毕业设计(论文)-飞机前起落架机构设计.doc
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1、南昌航院2006届毕业设计 飞机前起落架机构设计目 录1 引言12 正文22.1 绪论22.1.1 起落架的设计要求22.1.2起落架的外载荷32.1.3 起落架的布置型式52.2 总体方案的设计72.2.1 本设计的特点72.22起落架收放方式选择82.23起落架结构型式的选择122.24起落架缓冲装置的选择152.25起落架转弯系统的选择222.26起落架各作动筒的选择252.27起落架轮胎的选择292.28起落架有关参数的计算和校核312.29起落架结构的疲劳设计与起落架的试验322.3动画模拟343 结论424致谢435参考文献44附录 外文资料及译文外文资料: An introduc
2、tion to the airplane45译文: 飞机的介绍 621.引言起落架是供飞机起飞、着陆时在地面上滑跑、滑行停放用的。它是飞机的主要部件之一,其工作性能 的好坏以及可靠性直接影响飞机的使用和安全。具体说,起落架主要功用有:一是吸收并耗散飞机着陆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。为了有效地完成起功能,起落架设计面临着结构设计、机构设计、空气动力性能以及由飞机用途决定和维修人员提出的使用、维修等方面一系列存在的有一定矛盾的各种要求。举例来说,在多数情况下飞机起落架整个装置的重量占全机重量的3%5%,占飞机结构重量的10%15%;而它必须在飞机升
3、空后能收入到机体结构和飞机阻力影响最小的空间中去。然而,现代飞机速度增大;现代战斗机均要求有近距离起落等高性能;一些大型运输机比过去重的多(如波音-747的重量是波音-707-320的两倍多),此时就必须采用大的多轮式起落架;同时上述种种原因使起落架的各种装置比过去更为复杂,而使其起落架的空间更显紧张。由此可见,设计人员要找到一个能最好地协调各种要求,同时又使结构轻、成本低的设计方案变得越来越困难了。现代飞机起落架是由结构、机构和各种系统共同组成的复杂机械装置,包括减震系统、受力支柱、撑杆、机轮、刹车装置和防滑控制系统、收放机构、电气系统、液压系统和其他一些系统和装置。因此起落架设计比飞机结构
4、设计的其他部件要包含更多的工程专业。起落架材料的发展状况,欧美国家起落架选用300M和35NCD16低合金超高强度钢整体锻件结构加工工艺,零件外形加工后进行真空热处理或可控气氛热处理。材料利用率只有12.5%-25.0%。 俄罗斯起落架选用30CrMnSiNi2A(真空冶炼)低合金超高强度钢锻件焊接结构加工工艺,主要受力构件采用高压真空电子束焊焊接,焊后进行热处理(空气炉加热+盐浴炉淬火)。 目前,新型的高强度、高韧性和高腐蚀抗力的改进型镍-钴低碳合金钢已开始在舰载飞机起落架上应用,最典型的材料是AerMet100和AF100,此类材料除具有优异的综合力学性能外,还具有优良的疲劳性能和焊接性能
5、,可替代现在使用的起落架结构材料300M和4340钢等。国内起落架受力构件材料主要采用300M和30CrMnSiNi2A超高强度钢,有的采用整体加工,有的采用焊接结构。大型构件的深孔加工和热处理变形控制以及超高强度钢的高效数控切削加工是国内起落架加工存在的主要问题。另外AerMet100钢尚未应用。飞机起落架主要有以下几种类型:带机轮的起落架、雪橇、船身式、浮动式,分别用于陆地,雪地水上起降。2.正文2.1 绪论2.1.1起落架的设计要求起落架与飞机机体结构有同样的结构设计要求:即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轻;同时要求起落架使用、维护方便;易于更换、修理;还有
