無人機(jī)起落架電動(dòng)轉(zhuǎn)角裝置減擺器設(shè)計(jì)與控制研究

無人機(jī)起落架電動(dòng)轉(zhuǎn)角裝置減擺器設(shè)計(jì)與控制研究

1起落架減擺器的研究隨著無人機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，其安全性、速度和機(jī)動(dòng)性提出了更高的要求。起落架是飛機(jī)起飛著陸的關(guān)鍵部件,直接關(guān)系到飛機(jī)的安全。發(fā)展起落架全電控制是今后無人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì),目前國(guó)內(nèi)對(duì)無人機(jī)起落架電動(dòng)轉(zhuǎn)彎裝置的結(jié)構(gòu)和控制原理還缺乏深入的研究,而電動(dòng)轉(zhuǎn)彎裝置中減擺器是影響無人機(jī)全電控制關(guān)鍵因素之一。飛機(jī)在整個(gè)起飛、著陸剖面內(nèi)的交變載荷下,減擺器不僅是電動(dòng)轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)轉(zhuǎn)彎、滑跑糾偏過程中的一個(gè)重要連接件,同時(shí)減擺器可提供足夠的防擺動(dòng)態(tài)阻尼,防止主要由機(jī)輪繞定向軸轉(zhuǎn)動(dòng)和地面接觸部分的變形,引起前輪劇烈側(cè)向擺動(dòng)而導(dǎo)致前起落架支柱和前機(jī)身的晃動(dòng),甚至形成整個(gè)機(jī)身的顫振。因此,開展起落架減擺器的研發(fā)具有重要的理論意義和廣泛的應(yīng)用前景。為此,根據(jù)市場(chǎng)需求進(jìn)行了某型式油液彈簧減擺器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究分析。2起落架控制方案設(shè)計(jì)起落架電動(dòng)轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)如圖1所示,其主要由減擺器、控制器、無刷直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)減速器、連接軸、連接桿、角度傳感器等組成。在地面滑跑轉(zhuǎn)彎時(shí),控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),電機(jī)通過連接軸、減擺器(此時(shí),減擺器通過兩個(gè)彈簧作用而使減擺器為一剛性元件)、連接桿將力傳遞給機(jī)輪,從而驅(qū)動(dòng)機(jī)輪繞起落架外筒轉(zhuǎn)動(dòng),并通過角度傳感器時(shí)時(shí)向控制器反饋起落架的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,實(shí)現(xiàn)起落架的轉(zhuǎn)彎功能。當(dāng)機(jī)輪承受側(cè)向沖擊能量引起機(jī)輪的偏擺時(shí),該沖擊能量通過防扭臂、連接桿傳遞給減擺器,減擺器活塞桿壓縮(拉伸),活塞桿運(yùn)動(dòng)將壓縮減擺器一腔液壓油,使液壓油高速通過環(huán)形節(jié)流孔流入另一腔,并通過液壓阻尼發(fā)熱及彈簧將起落架所受能量耗散,確保起落架擺振性能,并能通過減擺器防止電機(jī)受到巨大的沖擊能量,縮短其使用壽命。通過起落架電動(dòng)轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)原理分析,減擺器很好的實(shí)現(xiàn)了起落架電動(dòng)轉(zhuǎn)彎主動(dòng)控制與被動(dòng)阻尼的有機(jī)結(jié)合。減擺器主要組成部件如圖2所示,減擺器通過兩個(gè)彈簧(3)將活塞桿(6)保持在外筒的中間位置且活塞桿能相對(duì)與外筒拉伸或壓縮,即向減擺器兩端施加一定的拉(壓)力,活塞桿(6)能相對(duì)于外筒(2)向左(右)移動(dòng)?；钊麠U相對(duì)與外筒移動(dòng)時(shí),將迫使一腔油液通過活塞桿(6)及油針(9)組成的節(jié)流孔流入另一腔,通過節(jié)流將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能在減擺器循環(huán)幾個(gè)周期將其大部分耗散掉。3產(chǎn)品準(zhǔn)備和開源代碼在飛機(jī)主動(dòng)轉(zhuǎn)彎時(shí),減擺器為剛性結(jié)構(gòu);同時(shí),飛機(jī)滑跑時(shí)又耗散產(chǎn)生的擺振能量。