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0 引言
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半堵塞式[1]舱门因其较高的安全性、良好的空间性,在民用飞机设计领域有着广泛的应用。半堵塞式舱门的开启分为向上向内提升和向外打开两个主要步骤。为提高民用飞机舱门的可靠性,降低电子元件失效的概率,避免在应急情况下无法开启舱门的情况,当前大多数民用飞机舱门的提升运动是依靠人力操作手柄实现。
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对于半堵塞式舱门,提升机构[2]指以固定点或近似固定点为支点,按照预定提升轨迹使舱门挡块完全躲开机身挡块[3-5]并提升一定高度的机构。为了保证符合条例要求的5%的女性和95%的男性能够顺利的操作舱门打开,并提高舱门操作的舒适性,舱门的手柄力需要控制在一定范围内,SAE ARP488D建议正常操作舱门时开启手柄力不超过45lb[6],先进机型甚至要求开启手柄力不超过35lb。
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操作手柄力是衡量舱门性能的一个重要指标,特别对于应急出口类舱门,手柄力不仅有峰值要求,为保证操作的舒适性,开启舱门全过程的手柄力变化还应尽量平缓。为了满足舱门的手柄力要求,除对提升机构进行适当优化以提高机构的传动效率外,还需要设计舱门提升助力机构,对舱门的提升运动过程提供助力。
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1 舱门提升助力机构
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当前民用飞机舱门上常用的提升助力机构主要有两种,分别为弹簧机构和扭力杆机构。
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在波音和庞巴迪系列飞机中,弹簧助力机构有着较广泛的应用。弹簧机构多采用机械压缩弹簧的形式,弹簧一端压紧在舱门结构上,一端压紧在提升机构上,提升机构与打开机构相连[7]或与口框结构[8]配合,无论是哪种形式,提升机构的运动着力点最终都为口框结构,舱门均是通过拉、压口框结构的方式实现相对口框向上提升运动。因此弹簧的另一端可以认为是通过提升机构压紧在口框结构上。提升舱门过程中,弹簧逐渐解除压缩,弹性势能逐渐转换为提升运动的动能,从而实现辅助提升舱门的功能。
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扭力杆机构是选用扭力杆作为弹性势能储藏源和提升动力输出源的机构。在空客系列飞机舱门中,扭力杆机构有着比较广泛应用。扭力杆是指扭转后储存了一定变形的长杆,其一端通过可调连杆与舱门结构固定连接,一端与提升机构连接,其工作原理与弹簧助力机构类似,当舱门提升时,扭力杆结构逐渐转动释放扭矩,辅助舱门提升。
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为保证舱门的安全性,避免舱门意外打开,在舱门完全关闭位置不允许承受可以驱动舱门打开的额外力。因此,提升助力机构在舱门完全关闭位置应不能提供使舱门有打开趋势的载荷。为满足上述设计要求,前舱门多采用机构过中心的设计方案,以实现提升驱动力在不同阶段的方向转换。对于弹簧助力机构,过中心机构多直接设计于弹簧机构上,对于扭力杆助力机构,过中心机构多设计于提升机构中,如A320登机门,为满足舱门机构的运动时序,提升机构处设计了两套过中心四杆机构,上述机构还可以起到扭力杆机构的输出助力方向转化的功能。
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舱门典型的带有过中心特性的弹簧提升助力机构如图1所示。弹簧机构作为舱门的提升助力机构,在舱门关闭状态,助力机构将舱门手柄压紧在关闭位置,在操纵手柄提升舱门时,利用机构的过中心特性,手柄驱动曲柄转动越过中心位置,改变助力弹簧的驱动力矩方向,从而实现在不同运动时段的不同驱动力方向要求。
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图1 典型舱门提升助力机构
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提升助力机构应保证舱门在整个提升过程中手柄力变化平稳,运动全过程不产生较大的载荷突变,以提高操作舒适性。基于适航条例的要求,舱门设计有多套安全机构,机构之间存在安全监控关系,机构的安全监控功能要求机构的运动存在一定的时序。舱门的手柄开启过程包括解除增压预防机构、解锁、解闩、提升四个步骤[9]。为实现舱门的运动时序功能,并保证锁机构在未完全解锁状态下,弹簧力可以将锁机构压紧在完全上锁位,以提高舱门的安全性,提升助力机构在提升初始阶段,往往刚完成过中心运动不久,机构的驱动力臂较小。在舱门初始提升时,为克服舱门的重力及惯性,需要较大的驱动载荷,而提升助力机构因运动角度的限制无法提供较大的驱动力矩,这导致该阶段舱门手柄力较大[10],且整个运动行程内手柄力突变较严重。
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图2和图3分别为某机型舱门提升初始阶段提升助力机构的状态和舱门提升运动过程中的手柄力情况。如图2和图3所示,舱门在初始提升阶段,助力机构因运动角度限制,刚刚完成过中心运动,驱动力臂较小,助力机构输出扭矩很小,而舱门的驱动力又要求较大,这导致手柄力在此区域产生较大突变,达到峰值210N,不满足本项目要求的“手柄力不超过150N且全行程过渡平稳”的设计要求。
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图2 舱门初始提升阶段提升助力机构位置
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图3 舱门提升全行程内手柄力
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2 舱门新型提升助力机构
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为了解决上述舱门提升初始阶段手柄力过大、提升全过程手柄载荷突变严重的问题,对现有舱门提升助力机构进行了改进,设计了一套舱门分时驱动助力机构,该驱动机构在舱门关闭位置不起作用,以满足舱门在完全关闭位置不承担使舱门有打开趋势载荷的设计要求。在舱门提升阶段,该机构可以直接提供较大的驱动力矩,对舱门提升运动提供助力,实现了舱门提升过程的分段、精准助力。
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某飞机舱门分时提升助力机构如图4所示,助力的措施仍然选择压缩弹簧机构,但弹簧驱动曲柄与提升机构传动轴不再采用固定连接的形式,而是采用铰接连接设计。在弹簧驱动曲柄上铰接连接有传动摇臂,传动摇臂上连接有滚轮,滚轮与凸轮及固定支座配合,凸轮与传动轴固定连接,固定支座与舱门结构固定连接。
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图4 某机型舱门分时提升助力机构
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在舱门完全关闭位置,压缩弹簧通过弹簧驱动曲柄、传动摇臂将滚轮压紧在固定支座表面,弹簧力全部传递至舱门结构上,弹簧不起助力作用。
