M2輕型運(yùn)動飛機(jī)起落架收放機(jī)構(gòu)設(shè)計

摘要aircraft或LSA)是美國FAA(FederalAviationAdministration,聯(lián)邦航空管理局)于Materials,美國材料與試驗(yàn)協(xié)會)標(biāo)準(zhǔn)F2245為設(shè)計依據(jù)，提出了適用于M2型水陸兩棲關(guān)鍵詞：輕型運(yùn)動飛機(jī)；起落架；收放結(jié)構(gòu)第1章前言1.1通用航空——輕型運(yùn)動飛機(jī)的概念通用航空(GeneralAviation)按照國際民用航空組織(ICA0,InternationalCivil國務(wù)院2003年1充分證明。據(jù)國際經(jīng)驗(yàn)表明，通用航空產(chǎn)業(yè)投入產(chǎn)出比為1:10,就業(yè)帶動比為1:12。因在通用航空中使用的飛機(jī)主要屬于輕型運(yùn)動飛機(jī)。輕型運(yùn)動飛機(jī)(lightsportaircraft,或LSA)是美國FAA(FederalAviationAdministration,聯(lián)邦航空管理局)于2004年末提出的一種飛機(jī)分類名稱。FAA對輕型運(yùn)動飛機(jī)的定義是：這類飛機(jī)的最大起飛重量不超過600kg(水上起降的飛機(jī)，最大起飛重量不超過650kg),最大平飛速度不超過222km/h,失速速度不超過83km/h,單座或雙座，固定起落架，使用不可變槳距，爾發(fā)動機(jī)，即三角活塞式發(fā)動機(jī))。2]1.2我國通用航空和輕型飛機(jī)的現(xiàn)狀和展望點(diǎn)?！笆濉逼陂g，通用航空均作業(yè)量約63000小時，2015年市場需求將比2000年翻兩番，達(dá)到18萬小時左右。到2020年，中國通用航空應(yīng)在1萬架以上，達(dá)到發(fā)展中國家的約有私人飛機(jī)70架，而美國私人飛機(jī)則多達(dá)20萬架，從全世界范圍來看，目前全球擁有的大小飛機(jī)比例約為1:9,在一些發(fā)達(dá)國家如美國甚至達(dá)到3:97,而在我國這個比例嚴(yán)重有關(guān)專家預(yù)測約有30萬個“千萬富翁”已成為私人飛機(jī)的潛在消費(fèi)者。據(jù)中國通用航空專家委員會預(yù)測，未來5-10年，中國通用航空市場將逐步與國際接軌，市場需求呈現(xiàn)巨大增長，全國私人飛機(jī)的擁有量將從2006年的70架增長到2020年的2000多架。1.3水陸兩棲輕型運(yùn)動飛機(jī)的發(fā)展前景目前世界上許多發(fā)達(dá)國家都在積極發(fā)展通用航空，和世界發(fā)達(dá)國家相比，我國通用航空的湖泊及水庫水域可供輕型水陸兩棲飛機(jī)起降使用，發(fā)展輕型水陸兩用飛機(jī)特別符合中國的國情。2008年國務(wù)院交通管制委員會推動低空空域管理改革試點(diǎn)。2013年1月14日，國務(wù)院向各級政府及相關(guān)部門印發(fā)《促進(jìn)民航業(yè)發(fā)展重點(diǎn)工作分工方案》,將2012年頒布的《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)民航發(fā)展的若干意見》中提出的總體要求包干到戶，繼機(jī)場建設(shè)與航線規(guī)劃之后，通用航空在《分工方案》中位列第三，成為要“大力發(fā)展”的產(chǎn)業(yè)。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展、綜合國力的增強(qiáng)和人民生活水平的不斷提高，以及國家對于低空領(lǐng)域的逐步開放，輕型水陸兩用飛機(jī)在我國具有十分廣闊的應(yīng)用前景。