6、空气动力和工艺性、经济性要求。在使用中起落架系统范畴出现的问题比较多,而它与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。起落架处于复杂的疲劳载荷作用下,就其设计准则而言与飞机的机体结构有所不同,就目前看它一般按全寿命(即疲劳寿命)原理设计,而不按损伤容限原理设计。这主要由于起落架构件因载荷大而多采用高强度或超高强材料,其临界裂纹长度小,从裂纹可见检出到裂纹扩展寿命短;在有些部位裂纹的检查比较困难。因此,目前国内外在进行起落架设计时均按安全寿命设计。过去的起落架寿命大大低于飞机机体结构的寿命,需定期更换。现在国外在起落架设计时都要求起落架与机体结构同寿,并实现了这一要求,我国也基本达到
7、这一水平。除了要达到上述要求外,起落架还应满足与本身功能有关的各项要求:(1) 在起飞和着陆滑跑、滑行、机动或牵引时,飞机有良好的操纵性和稳定性。这是通过合理选择起落架参数、布局、减震和刹车系统性能来达到的。(2) 着陆和滑行时对动载荷有良好的减震缓冲性能。减震系统应能吸收着陆撞击时的全部额定能量,使飞机结构件上的载荷不超过设计值。这些能量应由减震缓冲系统消耗掉。(3) 在给定宽度的机场跑道上有180。转弯的能力。实现转弯主要利用可操纵的机轮、刹车装置和发动机,并要合理选配起落架参数、类型、数量和机轮的布置。(4) 保证起落架舱门打开、关上及支柱收上、放下时有可靠的锁定机构。不允许在飞行中发生
8、起落架自行脱落和地面上自行收起的现象,因此起落架手起机构应能锁定。起落架的收起时间应尽可能短。(5) 在选取起落架的参数和支柱的结构形式时,在满足强度、刚度和寿命的条件下使起落架尽可能轻。2.1.2起落架的外载荷:(1) 着陆撞击载荷飞机降落时可能是三点着陆、两点着陆、甚至一点着陆或侧滑着陆。这样飞机以一定下沉速度着陆时会受到不同的撞击载荷,如垂直撞击、前方撞击和惯性力矩等。如图1.1 (2) 滑跑冲击载荷飞机在起飞、着陆的滑跑过程中,道面不平或到面上有杂物都会引起起落架的冲击载荷(图1.2)。 在着陆滑跑中还会由于未被消耗掉的着陆能量引起的震动载荷,这些载荷比着陆载荷要小,但由于滑跑距离长,
9、因此滑跑冲击载荷的反复作用次数多。(3) 刹车载荷为了缩短着陆距离,在滑跑过程中需要刹车。这时有较大的X向载荷,即轮胎与地面的摩擦力Pf,还回有刹车力矩引起的Y向载荷(图1.3)。(4) 静态操纵载荷和地面停放载荷 飞机在牵引、进入定位时常用牵引架进行 个方向的推、拉、扭、摆、造成静态操纵载荷。飞机停放并固定在地面上时,有可能受到大风引起的系留载荷,这在沿海地区更应加以考虑。起落架还受有其他一些载荷,如收放机构传来的载荷;多轮式起落架由于各轮受载不均而产生的偏心载荷等等。 总之,起落架的载荷多种多样,必须注意的是起落架所受的力大多是动载荷,伴随着减震器的伸缩、机轮的旋转和刹车等,可能出现各种振
10、动,加之多次起落的重复受载(一般现代运输机可能要完成6000070000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。2.1.3 起落架的布置型式:起落架的配置型式和参数选取不仅能保证飞机在机场上运动时有 操纵稳定性,而且也决定了支柱的受载、起落架的重量特性以及连接起落架的飞机部件的重量特性。在飞机出现的初期,曾采用过四点式起落架如图2.1(a)。后来实践证明,只要有三点,飞机就可以在地面稳定的运动,因而采用了后三点式和前三点式如下图2.1(b)(c)所示,除此以外,起落架还有:单主轮式、四点式、自行车式、和多支点式。其中单主轮式仅用滑翔机还上,四点式可以认为是双自行车式。
