常 飛，何永樂

（1.空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，陜西 西 安 7 10038；2.西安航空制動有限公司，陜西 西 安 710038）

飛機(jī)剎車振動是飛機(jī)起落架系統(tǒng)振動的主要原因之一。飛機(jī)剎車振動問題不僅給飛機(jī)乘員帶來不適感，還可能造成起落架構(gòu)件和剎車裝置組件結(jié)構(gòu)疲勞或損壞，如將碳盤鍵槽鋼破壞。有時還會導(dǎo)致防滑剎車系統(tǒng)不能正常工作，使飛機(jī)剎車失效或地面差動剎車轉(zhuǎn)彎困難。航空機(jī)輪在臺架試驗(yàn)中，如果出現(xiàn)剎車振動現(xiàn)象，剎車力矩曲線往往呈現(xiàn)劇烈的變化，同時伴隨異常聲響現(xiàn)象，如尖叫聲，沉悶轟鳴聲。剎車振動現(xiàn)象不僅在過去和現(xiàn)在某些機(jī)種仍在使用的鋼剎車上發(fā)生過，在近些年來越來越廣泛使用的碳剎車上也出現(xiàn)了，例如波音757飛機(jī)碳剎車振動困擾飛機(jī)主體使用問題。飛機(jī)剎車振動研究嚴(yán)格的說是飛機(jī)起落架的動態(tài)特性研究，該系統(tǒng)包括三大項(xiàng)：起落架支柱、減震器及聯(lián)件，機(jī)輪、輪胎和剎車裝置，飛機(jī)防滑剎車控制系統(tǒng)。本文將重點(diǎn)研究航空機(jī)輪剎車振動的問題，通過剎車振動原因分析，提出解決剎車振動問題的途徑和措施。

1 航空機(jī)輪剎車振動類型

飛機(jī)剎車振動研究在國外已有五十年的歷程，文獻(xiàn)[1~2]是比較早的專門綜合研究報(bào)告和標(biāo)準(zhǔn)。在MIL-L-87139起落架標(biāo)準(zhǔn)中，報(bào)道了F101和F105飛機(jī)剎車振動相當(dāng)嚴(yán)重，已導(dǎo)致起落架機(jī)構(gòu)移位，并指出這些新問題的出現(xiàn)，是由于剎車盤片摩擦面相互作用及結(jié)構(gòu)剛度不足引起的。

研究表明，飛機(jī)剎車振動的形成主要有：起落架跨步、嘯叫、振鳴、回旋振動、動剎車盤擺線運(yùn)動等幾種模式。

（1）起落架跨步是指剎車引起的沿飛機(jī)縱向圍繞支柱機(jī)體支撐點(diǎn)前后運(yùn)動（擺動）。這種振動頻率在5~20 Hz范圍內(nèi)。起落架偏轉(zhuǎn)輪胎與跑道界的摩擦力或由于防滑剎車系統(tǒng)不匹配都會引起這種現(xiàn)象出現(xiàn)。

（2）嘯叫是非螺旋部件相對于轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)振動，振動頻率在50~100 Hz。剎車盤摩擦誘發(fā)剎車裝置固定部分及安裝架振動會引起嘯叫，裝配間隙不合適和結(jié)構(gòu)剛度不足會使嘯叫振動加劇。

（3）振鳴是指機(jī)輪轉(zhuǎn)動部分相對于輪軸抵抗輪胎彈性力的扭轉(zhuǎn)振動。振幅不高，振動頻率在100~1 000 Hz范圍內(nèi)。

（4）回旋振動（渦動）指轉(zhuǎn)動部件相對于靜止部件的擺動運(yùn)動，是軸向運(yùn)動和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動的耦合振動。這種振型由于摩擦引起，剎車盤的偏磨和不對稱的剎車力會加劇剎車振動。振幅較高，振動頻率在100~400 Hz內(nèi)。