[52.1設(shè)計要求(1)滿足起飛和著陸性能要求；(3)減震要求；(4)剎車要求；(5)收放要求；(6)機(jī)場承載能力及漂浮性要求。(1)使用條件惡劣，各種腐蝕嚴(yán)重；(2)單傳力路徑，受力情況嚴(yán)重，可靠度較低；(3)使用可檢并可以分解進(jìn)行無損傷檢查；(4)采用高強(qiáng)度鋼材料，疲勞極限低，與鋁合金結(jié)構(gòu)相比裂紋檢出概率低、擴(kuò)展速故的2/3以上。美國國家運(yùn)算安全委員會(NationalTrans件總數(shù)的15%。6以上可以看出，起落架是飛機(jī)安全飛行的關(guān)鍵部件，起落架的設(shè)計與分2.2起落架初步設(shè)計2.2.1M2飛機(jī)總體設(shè)計要求M2水陸兩棲輕型運(yùn)動飛機(jī)(以下簡稱M2飛機(jī))依據(jù)《CCAR-21-R3民用航空產(chǎn)品和零部件合格審定規(guī)定》、《AC-21-AA-2015-25R1輕型運(yùn)動航空器適航管理政策指南》《AP-21-AA-2015-37R1輕型運(yùn)動航航空器型號設(shè)計批準(zhǔn)審定程序》和美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行設(shè)計。采用固定翼飛機(jī)的常規(guī)布局，主要特征包括：(1)最大起飛重量650公斤；(2)設(shè)計最大連續(xù)功率狀態(tài)下最大平飛空速VH=199公里/小時(109節(jié));(3)設(shè)計最大失速速度VS1=79公里/小時(43節(jié))(4)飛艇式機(jī)身，機(jī)身兩側(cè)整合式浮筒；(5)上單翼形式，高置T型尾翼；(6)并排雙座位，非增壓式座艙；(7)并列同步推桿式操縱系統(tǒng)；(9)可地面調(diào)節(jié)槳距的推進(jìn)式螺旋槳。表2-1M2飛機(jī)技術(shù)參數(shù)表翼展10.5米總長6.78米總高2.26米最大起飛重量650公斤空機(jī)重量350公斤有效載重300公斤設(shè)計最大速度Vp239公里/小時設(shè)計機(jī)動速度V158公里/小時不可逾越速度VE260公里/小時失速速度72公里/小時襟翼處于降落位置79公里/小時襟翼收起發(fā)動機(jī)型號發(fā)動機(jī)功率100馬力油箱容量100升最大航程1050公里最大升限3500米實(shí)用升限3000米最大爬升率4.5米/秒起飛距離250米陸地跑道300米水面降落距離300米陸地跑道350米水面圖2-1M2飛機(jī)三視圖angloanglooftee-outmaimam圖2-2后三點(diǎn)式起落架如圖2-2,兩個主輪安置在飛機(jī)重心之前，尾輪安置于飛機(jī)尾部。后三點(diǎn)式起落架優(yōu)這時在支柱上形成的摩擦力將產(chǎn)生相對于飛機(jī)質(zhì)心的力矩，它使飛機(jī)航向偏向更大的角圖2-3前三點(diǎn)式起落架如圖2-3,兩個主輪安置在飛機(jī)重心后面，前輪安置于機(jī)身前部。著陸簡單，安全可2.3確定飛機(jī)的重心前后限圖2-4復(fù)雜形狀機(jī)翼平均氣動弦已知M2飛機(jī)機(jī)翼根部弦長1300mm,機(jī)翼翼梢弦長867mm,單個機(jī)翼翼展5250mm,用作圖法求出第一段梯形的平均氣動弦L1=1299mm,面積S1=3.96m2,第二段梯形的平均氣動弦L2=1098mm,面積S2=2.29m2。