞杆运动将压缩减摆器一腔液压油,使液压油高速通过环形节流孔流入另一腔,并通过液压阻尼发热及弹簧将起落架所受能量耗散,确保起落架摆振性能,并能通过减摆器防止电机受到巨大的冲击能量,缩短其使用寿命。通过起落架电动转弯控制系统原理分析,减摆器很好的实现了起落架电动转弯主动控制与被动阻尼的有机结合。减摆器主要组成部件如图2所示,减摆器通过两个弹簧(3)将活塞杆(6)保持在外筒的中间位置且活塞杆能相对与外筒拉伸或压缩,即向减摆器两端施加一定的拉(压)力,活塞杆(6)能相对于外筒(2)向左(右)移动。活塞杆相对与外筒移动时,将迫使一腔油液通过活塞杆(6)及油针(9)组成的节流孔流入另一腔,通过节流将机械能转化为热能在减摆器循环几个周期将其大部分耗散掉。3产品准备和开源代码在飞机主动转弯时,减摆器为刚性结构;同时,飞机滑跑时又耗散产生的摆振能量。因此,结构设计中应重点考虑节流阻尼、密封及散热等因素。3.1最佳阻尼孔径的确定节流阻尼设计的好坏将直接影响起落架的摆振性能,因此对节流阻尼的设计至关重要。但阻尼的综合影响因素很多,该结构主要确定节流环形腔大小,初步通过计算,得出几组数据,然后通过试验确定减摆器的最佳阻尼孔径。参考文献,环形油孔油液流量公式如下:式(1)中:;L——油孔环长度;μ——油液相对黏度;δ——环形缝隙宽度;D——油针直径。由公式(1)知,当油针偏心值达到最大,即ξ=1时,流量为无偏心时流量的2.5倍。油孔流经小孔阻力:由公式(1)、(2)可求出偏心环形孔的液压阻尼系数ξ:式(3)中:为环形孔形状系数。通过以上分析,减摆器节流阻尼设计除考虑油针直径、活塞相对速度、油液密度及油孔长度外,应重点考虑通油孔面积及环形腔的偏心。在设计中应尽可能对通油孔面积进行可调设计,来满足阻尼要求。3.2滑环式结构密封由于减摆器在飞机起飞滑跑过程中使用频繁,同时该产品使用环境温度变化较大,为满足产品摆振性能,除需考虑选用摩擦系数较小、寿命较高的密封圈外,还需考虑外界环境温度、油液充填及内腔气体排除因素。(1)外部密封活塞杆在收缩过程中与外筒、端盖之间采用“O”型密封。这种密封形式简单,属于常规密封形式,很好的实现了动态密封。通过选用合适规格的密封圈,在保证密封的同时,摩擦力满足设计要求。“O”型密封如图4所示。(2)内部密封外筒与滑套、滑套与活塞杆之间的内部密封采用滑环式密封结构。这种密封形式在低摩擦阻力无爬行现象、无粘滞现象、耐高压、动静态密封效果均相当良好,摩擦阻力小,长时间停歇后的启动摩擦阻力基本不上升,工作寿命提高数倍,较大程度节省了系统的资源。滑环式密封如图5所示。(3)排气密封减摆器在使用过程中,主要是通过左右两腔的油液串流来实现飞机的减摆。因此,在结构中应尽可能排除油液中的气体。为此,在减摆器左右两腔的输入端采用了类似于单向阀结构的设计思路。如图6所示。在双腔注入适量油液后,通过螺塞的旋紧对混入的气体可得到有效排除,保证结构有效工作。3.3被动阻尼冲击液的制备减摆器在使用过程中,通过弹簧力的作用可将其视为刚性体。但当前起落架受到侧向冲击时,作为一种被动阻尼控制结构,冲击能量大部分要通过阻尼孔实现左右双腔的油液串流,产生热能,使油液吸收达到耗散的目的。现阶段使用的航空液压油其闪点相对较低,因此,在进行结构设计时,应尽可能地向减摆器中充填油液增大热能吸收源,增大散热面积,确保冲击能量的耗散。4起落架减摆器设计的有效性本文主要进行了电动转弯系统减摆器的结构设计、原理分析及重点考虑因素分析。通过对减摆