0 引言

完全互换是指一部件或组件能代替同一图号的另一部件或组件，并满足所有物理、功能、结构等方面的要求，部件或组件安装时，不需要切割、钻孔、铰孔、加垫、敲修等，只需一般机械维护工具。在我国当前已经生产的自研民用飞机项目中，登机门、货舱门等较大尺寸舱门还无法达到完全互换，其安装多采用在舱门蒙皮上留有余量、装配时工人现场修切的形式，质量不稳定，安装效率较低。空客等国外先进公司已经可以实现舱门的完全互换，相比修配的技术手段，同类舱门的安装更换时间可以缩短近90%，且可以有效降低舱门备件数量。

为了降低生产和运营成本，提高产品市场竞争力，实现舱门的完全互换势在必行。舱门的完全互换技术涉及设计、制造、装配等多个专业，专业跨度大、技术难度高，国内各在研飞机项目也在积极探索完全互换舱门的设计技术。本文给出了一种运输类飞机半堵塞式舱门完全互换设计方法，为同类舱门设计提供了参考。

1 完全互换舱门设计流程

不同批次的舱门安装至不同批次的门框结构上时，可以满足气动、气密、承载等多重功能要求，则认为可达到完全互换。定义增压舱门完全互换设计技术流程图如图1所示。

具体实施过程为：

1）依据舱门方案特点，制定安装调整方案，通过安装姿态调整控制舱门装配后相对门框结构的阶差和间隙 ^[1]，使其满足气动要求。

2）依据舱门设计方案，采用以容差分析为主的尺寸容差管理方法，制定合理的舱门及门框的容差要求，并以界面控制图等文件进行控制管理。

3）依据舱门容差管理输出结果、舱门安装调整结果、舱门和门框刚度匹配结果，分析叠加工况下舱门密封带^[2]和挡块^[3-5]等影响气密、承载性能的界面关键件方案是否满足要求。

4）依据上一步骤分析结果，优化舱门的尺寸容差要求、安装调整要求或关键件构型，最终给出满足完全互换要求、制造装配精度要求^[6]的设计方案。

2 舱门的安装调整技术^[7]

舱门是飞机上的重要运动部件，以半堵塞式^[8]翻转打开的舱门为例，此类舱门的安装调整包括关闭、提升和打开三个位置的姿态调整。舱门关闭位置的姿态调整是以满足舱门相对门框结构的阶差和间隙要求为调整目标，调整过程最为复杂，且直接影响提升位和打开位的姿态调整。因篇幅限制，下面仅以关闭位姿态调整为例，对舱门的安装调整设计进行简要说明。定义舱门关闭位调整姿态如图2所示，舱门作为空间物体包含六个自由度的调整需求。

安装调整设计的关键是调整措施的制定，包含各姿态的具体调整方法和舱门姿态调整顺序两方面内容。需针对舱门组件六自由度的调整要求分别制定对应的调整方法。作为运动部件，舱门与机身结构之间一般通过机构^[9]连接，机构元件的杆长、铰接连接位置等的调整易于实现，因此舱门的姿态调整通常是通过机构元件的尺寸和位置调整来实现。可以采用运动学仿真分析、机构原理草图分析等方法，模拟机构的调整过程，分析各机构子部件的尺寸、位置调整对舱门姿态调整的敏感度及某一姿态调整对其他方向姿态的影响，权衡考虑后选定合适的各姿态具体调整方法和上述姿态调整顺序。

需要注意的是，舱门是多约束的超静定结构，其形式较为复杂，单一方向的姿态调整可能导致其他连接区域干涉，所以对于舱门的每一方向姿态调整，除调整方法外，还应设计对应的补偿调整方法，进行同步配合调整，以避免装配应力。

3 舱门容差管理

3.1 容差要求定义

基准^[10]是一切尺寸描述的基础，为保证舱门部件整体的尺寸容差要求，可以在舱门部件基准数据图中，定义舱门组件的基准信息。由于完全互换舱门无需修切蒙皮，其安装调整过程是基于舱门蒙皮与门框蒙皮的间隙和阶差要求，因此可以选择舱门蒙皮外形面及边缘作为基准。典型舱门基准数据图如图3所示，定义舱门三个方向的基准DW、DY和DAA，其中DW为蒙皮外表面上的四个点，用于定位舱门的内外方向；DY为舱门两侧蒙皮切边的中心线位置，用于定位舱门的前后方向；DAA1为舱门下部蒙皮边缘，用于定位舱门上下方向。

3.2 装配方案和工艺生产能力确认

基于舱门方案制定舱门装配流程，包括装配顺序、方法及工装要求，上述工作与舱门设计并行展开。

3.3 累积容差分析

针对影响舱门完全互换功能的关键零组件，采用尺寸链分析的方法，模拟装配流程，分解计算各步骤的累积容差，包括零件的制造容差、装配定位容差及工装容差等，并以容差累积分析结果为依据给定舱门及门框工作包界面控制要求，用以实现对零组件的尺寸、形状和位置控制。