根據(jù)公式解得平均氣動弦Lu=1225mm機(jī)翼在平均氣動弦上中性點(diǎn)坐標(biāo)位置(以機(jī)翼中心線處根肋為前緣基準(zhǔn)):平尾和機(jī)身對于飛機(jī)中性點(diǎn)的影響，取決于以下因素：(1)平尾容量Sw為機(jī)翼面積la為平尾尾力臂(平尾1/4弦長至機(jī)翼1/4弦長距離)(2)平尾效率η通常，對于正常平尾η。=0.6,V型尾翼η。=0.65,T型尾翼ηa=0.9。(3)機(jī)翼下洗對尾翼的影響機(jī)身對中性點(diǎn)的影響決定于機(jī)身水平投影面積在飛機(jī)重心前后的比例。機(jī)身后段為桿式，前段為雙座影響就比較大，總的約在5%~10%平均氣動弦長處。考慮平尾和機(jī)身影響，全機(jī)縱向中立點(diǎn)在機(jī)翼平均氣動弦長上位置的百分比可按下式估算：其中，X?是考慮機(jī)身影響后的飛機(jī)中性點(diǎn)位置；a是考慮有限翼展影響后平尾和機(jī)翼升力線斜率，取0.08;機(jī)翼下洗對平尾影響和展弦比λ有關(guān)，對單翼機(jī)可按的dl/d2=35計算。已知M2飛機(jī)機(jī)翼面積12.5m2,尾翼面積2.72m2,翼展10.5m,尾力臂3.525m,機(jī)翼平均氣動弦長1.225m,展弦比8.82,機(jī)翼中性點(diǎn)在0.25平均氣動弦長處，考慮機(jī)身影平尾容量V?=2.72*3.525/12.5*1.225=0.62;則全機(jī)中性點(diǎn)位置X=0.15+0.9*0.62*(1-(35*0.08/8.82))=0.15+0.38=一般輕型飛機(jī)靜穩(wěn)定度余度為8%-25%MAC,故全機(jī)重心應(yīng)調(diào)整在平尾氣動弦長處：飛機(jī)重心太靠后會影響飛機(jī)的操縱性，故飛機(jī)重心前限取28%MAC,重心后限去36%MAC。根據(jù)設(shè)計的重心前后限，初步分配各部件重量，按縱向布局位置，詳見下表2-2:表2-2M2飛機(jī)重量分配及布局位置表序號水平力臂(mm)縱向力矩(kg*mm)平尾螺旋槳7發(fā)動機(jī)機(jī)身機(jī)翼傘降包擋風(fēng)玻璃7前起落架電瓶5儀表臺&航電座椅油箱&汽油操縱系統(tǒng)主起落架行李單飛行員兩飛行員總力矩(單總力矩(雙總重量(單總重量(雙小結(jié)：在一名飛行員的情況下，重心位置距離根部翼肋前緣358mm,即在平均氣動弦29%位置；在兩名飛行員的情況下，重心位置距離根部翼肋前緣358mm,即在平均氣動弦2.4后坐角一條與垂直線成15°角的線，此傾斜線與通過機(jī)輪中心的垂直線相交，這兩條線的交點(diǎn)是繪制停機(jī)地面線的第一次近似起點(diǎn)。15°角這個參數(shù)已經(jīng)用了很多年，其選用基于兩飛機(jī)不允許尾部下沉超過15°,使飛機(jī)重心的翻轉(zhuǎn)不會移到主起落架之后。同時初始角度的設(shè)置也是滿足飛機(jī)起飛時迎角的要求。M2飛機(jī)起落架的后坐角為15°,停機(jī)初始角為14.8°。2.5側(cè)翻角主起落架的側(cè)向布置影響飛機(jī)側(cè)翻角和飛機(jī)活動面，如副翼、襟翼、翼尖、發(fā)動機(jī)短艙，以及可能使用的螺旋槳等于地面的間隙。9為了獲得飛機(jī)良好的側(cè)向穩(wěn)定性，希望有盡可能小的側(cè)翻角，因?yàn)轱w機(jī)防側(cè)翻的恢復(fù)力矩取決于側(cè)翻角的大小。側(cè)翻角的大小取決于飛機(jī)主輪距與飛機(jī)重心高度的關(guān)系。側(cè)翻角的計算如圖2-5,已知B=2300mm,F=900mm,E=850mm,設(shè)計要求飛機(jī)在滑行轉(zhuǎn)彎時不發(fā)生側(cè)向翻倒，側(cè)翻角應(yīng)小于63°。