馬 巖 李忠霖 / MA Yan LI Zhonglin

(中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽 110000)

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民機(jī)艙門垂直軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

馬 巖 李忠霖 / MA Yan LI Zhonglin

(中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽 110000)

引入了一種新型垂直軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)首次被應(yīng)用于民用飛機(jī)艙門設(shè)計(jì)中，具有一定的先進(jìn)性。介紹了其基本構(gòu)型、傳動(dòng)原理及在艙門上的典型應(yīng)用。深入分析了其機(jī)構(gòu)特性，并依據(jù)解析幾何的方法推導(dǎo)出該機(jī)構(gòu)輸入輸出角度計(jì)算公式，從而得出了該機(jī)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。

垂直軸傳動(dòng)；解析法；輸入角度；輸出角度

0 引言

對于民用飛機(jī)艙門設(shè)計(jì)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)及機(jī)構(gòu)布置的需要，常常要實(shí)現(xiàn)兩根互相垂直軸之間的聯(lián)動(dòng)(如內(nèi)外手柄軸)。目前，艙門設(shè)計(jì)中普遍采用的是空間四桿機(jī)構(gòu)?？臻g四桿機(jī)構(gòu)僅適用于不在同一平面內(nèi)的兩根軸的聯(lián)動(dòng)，而且需要連桿間關(guān)節(jié)軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)來補(bǔ)償機(jī)構(gòu)軸向的竄動(dòng)，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上有一定的局限性。本文介紹了一種全新的垂直軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可以應(yīng)用于艙門設(shè)計(jì)，并且實(shí)現(xiàn)了在同一平面內(nèi)的兩根垂直軸之間的聯(lián)動(dòng)，該機(jī)構(gòu)具有傳動(dòng)準(zhǔn)確、構(gòu)型簡單、可調(diào)整性高及占用空間小等優(yōu)點(diǎn)。

1 垂直軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)型

本文介紹的全新的應(yīng)用于垂直軸之間傳動(dòng)的空間機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示。

本套機(jī)構(gòu)包括：處于同一平面內(nèi)互相垂直的主動(dòng)軸A和從動(dòng)軸E，主動(dòng)軸上固定連接的主動(dòng)軸曲柄B，從動(dòng)軸上固定連接的從動(dòng)軸曲柄D，以及兩端分別與曲柄B和曲柄D鉸接連接的連桿C。主動(dòng)軸曲柄B與主動(dòng)軸A之間存在一個(gè)夾角α。從動(dòng)軸曲柄D平行于從動(dòng)軸E。連桿C垂直于主動(dòng)軸曲柄B。連桿C與曲柄D的鉸接點(diǎn)軸線垂直于紙面。

圖1 垂直軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

2 垂直軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在艙門上的典型應(yīng)用

圖2為某機(jī)型應(yīng)急門外手柄機(jī)構(gòu)示意圖。該機(jī)型選用的是III型機(jī)翼上部應(yīng)急門[1]。歐洲航空安全局(EASA)于2008年提出修正公告NPA2008-4[2]，對III型應(yīng)急門的操作提出新的要求，應(yīng)急門在打開時(shí)要與機(jī)身相連，并且要求打開過程中要易于操作。隨后這一要求被寫進(jìn)CS 25.813(c)(6)[3]，對于大于或等于41座的民用客機(jī)機(jī)翼上部應(yīng)急門，必須能夠自動(dòng)打開、且打開后需要與機(jī)身相連。為了滿足上述設(shè)計(jì)要求，艙門需設(shè)計(jì)多套機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)難度徒然增大。因III型應(yīng)急門空間尺寸比較狹小，機(jī)構(gòu)布置難度很高，為了給其他機(jī)構(gòu)留出足夠的空間，所以外手柄機(jī)構(gòu)選擇了占用空間更小的“蝴蝶”式手柄，如圖2所示。

圖2 外手柄機(jī)構(gòu)示意圖

“蝴蝶”式手柄雖然占用空間小，但這種形式的手柄也存在一定的不利因素。采用這類外手柄，外手柄軸垂直于內(nèi)手柄軸軸線方向，這就給內(nèi)外手柄的傳動(dòng)帶來了一定的困難。本例中的應(yīng)急門受設(shè)計(jì)空間的限制，只能將外手柄軸與聯(lián)動(dòng)內(nèi)手柄軸的鎖軸布置在同一水平面內(nèi)，傳統(tǒng)的空間四桿機(jī)構(gòu)無法滿足設(shè)計(jì)要求，所以選擇了本文介紹的垂直軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖3 應(yīng)急門垂直軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

本機(jī)構(gòu)應(yīng)用于應(yīng)急門上的形式如圖3所示，其主動(dòng)軸為鎖軸，鎖軸與傳動(dòng)曲柄2固定連接，傳動(dòng)連桿3一端與傳動(dòng)曲柄2鉸接，另一端與傳動(dòng)曲柄4鉸接，傳動(dòng)曲柄4與外手柄軸5固定連接。外手柄軸5連接外手柄機(jī)構(gòu)。

本例中對于圖1所示的垂直軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)做了微小更改。垂直軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各個(gè)機(jī)構(gòu)件之間的連接形式不變，將圖1中的主動(dòng)軸曲柄B的構(gòu)型做了修改，使其處于傳動(dòng)連桿3與傳動(dòng)曲柄4的閉環(huán)中。這樣機(jī)構(gòu)更加緊湊，可以最大程度地節(jié)省空間。

