枢轴式后缘襟翼驱动连杆结构设计要点分析

中国商飞北京民用飞机技术研究中心 周 彬

目前，民航飞机的巡航速度越来越快，同时又要求飞机的起飞、着陆速度控制在合理的范围内；这就需要飞机安装高升力的增升装置。通常飞机的增升装置包括前缘缝翼和后缘襟翼，其收放机构的设计是一项独特而复杂的工作[1]。

随着科技的发展，比如三维仿真技术的提高，后缘襟翼的收放机构向简单、高效的方向发展。空客、波音最新型的民用客机都采用了枢轴式后缘襟翼，此类襟翼其整流罩比传统飞机的要小得多，结构重量相对较小。由于这个特性，降低了油耗和成本，同时获得了高效的升阻比性能。另一方面，结构上取消了滑轨，减少了结构零部件，维修随之减少也易于维护。

空客飞机多采用单缝式富勒襟翼，每片襟翼与机翼后梁多点连接。以空客A350为例，单边机翼上设计有两片襟翼，内襟翼和外襟翼；每片襟翼由两个驱动连杆驱动。第1支点和第2支点安装连杆驱动内襟翼，第3支点和第4支点安装连杆驱动外襟翼，如图1所示。内襟翼的运动轨迹相对于外襟翼来说简单，襟翼载荷也比较小。故选取外襟翼第3支点进行驱动连杆结构设计分析。

图1 后缘襟翼驱动机构布置Fig.1 Drive mechanism layout of flap

1 驱动连杆功能简述

枢轴式后缘襟翼不同于传统滑轨式襟翼，采用连杆机构驱动襟翼做近似圆周运动。连杆机构分两段，上端H型连杆连接到固定在机翼后梁的悬臂肋上，与齿轮箱连接传递驱动载荷；下端A型连杆连接到襟翼接头上，驱动襟翼。同时，悬臂肋上有一旋转中心，在旋转中心通过一接头将悬臂肋和襟翼连接起来控制运动轨迹；襟翼可在齿轮箱的驱动下绕旋转中心转动，如图2所示。

图2 后缘襟翼驱动连杆装配图Fig.2 Assembly diagram of drive link of flap

2 驱动组件细节设计要点分析

驱动连杆结构设计基于三维运动机构设计和设计分离面。当运动构件和运动轨迹确定后(图3)；以此为基准设计结构件，之后经强度校核和三维干涉检查。强度按破损安全多传力途径结构件校核，三维干涉检查要求驱动连杆在运动方向与其他结构件至少有25mm间隙。

图3 运动机构设计和设计分离面(红色点、线、面)Fig.3 Kinematic and interface plane (red point, line, plane)

2.1 破损-安全设计及主传力分析

当一个结构件破坏后，要求[2]：

ηfa≥ ηe=ηd/f (f=1.5) ，

Nex,fa/4 ≥ H ，

式中，ηfa为含损伤结构的剩余强度系数；ηe为使用强度系数；ηd为设计强度系数；f为强度安全系数；Nex,fa为疲劳试验寿命；H为检查周期。

襟翼驱动连杆为破损-安全多传力结构，即主承力构件破损后，仍可通过其他破损-安全构件传递载荷。驱动连杆和连接轴都为破损-安全结构件。

图4 驱动连杆部件Fig.4 Drive link

驱动连杆分为2段，H型连杆和A型连杆。每段连杆都有3个零件组合而成，一个主承力零件，材料为高强铝合金；2个破损-安全零件，材料为钛合金。3个零件由一系列高锁螺栓连接起来，如图4所示。连接轴共有4根，2根主轴，2根破损-安全零件，材料都为钛合金。上连接轴连接H型连杆和悬臂肋，下连接轴连接H型连杆和A型连杆，如图4所示。

驱动载荷通过齿轮由齿轮箱传递到内侧的H型连杆破损-安全零件，再传递到整个H型连杆；然后通过下连接轴传递到A型连杆；最后通过襟翼接头传递到襟翼上，驱动襟翼运动。

2.2 防转(防松)设计

在连杆结构细节设计中，只要有相对转动趋势的结构件之间，必须要有防转的设计以避免零件之间产生转动摩擦或松动。如轴承外圈与孔之间、轴承内圈与轴之间、主轴与安全-破损轴之间和螺母等。转动运动只发生在轴承内、外圈之间。