11、前三点式起落架的两个支点(主轮)对称地安置在飞机重心后面,第三个支点(前轮)位于机身前部,尾部通常还装有保护座,防止在起飞离地时出现檫尾如图2.1(c);后三点式起落架的两个支点(主轮)对称地安置在飞机的重心前面,第三个支点(尾轮)位于飞机尾部如图2.1(b)。由于机身前部装有活塞式发动机,安装前起落架比较困难,同时,前三点飞机在着陆滑跑是迎角较小,不能很好地利用气动阻力来缩短滑跑距离,因此,前三点式起落架很少采用。后三点起落架与前三点起落架相比,除了具有在螺旋桨飞机上容易配置和便于利用气动阻力使飞机减速等优点外,它的构造比较简单,重量轻。但是,具有后三点式起落架的飞机地面运动的稳定性较差,例
12、如驾驶员操纵不当时飞机容易打地转。此外,这种飞机着陆时须三点接地,操纵比较困难。如果飞机以较大的速度两点接地,因两主轮位于飞机重心前面,地面反作用力会对飞机重心形成上迎力矩,使飞机的迎角增大,升力增大,飞机就要向上飘起,即发生所谓的“跳跃”现象。由于这些缺点对低速飞机来说并不十分严重,所以在20世纪初到30年代末之间,后三点式起落架曾得到极为普遍的应用。随着飞机的起飞、着陆速度不断增大,后三点式起落架性能与对飞机地面运动的要求之间的矛盾日趋尖锐。例如,为了缩短滑跑距离,在机轮上安装刹车装置,结果却增大了飞机向前倒立(拿大顶)的可能性;又如在起飞、着陆速度较大的情况下,后三点式起落架飞机还容易打
13、转。为了解决这个问题,在新的条件下(如着陆减速问题已经解决),前三点式起落架又重新得到应用。具有前三点式起落架的飞机,地面运动的稳定性好,由于飞机重心为于主轮的前边,因而有助于阻止飞机在滑行时的打地转,作用于重心上的力使飞机保持向前作直线运动而不会打转,滑行中不容易偏转和倒立;着陆时,只有两个主轮接触,比较容易操纵。此外,这种飞机在地面运动时,机身与地面接近平行,驾驶员的视界较好对喷气式飞机来说,前三点式起落架还能使飞机轴线基本与地面平行,避免发动机喷出的燃气损坏跑道。前三点式起落架的主要缺点是前起落架承受的载荷较大,而且前轮在跑道中容易产生摆震。总的来说,前三点起落架比较适用于速度较大的飞机
14、。因此,从20世纪40年代初开始,便得到了迅速的推广,目前已成为起落架在飞机上配置的主要形式。自行车式起落架的两组主轮分别安置在机身下部、飞机重心的前后,另有两个辅助轮对称装于左右机翼下面,如图2.1(e)。这种形式基本上具备前三点式的优点,但由于前起落架比前三点式更靠近重心,因此要承担约40%的总载荷,起飞时抬头困难,有时要安装自动增大起飞迎角的装置。此外,因其不能采用左、右轮刹车力不同的方式来帮助飞机的转弯,因此要在前轮上安装转弯机构。为使前、主起落架都收藏在机身内所需的开口一般会使结构增重较多(与其他型式比)。因而这种型式仅在个别飞机上应用,如英国的垂直短距起落的战斗机“猎兔狗”。多点式
15、起落架常用于一些重型飞机,如波音747飞机,它由一个前起落架,两个机身起落架和两个大翼起落架构成,此种布局可以将飞机的重量分散在一个较大的面积上。如图2.1(d)现代飞机起落架机轮的数量有多种形式。一般前起落架有两个机轮,每个主起落架大多有26个机轮,最常见的是4个机轮。多机轮的布置把飞机的重量分散到一个较大的面积上;另外,万一有一个机轮被破坏时还能提供一个安全余量。2.2 总体方案设计2.2.1 本设计的特点:本设计选择前三点式起落架,起落架高度较小、着陆速度较大、飞行跑道稍差的某型高速教练机的前起落架收放机构的设计。在初步了解起落装置的功用、组成及设计要求后,设计中具体地分析和比较了几种起
16、落架的结构形式。例如,在设计中列出了简单支柱式、撑杆支柱式、摇臂支柱式、外伸式四种结构型式,最后结合了各种结构的特点和本设计的要求才选定采用摇臂支柱式起落架。其它部分零件和部件都是根据这种结构型式的要求而选定的。在绘制完零件图、部件图和装配图之前,还要构思出起落架结构的运动方案,只有收放结构确定下来才可以设计整个起落架其它部分的参数。在本设计中仅仅有理论计算是不行的,它比较抽象,我通过计算机将起落架收放动作(也就是在飞机起飞和着陆及在地面运动时)动画模拟出来,给人一目了然,很形象。这也是本设计的一个特点。2.2.2 起落架收放方式选择:为了减小飞行阻力,以提高飞行速度、增大航程和改善飞行性能,