下面以某项目货舱门界面控制图中密封带位置度要求计算为例，详细说明容差的分析过程。因篇幅限制，仅以密封带航向（沿机身方向）位置容差计算为例进行说明。依据舱门密封方案，绘制密封带航向装配简化尺寸链，如图4所示。

本例中舱门蒙皮上设计有定位孔，采用工装定位销与该孔配合定位蒙皮位置。密封托架安装于蒙皮上，采用工装定位块定位。舱门组件的航向基准为舱门蒙皮外缘，蒙皮零件的自身基准为蒙皮定位孔位置。图4中定义的各尺寸链解释说明及容差值详见表1。

表1（续）

为了获得较准确的结果，选择均方根法完成A0计算。均方根法可能出现其中某些因素不服从正态分布的情况，为了保险起见，将计算结果乘以一个修正系数1.5（经验值），可以得到：

依据公式（1）计算密封带航向位置偏差A0=1.001 mm。采用同样的方法，分别对密封带的内外方向、上下方向位置偏差进行计算，其位置偏差计算结果小于1 mm。因此，基于容差分析结果，在界面控制图中标注密封带相对舱门基准位置度1.016 mm（0.04 in），确保基于当前制造装配方案可以满足图纸要求。

3.4 容差要求优化调整

如果通过容差分析计算出的位置偏差较大，可以采用优化装配方案、提高零件精度等措施减少偏差值。如果位置精度较高，满足功能要求且有较大的余量，则可以适当放宽零组件的制造和装配精度要求，以降低装配制造成本。

4 舱门关键件补偿设计

在飞机增压状态，挡块承担增压载荷，因此舱门挡块与机身挡块对中状态直接影响舱门的承载性能；通过机身上的压紧件挤压舱门密封带保证机舱的气密，因此密封带压缩量直接影响舱门的气密性能。挡块和密封带为不可调整件，如果单纯依靠容差控制来保证其功能，会大幅提高制造装配成本。可以采用设计补偿的方法，结合舱门的安装调整结果、容差管理结果、刚度匹配结果，对挡块及密封方案做进一步的优化改进，如挡块的配合面尺寸、密封带的截面形式等，确保舱门更换后不产生密封功能下降、承载性能降低等问题，上述过程即为基于完全互换要求的界面关键件补偿设计。

以某项目货舱门的密封方案设计为例，在极限载荷或者限制载荷、装配误差、安装调整误差共同作用下，密封带压缩量应大于最小压缩量要求，以保证舱门的气密性能。可以依据界面控制图要求的密封带、压紧件位置度及舱门的安装调整结果，分别计算舱门上部、两侧、下部的密封带压缩极限偏移位置，上述每个密封位置都包含内外偏移及上下/前后偏移两个方向的复合影响。因篇幅限制，仅以舱门两侧密封带航向压缩量容差分析为例，说明分析方法。图5为舱门两侧密封带航向压缩量容差分析尺寸链，其中压紧件的位置度和密封带的位置度要求分别在各自工作包的界面控制图中定义，两者的装配位置关系通过舱门的安装调整控制，本例中要求舱门调整后前后方向最大位置偏差不超过0.508 mm，可以将该数值定义成一个公差带，纳入尺寸链中。图5中各尺寸链的解释说明及容差值如表2所示。

因为项数较少，直接采用极值法计算D0：

$D0=B0-A0-C0$

计算D0等于±1.27 mm。

同时，分别计算增压限制载荷作用下舱门相对门框的变形量，舱门上、下、左、右位置的刚度匹配结果如图6所示。

以两侧密封带为例，密封带的压缩量分析如图7所示，密封压紧件对密封带的理论压缩位置为图7中的名义位置。

图中的A和B分别代表压紧件相对密封带的内外方向和航向位置偏差，A包括装配累积偏差A1和刚度相对变形A2，B同上。具体参数说明如下表3所示。

通过上述偏差值，结合密封带截面构型，计算极限位置密封带压缩量为1.8 mm，满足最小压缩1.524 mm（0.06 in）的功能要求。密封带的名义压缩位置和极限压缩位置对比如图8所示。

采用同样的方法对舱门上、下、左、右不同位置的密封带压缩量进行计算，分析其气密功能，如不满足要求，可更改安装调整要求、界面控制图中的密封组件精度要求或增加舱门与口框的刚度匹配度，必要时可以依据上述叠加状态导致的密封带压缩偏差位置重新设计密封带截面构型，上述措施可依据实际情况权衡采用。如满足最小压缩量要求且有较大压缩余量，则可以适当减小装配精度要求以降低制造成本。

5 结论

舱门的完全互换是由设计、制造等多专业联合设计完成的，单纯依靠控制精度的方法，可能会导致制造装配精度要求过高，成本大幅上涨。

通过舱门的安装调整设计、尺寸容差管理、舱门与门框的刚度匹配设计、舱门关键结构的补偿设计等方法的协同组合应用，可以实现半堵塞式增压舱门的完全互换，并将制造精度要求控制在合理范围内。

本文提供的完全互换舱门设计方法，显著提高了舱门的安装效率，有效降低了舱门的生产成本，并减少了更换舱门对航空公司运营成本的影响。本方法具有一定的通用性，可推广应用至运输类飞机半堵塞式舱门设计中。

参考文献