3 垂直軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

本套機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)為機(jī)構(gòu)的調(diào)整。作為空間機(jī)構(gòu)，不同于平面機(jī)構(gòu)的調(diào)整方法，需要采用立體解析幾何的方法對機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，從而找到調(diào)整方法。

首先分析機(jī)構(gòu)特性。依據(jù)圖1分析該機(jī)構(gòu)的構(gòu)型可以發(fā)現(xiàn)，只要主動(dòng)軸曲柄B的長度和其與主動(dòng)軸A之間的夾角α確定，機(jī)構(gòu)的整體構(gòu)型就完全確定。曲柄B的長度決定機(jī)構(gòu)的空間大小，曲柄B與主動(dòng)軸A之間的夾角α，則決定了機(jī)構(gòu)的輸入輸出角度關(guān)系。圖1所示為本套機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)中心位置，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，以中心位置為界，前后運(yùn)動(dòng)形式一致。設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)時(shí)，可以以中心位置為起點(diǎn)，分配輸入輸出角度。例如要求輸入角度為110°，輸出角度為90°，則機(jī)構(gòu)的結(jié)束位置相對中心位置，輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)55°，輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)45°。

為了更好地分析機(jī)構(gòu)，將該機(jī)構(gòu)抽象成圖4所示線架結(jié)構(gòu)，可以利用解析法計(jì)算出夾角α與輸入輸出角度的關(guān)系。圖4線架圖中實(shí)線為機(jī)構(gòu)中心對稱位置，虛線為機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)了一定的輸入輸出角度之后的結(jié)束位置，點(diǎn)畫線為計(jì)算需要的輔助線。

圖4 垂直軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)線架圖

如圖4所示，ad為抽象后的主動(dòng)軸曲柄B，cd為抽象后的連桿C，ac為抽象后的主動(dòng)軸A，cg為連桿C與從動(dòng)軸曲柄D的鉸接軸線方向，ch為機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)后的連桿C與從動(dòng)軸曲柄D的鉸接軸線方向，cb為轉(zhuǎn)動(dòng)后的連桿C位置，ab為轉(zhuǎn)動(dòng)后的主動(dòng)軸曲柄B位置。

定義輸入角度即主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度為2γ，輸出角度即從動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度為2β。通過交點(diǎn)d作輔助線df垂直于ac，連接bf，圖中為中心對稱位置，所以∠dfb即為主動(dòng)軸曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的角度γ，∠hcg即為從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度β。通過交點(diǎn)b作垂直于主動(dòng)軸和從動(dòng)軸所在平面的垂線be，通過e點(diǎn)做直線eg垂直于cg，連接ef和ec。

已知ch⊥cb，ch⊥eb，則ch⊥平面cbe，所以ch⊥ec，∠β=∠ceg；

已知ac⊥be，ac⊥bf，則ac⊥平面bfe，所以ac⊥ef；

因?yàn)閍c⊥ef，ac⊥cg，ge⊥cg，所以四邊形cgef為矩形，可以得出：

已知cg⊥平面acd，所以ef⊥平面acd，所以ef⊥df，所以∠γ=∠fbe；

已知ad⊥cd，df⊥ac，所以∠α=∠cdf；

因?yàn)椤夕?∠fbe，∠β=∠ceg，∠α=∠cdf，所以可得：

已知df=bf，通過上述關(guān)系式，可以推導(dǎo)出：

如果給定設(shè)計(jì)要求的輸入輸出角度，通過上面推導(dǎo)出的公式，便可以求解出夾角α，從而調(diào)整出機(jī)構(gòu)的基本構(gòu)型。在具體應(yīng)用到艙門上時(shí)，在確定機(jī)構(gòu)基本構(gòu)型后，可以依據(jù)給定的空間位置，調(diào)整主動(dòng)軸曲柄的長度，從而調(diào)整整個(gè)機(jī)構(gòu)的空間大小，使之滿足設(shè)計(jì)空間要求。

4 結(jié)論

本文以某機(jī)型應(yīng)急門手柄機(jī)構(gòu)為例，介紹了一種新型垂直軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，本套機(jī)構(gòu)布局緊湊，可調(diào)整度高，可廣泛應(yīng)用到艙門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中。本文推導(dǎo)出的公式，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)與機(jī)構(gòu)的具體構(gòu)型相結(jié)合。本文提出的從解析幾何角度對空間機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的思路及參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，具有一定的通用性，還可以應(yīng)用于其他空間機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中。

[1] 中國民用飛機(jī)航空局.CCAR25-R4中國民用航空規(guī)章第25部：運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國民用航空局，2011.

[2]EASA.NoticeofProposedAmendment(NPA)No2008-4TypeIIIEmergencyExitAccessandEaseofOperation[S].EASA, 2008: 23.

[3]EASA.CS-25_Amendment9CertificationSpecificationsforLargeAeroplanes[S].EASA, 2010: 1-D-34.

The Parametric Design Method of Vertical-shafts Mechanism Used for Commercial Aircraft Door

(AVIC SAC Commercial Aircraft Company Ltd.，Shenyang 110000，China)

This paper introduces an advanced and brand-new mechanism for commercial aircraft door, which can transfer the movement between two vertical shafts, and analyses the theory of its movement. Based on that, a formula used to calculate the input angle and output angle of the mechanism is deduced, which can be used for the design of the mechanism.

vertical shafts movement; analytic geometry; input angle; output angle

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.03.008

V223.9

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