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分时提升助力机构的开启过程中机构构型见图5。开启舱门过程中,驱动手柄带动传动轴转动,传动轴带动与其固定连接的凸轮转动一定角度后,凸轮上的正向驱动销与传动摇臂上的正向挡件接触,如图5所示。正向驱动销拨动正向挡件并带动传动摇臂转动,传动摇臂上的滚轮脱离固定支座表面,并被弹簧压紧至凸轮表面。此时继续驱动手柄,滚轮在弹簧力的作用下始终压紧在凸轮表面,弹簧驱动曲柄在压缩弹簧的作用下,随凸轮一起转动,在这个过程中,弹簧通过凸轮驱动传动轴运动,实现提升助力功能。
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图5 分时提升助力机构运动过程图
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关闭舱门过程中,驱动手柄轴带动传动轴转动,传动轴带动凸轮转动,凸轮通过与滚轮的配合,带动传动摇臂和弹簧驱动曲柄围绕传动轴转动,直至传动摇臂上的反向挡件与固定支座上的反向驱动销接触。反向驱动销通过反向挡件驱动传动摇臂转动,传动摇臂脱离凸轮、转动并卡死在固定支座上。继续转动手柄,传动轴带动凸轮转动,弹簧驱动曲柄保持在原位,压缩弹簧不再起驱动作用。分时提升助力机构的关闭过程中机构构型如图6所示。
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图6 分时提升助力机构运动过程图
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本套机构在舱门关闭位置,不提供使舱门有打开趋势的载荷,在舱门提升运动的初期,手柄力突变最严重的行程区间内,可以直接提供较大的驱动力矩。采用本套机构后,舱门提升过程中的手柄力如图7所示,经工程软件计算,手柄力峰值由210N降至135N,且提升全行程内舱门手柄力变化更为平稳,操作性能改进明显。不足之处是本机构会导致舱门的重量略有增加,本例中舱门增重约0.8kg。
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图7 采用分时提升助力机构后的手柄力
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3 结论
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提升助力机构是民用飞机舱门上非常重要的机构,但对于手柄力要求较高的舱门,单纯依靠提升助力机构的设计,可能难以满足功能要求。
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新型舱门提升助力机构依靠凸轮、摇臂等元件的联合应用,可以实现针对不同运动区间驱动力要求的精准分时驱动助力,解决了原有机构舱门手柄力过大、手柄力突变剧烈的技术问题。在舱门完全关闭状态,该机构不提供使舱门有打开趋势的驱动力,降低了舱门意外打开的概率,提高了舱门的安全性。
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分时提升助力机构传动关系简单,可以推广应用到各种类型的舱门机构方案设计中,如半堵塞式非危险舱门中,为了避免舱门不安全增压,也可以采用本机构作为舱门自动提升的驱动机构。
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参考文献
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摘要
为满足适航要求并提高操作性能,民用飞机增压舱门、特别是应急出口类舱门的操作手柄力有严格的设计要求。提升助力机构是舱门上最常采用的提升运动辅助机构,可以有效调节舱门的操作手柄力。介绍了“弹簧”和“扭力杆”两种民用飞机半堵塞式舱门典型提升助力机构形式,分析了其工作原理。以某项目提升助力机构为例,分析了其在舱门提升运动过程中的功能,给出了舱门在提升过程中手柄力较大且全行程手柄力突变较剧烈的原因。基于上述应用问题,引入了一种新型舱门提升助力机构,该机构在舱门完全关闭状态下不提供助力,在提升初始阶段可以直接提供较大的驱动力,介绍了该机构的构型,分析了机构的机构原理及工作过程,为舱门提升助力机构设计和舱门其他机构设计提供了参考。
Abstract
In order to meet the airworthiness requirements and improve the operation performance, there are strict design requirements for the operating handle force of the pressurized cabin door, especially the emergency exit doors. Lifting assist mechanism is the most commonly used lifting auxiliary mechanism on the cabin door, which can effectively adjust the operating handle force of the cabin door. This paper introduces two kinds of typical lifting assist mechanisms of semi-plug cabin door for civil aircraft:“spring” and “torsion bar”, and analyzes the mechanism principle. Taking the lifting assist mechanism of a project as an example, this paper analyzes its function in the process of cabin lifting, and the main problems in its application. Based on the above application problems, a new type of lifting assist mechanism for sequence lifting cabin door is introduced, which does not provide assistance when the door is completely closed, and can directly provide larger driving force in the initial stage of lifting. This paper introduces the configuration of the mechanism, analyzes the mechanism principle and working process, and provides a reference for the design of the door lifting assist mechanism and other door mechanisms.
Keywords
cabin door ； lifting assist mechanism ； handle force ； spring ； torsion bar
