■ 章楠 邢東旭 劉少平/中國飛行試驗研究院

1 滾珠式軟軸

1.1 滾珠式軟軸的基本結(jié)構(gòu)

圖1 所示為操縱軟軸的功能框圖，圖2 為操縱軟軸的結(jié)構(gòu)圖。軟軸中的運動部件和力的傳遞機構(gòu)是中間的芯軸，軟軸整體為中間對稱結(jié)構(gòu)，芯軸為雙滑道結(jié)構(gòu)，其斷面呈“8”字形，由兩排滾珠和保持架引導(dǎo)運動。兩排滾珠的外側(cè)是固定桿，兩固定桿中心相對外圍的金屬管中心軸重疊，固定桿鎖定在鎖緊套上，保證鋼索的整體安全。在芯軸和固定桿之間設(shè)有保持架，保持架上等間隔地安裝了滾珠。推拉芯軸時，滾珠的滾動將固定桿和芯軸間的滑動摩擦轉(zhuǎn)換為滾動摩擦，大大減小了芯軸的運動阻力。芯軸、滾珠、保持架、固定桿一同安裝在金屬管內(nèi)，限制芯軸在受力時偏離原來的位置。

1.2 軟軸的特點

軟軸具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝使用簡單方便的特點。相對剛性軸來說，軟軸能夠彎曲，具有較強的適應(yīng)性和通用性；允許作用力的輸出方向與作用端不在一條直線上，甚至不在一個平面上，保證了作用力的可靠傳遞。其缺點是軟軸的彎曲、扭轉(zhuǎn)有限，超過限度就會造成傳遞系數(shù)急劇下降，而且對加工精度、材料的要求較高。

非電傳飛機上，一般采用連桿、推拉鋼索或滾珠式軟軸來操縱發(fā)動機的主泵調(diào)節(jié)器，控制發(fā)動機的各個工作 狀態(tài)。

2 問題的提出

圖1 軟軸功能框圖

圖2 軟軸結(jié)構(gòu)圖

某型飛機油門操縱系統(tǒng)采用的就是滾珠式操縱軟軸。該型飛機試裝國產(chǎn)軟軸，經(jīng)過幾個架次飛行之后，油門操縱桿桿力明顯增大，發(fā)動機無法正常停車；油門在各個狀態(tài)下主泵調(diào)節(jié)器刻度盤對應(yīng)的刻度值超出發(fā)動機技術(shù)文件規(guī)定的范圍，嚴(yán)重影響了飛行員的正常操縱以及對發(fā)動機狀態(tài)的控制。將該軟軸拆下，拉直、彎曲釋放應(yīng)力，兩次無載荷推拉芯軸，測量作用力均滿足軟軸設(shè)計要求，重新裝機后油門操縱桿桿力無明顯減小。

3 問題的分析

檢查油門操縱臺到發(fā)動機主泵調(diào)節(jié)器的軟軸通道，發(fā)現(xiàn)有一處曲率較小，處于國產(chǎn)軟軸適應(yīng)范圍的邊緣；分解斷離油門操縱系統(tǒng)各傳動部件、連桿，分別檢查油門操縱臺、發(fā)動機主泵調(diào)節(jié)器、發(fā)動機噴口調(diào)節(jié)器，操縱力均符合設(shè)計要求，確定軟軸傳動部分造成操縱力異常增加，發(fā)動機油門操縱精度不滿足發(fā)動機使用要求。

3.1 軟軸推拉阻力增加因素分析

如圖3 所示，假設(shè)在軟軸的兩端A和B 之間有兩段轉(zhuǎn)角α1和α2。A 端的拉力F 克服AB 之間的阻力和B 端的作用力F0，使芯軸向A 端移動，則

其中，f 為軟軸套管與芯軸之間的摩擦系數(shù)；a 為軟軸各段彎曲角度之和；F 為拉力；F0為原始力。

從式（1）可以看出，作用在A 端的作用力為B 端作用力的ef·a倍時才能拖動芯軸，F(xiàn) 與摩擦系數(shù)及轉(zhuǎn)角之和成指數(shù)關(guān)系，所以作用力F 對摩擦系數(shù)及轉(zhuǎn)角之和均比較敏感，兩者的輕微增加均會引起操縱力的顯著增加。

在檢查過程中發(fā)現(xiàn)軟軸從油門操縱臺到發(fā)動機操縱桿的安裝通道有一處曲率較小，同時軟軸安裝通道不在一個平面上。

由于該型飛機采用的滾珠式軟軸的芯軸是一條截面為矩形且僅在一個平面內(nèi)偏轉(zhuǎn)的軟質(zhì)薄鋼板，為了能連接油門手柄和油門操縱桿，軟軸芯軸勢必發(fā)生如圖4 所示的變化，即軟軸芯軸在通道中發(fā)生扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩，額外增加了芯軸與護(hù)套之間的正壓力，將之記為Fc，軟軸滾動摩擦系數(shù)記為λ0，則

圖3 軟軸受力分析簡圖

綜上分析，軟軸彎曲以及軟軸扭轉(zhuǎn)，兩方面因素均會造成軟軸的推拉阻力增加。

3.2 軟軸形變因素分析

假設(shè)經(jīng)過多次推拉，軟軸發(fā)生形變后是可以恢復(fù)的。令λ 為軟軸的形變系數(shù)，為了說明發(fā)動機油門操縱精度不滿足要求的問題，建立模型，圖5 所示為某段軟軸的物理化模型。

為了說明彎曲角度以及輸入作用力大小對軟軸外套長度的改變程度，圖5中b、d 兩點是軟軸上任意接近的兩點，c 是加載荷前d 的位置，忽略b、d 兩點間芯軸傳遞力大小的差異，即

圖4 軟軸扭轉(zhuǎn)示意圖

由式（7）可以看出，F(xiàn)1不變時，軟軸的形變量a1隨軟軸彎曲角度a2的增大而增大；a2不變時，a1隨F1的增大而增大，F(xiàn)1、a2兩個變量對軟軸的形變量a1均有影響。

4 總結(jié)

由上述分析可知，軟軸產(chǎn)生的阻力與軟軸的彎曲角度之和、扭轉(zhuǎn)角、摩擦系數(shù)有關(guān)；軟軸發(fā)生的形變量與軟軸的彎曲角和軸芯輸出的作用力有關(guān)。軟軸過度彎曲既增加了軟軸的摩擦阻力，同時也增加了軟軸的形變。

圖5 軟軸局部受力圖

綜合分析認(rèn)為國產(chǎn)軟軸裝機問題是由兩方面原因?qū)е碌模环矫?，飛機上發(fā)動機操縱軟軸安裝通道的設(shè)計中有一處超過國產(chǎn)軟軸的適應(yīng)范圍，使軟軸發(fā)生了較大的彎曲和扭轉(zhuǎn)；另一方面，國產(chǎn)軟軸軸芯部滑桿摩擦系數(shù)較進(jìn)口軟軸的大，且國產(chǎn)軟軸適應(yīng)彎曲的能力不及進(jìn)口軟軸，加劇了上述因素對軟軸性能的影響，進(jìn)而造成軟軸裝機后出現(xiàn)操縱力大和操縱精度無法滿足發(fā)動機操縱要求的情況。

后續(xù)在優(yōu)化機上軟軸安裝通道曲率較小處后，操縱桿力滿足了要求，發(fā)動機油門操縱靈活，發(fā)動機操縱精度滿足了設(shè)計要求。