（5）動剎車盤擺線運(yùn)動是指與剎車盤的振動耦合的徑向和回轉(zhuǎn)運(yùn)動。

2 航空機(jī)輪振動原因分析

在剎車過程中，振動總是不可避免的一種物理現(xiàn)象，不過在工程領(lǐng)域，這種振動是可以接受的，表現(xiàn)為剎車力矩曲線比較平穩(wěn)，或者剎車力矩曲線雖有振蕩，但很快趨于收斂，對剎車裝置零件和相聯(lián)的液壓管路不會引起壽命期內(nèi)損壞。但是，如果剎車振動超過這個范圍，則是一種故障。因?yàn)閺穆曧懮峡?，噪音加劇；從結(jié)構(gòu)完整性上看，往往導(dǎo)致零件過早損壞。剎車振動曲線如圖1所示，圖中標(biāo)記的為過度振動的地方。

圖1 機(jī)輪剎車振動曲線

盤式剎車裝置主要由動作機(jī)構(gòu)（汽缸座）、摩擦組件（剎車盤組和熱摩件）和支撐構(gòu)架（剎車殼體）組成。組成如圖2所示。

圖2 剎車裝置組成圖

在剎車工作過程中，液壓油壓力推動汽缸座活塞伸出，通過壓緊盤將隨機(jī)輪轉(zhuǎn)動并可沿機(jī)輪導(dǎo)軌（軸向）移動的動盤，和僅能沿剎車轉(zhuǎn)體花鍵（軸向）移動的靜盤壓緊在一起，動盤和靜盤對偶間的相互作用產(chǎn)生摩擦力，形成剎車力矩，使飛機(jī)減速和制動。當(dāng)剎車盤摩擦力振蕩使剎車力矩出現(xiàn)波時，就會產(chǎn)生振動。振動的程度取決于振動的形式、頻率以及振幅。當(dāng)相關(guān)部件發(fā)生共振時，將出現(xiàn)過度振動。航空機(jī)輪過度振動的振源為剎車裝置。剎車盤的軸向振動和徑向振動同時存在。剎車時軸向振動導(dǎo)致剎車力矩振動，徑向振動引起試驗(yàn)臺架振動，二者相互影響，使振動程度加劇。

剎車振動總由剎車盤的摩擦引起的。剎車盤偏磨和不對稱，剎車壓力的作用會加劇剎車振動。汽缸座、剎車殼體的剛度和結(jié)構(gòu)阻尼特性對振動的不穩(wěn)定性起這促進(jìn)作用，不合理的匹配引起定位不穩(wěn)定，導(dǎo)致振動加劇。

3 解決剎車振動的途徑和措施

解決剎車振動問題是一個復(fù)雜的綜合問題，直至當(dāng)前，國外仍在進(jìn)行研究，從大的方面講：一是，要求剎車盤摩擦材料都要具備優(yōu)良的摩擦穩(wěn)定性，摩擦系數(shù)在各種條件下變化小，從根本上消除或盡量避免摩擦誘發(fā)的振動；二是，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)，增加機(jī)械系統(tǒng)阻尼，避開系統(tǒng)共振點(diǎn)。解決剎車振動的方法具體如下：

（1）改進(jìn)剎車材料摩擦特性。碳剎車由于使用了碳-碳復(fù)合材料剎車盤，具有了質(zhì)量輕，耐磨強(qiáng)，承載高等優(yōu)點(diǎn)，但由于其壓力-力矩響應(yīng)敏感，壓力-變形呈非線性，摩擦系數(shù)變化寬等，容易引起剎車振動。因此，應(yīng)從碳盤預(yù)制體構(gòu)造，CVD/CVI增密工藝、高溫?zé)崽幚恚ㄊ┑确矫娓倪M(jìn)工藝，保證碳盤具有良好的摩擦特性。

（2）采用某種構(gòu)型的剎車盤結(jié)構(gòu)。在摩擦材料特性一定的情況下，改變剎車盤的幾何形狀，也會預(yù)防振動問題。試驗(yàn)表明，在剎車盤表面的布置適當(dāng)?shù)臏喜?，有利于剎車盤摩擦系數(shù)的穩(wěn)定，可以解決剎車振動問題。鋼剎車盤正常為小塊式結(jié)構(gòu)，摩擦面自然形成溝槽，便于排屑、散熱，因而剎車振動問題出現(xiàn)少。