防转的常见类型有防转垫片、防转板、防转衬套和防转垫圈、防转螺母等，如图5和图6所示。

2.3 选择轴承设计

轴承是一个支撑轴的零件，它可以引导轴的旋转，也可以承受轴上空转的零件。载荷是选用轴承的最主要因素。滚子轴承用于承受较重的载荷，球轴承用于承受较轻的或中等载荷。

图6 下连接轴剖面图Fig.6 Section of lower connection

设计中根据载荷的不同，选择不同类型的轴承以满足要求。襟翼驱动连杆共有5处安装了轴承，支撑上连接轴2处，支撑下连接轴2处，连接襟翼接头1处。

1号和2号轴承支撑上连接轴，将整个驱动连杆固定在悬臂肋上并具有轴向定位作用。驱动连杆由齿轮箱得到驱动力并传递到襟翼接头上，而齿轮箱布置在机翼内侧；故在第3支点上，内侧的1号轴承径向载荷较大并承受一定的轴向载荷。外侧的2号轴承承载形式与1号轴承相同，载荷较小。1、2号轴承选用调心滚子轴承，如图5所示。

3号和4号轴承支撑下连接轴，将H型连杆和A型连杆连接在一起。与上连接轴1号轴承类似，内侧的3号轴承径向载荷较大并承受一定的轴向载荷，故选用调心滚子轴承。4号轴承径向载荷较小，也不承受轴向载荷，故选用球面滑动轴承，如图6所示。

5号轴承将驱动连杆和襟翼接头连接在一起，其承受径向、轴向载荷的同时存在的联合载荷，可在一定角度范围内作运动。故5号轴承选用球面滑动轴承，如图7所示。

图7 驱动连杆与襟翼接头连接处Fig.7 Connection between drive link and flap fitting

2.4 润滑设计

对轴承来说，润滑是左右其性能的重要因素。润滑剂或润滑方式合适与否将大大影响轴承的寿命。润滑方式主要分为脂润滑和油润滑。驱动连杆所用轴承都采用了油润滑。

润滑剂的更换或补充需要考虑结构通路问题。如上连接轴内侧轴承安装后，外圈结构空间开敞，便于补充润滑剂，不需要额外考虑；而上连接轴外侧轴承安装后，轴承周围都已被其他结构件包围，没有结构通路去补充润滑剂。故在上连接破损-安全轴外侧钻了一个空腔，并用螺帽、堵头封闭。空腔内储存润滑油，维护时通过打开堵头来补充润滑油。空腔内在轴承处开有4个φ2.5mm的孔，贯穿主轴和破损-安全轴。这样润滑油就能从空腔流到轴承内，如图8所示。

2.5 限位机构设计

图8 轴承润滑通路Fig.8 Access of Bearing lubricate

实际上襟翼驱动连杆是一个摇臂机构，整个驱动连杆通过轴承固定在悬臂肋上，从齿轮箱传递驱动载荷到襟翼。襟翼的运动轨迹及起始、终止位置都是确定的。为保证驱动连杆在齿轮箱的驱动下正常工作，就必须设计限位机构来控制驱动连杆的起始和终止的位置[3]。

限位机构设计时要充分考虑到机构的可靠性和重量。概念设计时，定位销或限位块设计在H型连杆和A型连杆上，通过控制两者之间的相对位置来限位。这种设计加大了结构重量，同时，空间紧张也加大了结构设计难度。后期在产品设计时，改进了设计思路。限位块设计在H型连杆破损-安全零件和加强结合盘上，受力直接，功能可靠，如图9所示。

图9 驱动连杆限位机构Fig.9 Limit location mechanism of drive link

2.6 衬套设计

飞机结构设计中，衬套一般用在不同材质的结构件之间，避免轴与孔直接接触挤压、摩擦等。有些时候，也用作轴向定位件使用。

襟翼驱动连杆中所用衬套根据功能主要分为两种：

图10 2类典型衬套(干涉衬套、轴向定位衬套)Fig.10 Two kinds of typical bush (frozen bush, locate bush )

一种干涉衬套以大干涉量装配在孔内，以提高孔的挤压强度、疲劳性能等；一种作为轴向定位件以间隙配合装配在轴上，如图10所示。

3 结论

在一定的结构空间内，根据运动机构设计和设计分离面来进行襟翼驱动连杆的结构设计。整个驱动机构按破损-安全多传力结构来设计与校核。

为确保驱动连杆功能的有效实施，结构设计时除考虑强度因素外，还必须注意结构件的防转、防松，轴承的选择与润滑，限位机构的设计，衬套的选择与应用，以及维护方便等因素。

[1] 牛春匀. 实用飞机结构工程设计. 北京：航空工业出版社，2008.

[2] 王远达，梁永胜，王宏伟. 飞机结构的耐久性与损伤容限设计 . 飞机设计，2009，29(1)： 37-43.

[3] 严少波，黄建国. 飞机后缘襟翼运动同步性设计和计算. 民用飞机设计与研究，2011(1)： 20-24，32.