17、现代飞机的起落架大多是可收放的。飞行速度大于250Km/h的飞机在飞行中起落架要收起,这样可以大大降低飞机的迎风阻力,改善气动性能以及飞行性能。可收放起落架尽管增加了重量,使飞机的结构设计和 使用复杂化了,但总的效率提高了。起落架的收放方式、起落架本身及其收放结构越简单,机翼、机身和起落架舱的承力型式也越简单,起落架要求的收放空间就越小,收放起落架就能得到更多的效益。1. 展向收放展向收放机构一般是用于主起落架上,沿展向收放有以下几种方式:(1) 机轮往机身方向运动图,2.4(a),这种方式常用于在机翼根部结构高度可以容纳机轮的情况。(2) 机轮远离机身方向运动图,2.4(b),这种方式适用于
18、小机轮起落架。当处于收上位置时,质量外移,使飞机的机动性能变坏。这种方式的收放机构也比其他方式要复杂,因此较少采用。(3) 机轮往机身方向运动并将机轮收入机身中图,2.4(c),这种方式多用于单翼飞机,更适合带小车式主起落架的收放。(4) 机轮往机身方向运动,将机轮收入机身并使机轮转向,图2.4(d),这种方式用在高速薄机翼飞上,因为机轮不放进机翼中。由于带了机轮转向机构,其机构较为复杂。图2.4(a)、图2.4(c)、2.4(d)的方式中,当机轮处于收上状态时,飞机相对于纵轴和垂直轴的惯性矩减小了,这有利于提高飞机的机动性能。2. 弦向收放弦向收放一般用于前起落架上,前起落架通过机轮的向前或
19、向后运动收入机身中,后支柱经常向后运动收入机身尾部整流罩中。在选择前起落架支柱收放方向除了要考虑总体布局外,还必须考虑尽量减小飞机重心位置改变的要求。从这个观点出发,当主起落架向后运动收放时,前起落架应向前运动收放而主起落架向前收放时,前起落架应向后运动收放。前起落架的收放方式比主起落架的收放方式简单。前起落架收放方式如图2.5。3. 收放位置锁收放位置锁用来把起落架锁定在收上和放下位置,以防起落架在飞行中自动放下和受到撞击时自动收起。收放位置锁通常有两种形式:挂钩式和撑杆式。(1) 挂钩式挂钩式主要由锁钩、锁簧和锁滚轮(或称锁扣)组成。通常通过锁作动筒、摇臂及连杆作动当锁滚轮进入到锁钩即为入
20、锁状态。当无液压时锁簧可保持其处于锁定状态。主起落架收上位置锁通常采用挂钩式锁机构。(2) 撑杆式(过中心锁)挂钩式一般适用于主起落架,本设计是前起落架,所以用撑杆式。由前锁连杆、后锁连杆、锁簧及锁作动筒等组成,由锁作动筒作动,如图2.6所示。锁连杆与阻力杆中央铰接点铰接。其锁定原理是:通过限制阻力杆的折叠或展开运动而使起落架锁定。当前锁连杆及后锁连杆运动到过中心时即为锁定状态。当无液压时,缩簧可以保持其处于锁定状态。现在飞机前起落架常采用这种结构。前起落架的收放必须通过前起落架的阻力杆折叠或展开来实现。而撑杆式锁机构,就是通过限制阻力杆的这种运动而使起落架锁定。当前起落架放下时,锁作动筒通过
21、后锁连杆使锁机构运动到过中心位置。锁簧使其保持在过中心位置(当无液压时),使阻力杆不能折叠,从而使起落架放下锁好。当要收起起落架时,必须通过锁作动筒驱动后锁连杆,使锁机构越过中心位置,阻力杆可以折叠,从而实现她的作用。 图2.6 撑杆式锁4. 收放方式的确定飞机起落架收放方式一般有展向和弦向收放两种,前起落架一般用弦向收放,考虑到现代飞机机头要安装很多很复杂的设备,如较大的相控雷达,所以本设计中的前起落架采用的弦向收放中的向机后运动并伸入机体内。如图2.7 图2.7 前起落架的收放结构2.2.3 起落架结构型式的选择:起落架的结构主要由受力支柱、减震器(当支柱和减震器合成一个构件时则称为减震支
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