顯然該布局的滾翻角遠(yuǎn)小于63°,因此橫向站位布置滿足總體構(gòu)型要求。B-B-—F圖2-5飛機(jī)側(cè)翻角計算圖解2.6輪胎選擇在停機(jī)載荷計算取飛機(jī)的最大起飛重量W=650kg,利用杠桿原理，計算起落架靜停機(jī)載荷，停機(jī)載荷計算簡圖如圖2-6。計算如下：主起落架最大停機(jī)載荷=Wg(F-M)/(2F)=2862N前起落架最大停機(jī)載荷=Wg(F-L)/F=917N前起落架最小停機(jī)載荷=Wg(F-N)/F=645Ng=重力加速度剎車引起的減加速度為3.05m/s2前起落架靜停機(jī)載荷占飛機(jī)總重的10%~14.4%,基本滿足飛機(jī)總體布置要求：前起落架一般應(yīng)承受飛機(jī)總重的6%～20%之間，這是極端情況，合適范圍應(yīng)在8%~15%。圖2-6起落架停機(jī)載荷計算圖解2.6.2起落架的停機(jī)載荷前起落架最大停機(jī)載荷為917*1.07=981N前起落架剎車動載荷為1649*1.07=1764N主起落架輪胎靜載荷為3795N前起落架輪胎停機(jī)靜載荷為1226N前起落架剎車動載荷為2205N前輪輪胎10英寸(254mm)輪轂3.5英寸厚度82.0毫米后輪輪胎11英寸(279.4mm)輪轂4英寸厚度98.5毫米。2.7初步設(shè)計結(jié)果經(jīng)過計算，得到初始停機(jī)角14.8°,后傾角15°,側(cè)翻角48.8°,均滿足設(shè)計要求。所以初步布局確定前起落架高度(包括機(jī)輪)為530mm,主起落架高度(包括機(jī)輪)為630mm,前后輪距為2300mm,主輪距為1800mm。支柱)、扭力臂或搖臂、機(jī)輪和剎車裝置等主要構(gòu)件組成.當(dāng)起落架放下并鎖住時常為靜(1)簡單支柱式和撐桿支柱式起落架受力(圖3-1,圖3-2)。1支柱式起落架的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單緊湊，傳力直接，圓筒形支柱用不同的輪軸、輪叉形式來調(diào)整機(jī)輪接地點(diǎn)與機(jī)體連接點(diǎn)的相互位置和整個起落架的高度。缺點(diǎn)是由于是懸臂式受力、因而上端彎距大(圖3-3),加一個斜撐桿能夠很好的減小頂端的彎矩(圖3-4)。且由于機(jī)輪通過輪軸與減震支柱直接相連，因而對飛機(jī)前方圖3-1簡單支柱式起落架原理圖圖3-2斜撐式起落架原理圖圖3-3簡單支柱式起落架受力分析圖圖3-4斜撐桿對支柱彎矩的影響(2)半搖臂式起落架半搖臂式起落架的減震緩沖器受部分起落架橫向力作用，它可能要受壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)，同時，對前方?jīng)_擊有緩沖作用。圖3-5半搖臂式起落架(3)搖臂式起落架搖臂式起落架可以承受前方?jīng)_擊載荷，使得飛機(jī)在地面滑跑時更平穩(wěn)。緩沖器只受軸向載荷，因此大大減小了緩沖器軸套上的摩擦力，使工作更加平穩(wěn)，降低了摩擦損耗，改善了密封裝置的工作條件。搖臂式起落架要笨重，需要的收放空間也更大，但緩沖器受力圖3-7搖臂式起落架3.2M2飛機(jī)前起落架前起落架安裝交點(diǎn)位于距離機(jī)頭465mm處，前起落架從下至上主要由機(jī)輪、輪軸、機(jī)制示意如圖3-7,前起落架由搖臂與減震器在一起組成減震支柱，機(jī)輪通過輪叉直接連M2飛機(jī)不設(shè)置前輪轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向主要由不對稱剎車實(shí)現(xiàn)。M2飛機(jī)前輪中立機(jī)構(gòu)選擇楔桿式外糾偏裝置(圖3-8),它由楔錐