（3）改進(jìn)剎車殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。物體固有頻率與質(zhì)量成反比，質(zhì)量增加可以減少頻率，同樣降低質(zhì)量可以增加頻率。因此，可通過改變剎車殼體質(zhì)量來避開共振點(diǎn)，一般采用增加質(zhì)量的措施。因?yàn)榻档唾|(zhì)量會帶來靜強(qiáng)度、變形等不能滿足設(shè)計(jì)要求的問題。改變剎車殼體固有頻率的另一個有效措施是采取不對稱結(jié)構(gòu)，如采用13個或15個花鍵，而不是采用偶數(shù)花鍵布置。

（4）增加液壓阻尼。給汽缸座活塞之間的油路安裝節(jié)流器，限制了剎車壓力的變化速率。對解決剎車振動問題有明顯的作用，波音-757飛機(jī)剎車裝置已經(jīng)成功應(yīng)用。

（5）采用減振墊。碳剎車正常為單片（一體式）結(jié)構(gòu)，為了解決剎車振動問題，在設(shè)計(jì)上將單片結(jié)構(gòu)一分為二，在這兩片之間放一片較重的盤，即減振墊，使剎車時剎車壓力上升速率較緩，系統(tǒng)阻尼增大。波音-747碳剎車機(jī)輪，動盤采用二合一技術(shù)，中間增加緩沖材料；波音-757機(jī)輪，靜盤采用減振墊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。剎車盤增加墊片后各剎車過程進(jìn)行了ABAQUS仿真，分別記錄了軸端、汽缸座和扭臂的加速度、位移隨時間變化的值，并與改進(jìn)前的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。加墊圈前后軸端加速度和軸端位移、氣缸座加速度和位移的對比，如圖3所示。

圖3 加墊圈前后對比圖

（6）增加外部阻尼系統(tǒng)。如果從剎車裝置本身設(shè)計(jì)尚不能有效解決剎車振動問題，可考慮采用外部阻尼系統(tǒng)。在剎車裝置外部，增加質(zhì)量阻尼系統(tǒng)，在汽缸座上連接阻尼器，已達(dá)到消除振動問題，但增加系統(tǒng)總質(zhì)量和復(fù)雜性，通常是不得已而為之的辦法。

解決剎車振動問題往往是多項(xiàng)措施并舉。例如，波音-757飛機(jī)碳剎車采用剎車殼體斜盤安裝、汽缸座油路節(jié)流器等措施。解決了臺架試驗(yàn)剎車振動問題，還需要產(chǎn)品裝機(jī)試驗(yàn)考核，這主要是整個系統(tǒng)的阻尼，使用條件不盡相同。

4 剎車振動研究展望

研究飛機(jī)剎車振動問題具有現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前和今后研究的重點(diǎn)，一是，振動機(jī)理的繼續(xù)深入研究，一般振動分析在理論上提出4～6個機(jī)理，包括粘滑機(jī)理，負(fù)阻尼機(jī)理等。研究手段將來采取有限元瞬態(tài)分析、非線性、第三體摩擦等，這些是研究的主要內(nèi)要；二是，研究振動測試技術(shù)。航空機(jī)輪通常采用多盤式結(jié)構(gòu)，而不像汽車制動器為單盤式（即鉗式）結(jié)構(gòu)，因而傳感器的設(shè)計(jì)布置、測振儀器和振動分析技術(shù)是研究的重點(diǎn)；三是，建立航空機(jī)輪振動設(shè)計(jì)檢測評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

正如前面所述，剎車振動涉及整個起落架和剎車防滑系統(tǒng)，因此，剎車振動研究將是多系統(tǒng)研究。

5 結(jié)束語

航空機(jī)輪剎車振動的振源是剎車裝置，解決剎車振動問題要從摩擦材料特性和剎車裝置結(jié)構(gòu)兩個方面入手。解決振動問題要采取綜合措施，剎車振動機(jī)理研究和剎車振動測試技術(shù)研究是今后的重點(diǎn)。

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