民用飞机气弹簧设计分析

唐行微

【摘 要】气弹簧是性能可靠和安装方便的定制结构件，相对于民机上使用的传统机械弹簧单元在重量上具备优势。本文介绍了气弹簧的组成结构和工作方式，通过民用飞机舱门设计中的工程实例简要描述了在民机舱门上气弹簧设计的方法，通过CATIA仿真来模拟气弹簧的安装及运行来优化气弹簧的各项基本参数，并且给出了民机气弹簧的可靠性计算标准。

【关键词】气弹簧；民机舱门；可靠性

0 前言

气弹簧是一种可以实现支撑、缓冲、制动、高度及角度调节等功能的零件，在工程机械中，主要应用于雷达罩、口盖、舱门等部位。气弹簧主要由活塞杆、活塞、密封导向套、填充物、压力缸和接头等部分组成，在密闭的缸体内充入和外界大气压有一定压差的惰性气体或者油气混合物，进而利用在活塞杆横截面上的压力差完成气弹簧自由运动。工作时，惰性气体、油液通过活塞上的阻尼孔时产生阻尼作用，控制气弹簧的运行速度，其运行速度相对缓慢、动态力变化不大。

在飞机结构舱门设计中经常使用弹簧作为机构功能实现的一部分单元，通常用于提供手柄回弹的回复力，机构运作的助力以及防止机构意外运动的过中心阻力。其中用于提供助力和阻力的弹簧通常为压缩弹簧，舱门设计中通常采用传统机械弹簧，这种设计存在两方面的劣势：一是传统机械弹簧其材料通常为321固溶钢或者15-5PH不锈钢，在重量上需要付出一定代价，二是目前航空领域弹簧制造主要通过辅助工具手工弯制，其实际力学性能通常与设计目标存在一定差异且不稳定。气弹簧由于其安装方便，工作平稳，使用安全，成为汽车和机械制造等领域的标准配件。相对于传统机械弹簧，定制气弹簧在确保满足设计需求和重量上具备明显的优势，舱门机构中使用的多处弹簧单元均可使用气弹簧来替代。

本文根据实际舱门的结构特点及气弹簧在舱门上的具体应用，对安装在舱门上的气弹簧的运动状态进行了分析和研究，给出了具体舱门气弹簧的设计步骤，同时对于民机舱门在使用条件及可靠性方面做了基本的分析。

1 工程实例

某型民用飞机设计舱门重量为8.39kg。舱门重心与铰链臂中心转轴的距离为：360.367mm。由于门体、铰链臂（门体进行开关运动的中心） 和气弹簧构成一个杠杆系统。在门打开过程中，通过门体本身重力和气弹簧阻力的双重作用，控制门下降速度门在完全打开位置时，伸展到极限程度。

根据周边结构的实际可安装空间情况确定使用两个气弹簧，并将气弹簧的完全压缩力初步设计为门体重量的3 倍左右，考虑摩擦力等影响，将气弹簧的完全压缩力初步确定为300N。

下图为飞机航截面投影面，两侧气弹簧的安装相对于门体对称面为对称结构。所示点A为气弹簧与铰链臂连接点的位置需要确定气弹簧在机身上的安装点，根据门体本身尺寸考虑选取气弹簧安装尺寸为260mm，将气弹簧安装角度设定为与水平位置成12°，则确定出与机身相连接的安装点B，如下图点B所示。

根据气弹簧及压缩气弹簧的设计标准，在气弹簧举力为300N时，将缸筒直径初步定为φ22mm，导杆直径为φ10mm。门完全打开与完全关闭时角度为82度，此时A点转至A点，则气弹簧长度伸展为AB=318.171，参考下图3。

根据上面的分析初步确定气弹簧总长度为320mm，即设计行程为60mm。根据此处铰链臂的结构形式，确定气弹簧的两端接头形式，与舱门铰链臂连接处，在耳片与气弹簧之间安装球轴承；同样在支座和气弹簧之间也安装球轴承，如下图4所示。

在完成初步设计之后，通过CATIA的运动仿真功能，将初步设计的气弹簧与门体周边结构进行运动模拟，保证在舱门打开过程中，气弹簧的运动不会受到卡滞，并选取运动过程中的若干个时间点进行投影运算分析力值情况，根据计算的结果对气弹簧的结构形式进行了进一步的优化，最终确认下来总长为235mm，运动行程长度为75mm。

2 气弹簧可靠性分析

民用飞机的可靠性分析要求在飞机研制阶段对各个系统可靠性进行定量的估计，根据历史产品可靠性数据、系统的构成和结构特点、系统的工作环境等因素估计系统的可靠性。其主要用途为可以将预计结果与要求的可靠性指标相比较，从而评价设计要求提出的可靠性指标能否够达到，并进一步在设计中，发现影响系统可靠性的主要因素，采取改进措施，此外也为安全性评估提供定量计算的依据。在本文中工程实例要求的气弹簧的失效概率必须低于1E-5，对于民机而言考虑的是其签派可靠性PCF。

PCF=QTYCZ×λCAD×TAF×DIFF

其中QTYCZ为组件数量，λCAD为组件Z导致签派中断的失效率，即组件所有可能的失效中，能导致签派中断的失效率，该值通过计算获得。TAF为飞行和滑跑阶段的平均时间。DIFF是飞行和滑跑阶段的签派中断因子，改质是通过统计和计算获得的。

λCAD=λC×FDD

其中λC表示单个组件的失效率，而FDD表示失效探测因子，这两个参数要求将气弹簧组件按照其组成形式分解成各个小零件，包括活塞杆、缸体，接头等部分，根据各个零件的不同分类确定其失效探测因子，并根绝各零件固有的失效数据，按上述公式计算，即可得到用于分析气弹簧组件可靠性的定量评估数据。

3 总结

本文介绍了气弹簧基本组成和工作原理，结合某型飞机舱门的工程实力通过研究气弹簧的运动范围和安装位置，通过计算和仿真的方式进行气弹簧的设计和选型。同时对于气弹簧在民机上使用中需要考虑的可靠性分析给出了计算的方式和定量的要求。对于气弹簧在民机上的设计和使用提供了参考。

【参考文献】

[1]方益奇.气弹簧的刚度计算与安装位置研究[J].机床与液压，2010（4）：70-71.

[2]李亮辉.浅析工程机械用气弹簧的设计选型[J].工程机械，2013（6）：37-38.

[3]温号，王小东.方舱舱门的气弹簧选型安装设计[J].专用汽车，2010（10）：50-52.

[责任编辑：汤静]