因此,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮節(jié)流阻尼、密封及散熱等因素。3.1最佳阻尼孔徑的確定節(jié)流阻尼設(shè)計(jì)的好壞將直接影響起落架的擺振性能,因此對(duì)節(jié)流阻尼的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。但阻尼的綜合影響因素很多,該結(jié)構(gòu)主要確定節(jié)流環(huán)形腔大小,初步通過計(jì)算,得出幾組數(shù)據(jù),然后通過試驗(yàn)確定減擺器的最佳阻尼孔徑。參考文獻(xiàn),環(huán)形油孔油液流量公式如下:式(1)中:;L——油孔環(huán)長(zhǎng)度;μ——油液相對(duì)黏度;δ——環(huán)形縫隙寬度;D——油針直徑。由公式(1)知,當(dāng)油針偏心值達(dá)到最大,即ξ=1時(shí),流量為無偏心時(shí)流量的2.5倍。油孔流經(jīng)小孔阻力:由公式(1)、(2)可求出偏心環(huán)形孔的液壓阻尼系數(shù)ξ:式(3)中:為環(huán)形孔形狀系數(shù)。通過以上分析,減擺器節(jié)流阻尼設(shè)計(jì)除考慮油針直徑、活塞相對(duì)速度、油液密度及油孔長(zhǎng)度外,應(yīng)重點(diǎn)考慮通油孔面積及環(huán)形腔的偏心。在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能對(duì)通油孔面積進(jìn)行可調(diào)設(shè)計(jì),來滿足阻尼要求。3.2滑環(huán)式結(jié)構(gòu)密封由于減擺器在飛機(jī)起飛滑跑過程中使用頻繁,同時(shí)該產(chǎn)品使用環(huán)境溫度變化較大,為滿足產(chǎn)品擺振性能,除需考慮選用摩擦系數(shù)較小、壽命較高的密封圈外,還需考慮外界環(huán)境溫度、油液充填及內(nèi)腔氣體排除因素。(1)外部密封活塞桿在收縮過程中與外筒、端蓋之間采用“O”型密封。這種密封形式簡(jiǎn)單,屬于常規(guī)密封形式,很好的實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)密封。通過選用合適規(guī)格的密封圈,在保證密封的同時(shí),摩擦力滿足設(shè)計(jì)要求。“O”型密封如圖4所示。(2)內(nèi)部密封外筒與滑套、滑套與活塞桿之間的內(nèi)部密封采用滑環(huán)式密封結(jié)構(gòu)。這種密封形式在低摩擦阻力無爬行現(xiàn)象、無粘滯現(xiàn)象、耐高壓、動(dòng)靜態(tài)密封效果均相當(dāng)良好,摩擦阻力小,長(zhǎng)時(shí)間停歇后的啟動(dòng)摩擦阻力基本不上升,工作壽命提高數(shù)倍,較大程度節(jié)省了系統(tǒng)的資源?；h(huán)式密封如圖5所示。(3)排氣密封減擺器在使用過程中,主要是通過左右兩腔的油液串流來實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的減擺。因此,在結(jié)構(gòu)中應(yīng)盡可能排除油液中的氣體。為此,在減擺器左右兩腔的輸入端采用了類似于單向閥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路。如圖6所示。在雙腔注入適量油液后,通過螺塞的旋緊對(duì)混入的氣體可得到有效排除,保證結(jié)構(gòu)有效工作。3.3被動(dòng)阻尼沖擊液的制備減擺器在使用過程中,通過彈簧力的作用可將其視為剛性體。但當(dāng)前起落架受到側(cè)向沖擊時(shí),作為一種被動(dòng)阻尼控制結(jié)構(gòu),沖擊能量大部分要通過阻尼孔實(shí)現(xiàn)左右雙腔的油液串流,產(chǎn)生熱能,使油液吸收達(dá)到耗散的目的?，F(xiàn)階段使用的航空液壓油其閃點(diǎn)相對(duì)較低,因此,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡可能地向減擺器中充填油液增大熱能吸收源,增大散熱面積,確保沖擊能量的耗散。4起落架減擺器設(shè)計(jì)的有效性本文主要進(jìn)行了電動(dòng)轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)減擺器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原理分析及重點(diǎn)考慮因素分析。通過對(duì)減擺