飞机机体用金属对金属关节轴承

韩苏征，胡忠会

(中航工业第一飞机研究院，西安 710089)

1 飞机机体用金属对金属关节轴承

飞机机体用关节轴承要求承载能力高，具有一定的调心能力，其运动方式多为摆动或偏摆，速率低，需要定期润滑，主要应用于飞机舱门、起落架、方向舵、升降舵、襟翼、缝翼、扰流板、安定面、发动机吊挂、操纵系统等部位，如图1所示[1]。

对飞机研制过程中金属对金属关节轴承的设计选用进行总结，提出了常用金属对金属关节轴承的结构形式，并叙述了该类关节轴承的结构、摩擦副、载荷、润滑及更换处理方法等。

2 轴承结构形式

飞机机体用金属对金属关节轴承结构形式一般符合美国机车协会的宇航标准(以下简称宇航标准)，但随着不同应用需求的发展，非标轴承也越来越多，且部分已企业标准化。宇航标准中金属对金属关节轴承结构一般为外圈倒角或外圈带安装槽类型，通常通过收口的方式固定于轴承座孔，如图2所示[2]。轴承收口固定后，提供的轴向推出力有限；收口过程中，因轴承座圈或轴承外圈塑性变形，对轴承径向游隙、密合度和启动力矩等将产生影响，操作不当甚至会出现抱死。

图1 金属对金属关节轴承在飞机机体的应用

为提高轴承安装后的推出力，降低或避免收口对轴承的不利影响，对轴承结构进行了各种设计改进，如图3～图6所示[1-4],不需要收口，安装维护方便。

图3 一端带楔角一端带安装槽关节轴承

图4 一端带楔角一端带锁紧螺母关节轴承

图5 一端带凸缘一端带锁紧垫片和螺母关节轴承

图6 一端带安装凸缘关节轴承

3 轴承常用摩擦副

摩擦副是金属对金属关节轴承结构的重要组成部分，不同摩擦副应用于不同的飞机设计工况。关节轴承摩擦副的选择范围非常广，常用的摩擦副包括轴承钢-轴承钢、不锈钢-不锈钢和不锈钢-铜合金，随着成形工艺和滑动表面改性技术的提高，考虑飞机对减重和耐腐蚀方面的更高要求，钛合金-钛合金等合金材料摩擦副在飞机机体上的应用也有了一定的技术基础。

3.1 轴承钢-轴承钢

摩擦副材料为52100(GCr15)，结构形式主要为带装球缺口金属对金属关节轴承，一般用于无冲击、无振动、小振动和无腐蚀的静态工况。由于润滑油槽、润滑油孔和装球缺口等部位应力相对集中，在腐蚀介质存在时，容易产生应力腐蚀，飞机设计一般不推荐使用。

3.2 不锈钢-不锈钢

内圈材料一般为440C(95Cr18或102Cr17Mo)或13-8Mo，外圈材料一般为17-4PH或15-5PH，主要为无装球缺口金属对金属关节轴承，一般用于无冲击、无振动和小振动的静态、偶发动态或轻载动态工况，耐腐蚀能力较轴承钢-轴承钢摩擦副好，是目前飞机机体较普遍采用的一种摩擦副，通过飞机研制应用，已完全标准化，主要用于飞机翼身连接、襟翼、缝翼、副翼承载较大的零部件。

3.3 不锈钢-铜合金

内圈材料一般为ToughMet，BeCu1.9或C17200，外圈材料一般为17-4PH或15-5PH，主要为无装球缺口金属对金属关节轴承，一般用于冲击、小振动和振动的静态、动态工况，是目前飞机机体较普遍采用的一种摩擦副，也已标准化，主要用于飞机方向舵、升降舵、起落架等振动或冲击严重的零部件。

3.4 钛合金-钛合金

内、外圈材料一般为Ti-6Al-4V钛合金，结构形式主要为无装球缺口金属对金属关节轴承，一般用于冲击、小振动和振动的静态、动态工况，钛合金-钛合金摩擦副成形较难控制、耐磨损能力差，需要专用的成形工装保证最终的加工尺寸，同时进行滑动表面改性提高抗摩擦磨损的能力。由于钛合金具有较高的比强度，用于飞机起落架，减重效果明显；而且钛合金具有良好的耐蚀性，适用于海洋性的工作环境，特别适用于舰载飞机的使用。但由于钛合金原材料价格高、成形及表面改性难度大等原因，导致钛合金金属对金属关节轴承的生产成本高，所以除非特殊需要，一般不推荐使用。

3.5 其他

其他摩擦副如钴合金-不锈钢摩擦副、高温合金-高温合金摩擦副等，均为非标产品，针对特殊的需求研制，不具备推广应用的前景。

4 轴承设计载荷选用

设计载荷是飞机机体用金属对金属关节轴承设计和选用的源头，承载能力是关节轴承的关键设计参数，包括静载荷和动载荷，对于静态或偶发动态工况，设计选用时，设计载荷应小于金属对金属关节轴承的静载荷；对于动态工况，设计选用时，设计载荷应小于金属对金属关节轴承的动载荷。

金属对金属关节轴承的动载荷包括恒定动载荷和冲击载荷，冲击载荷如图7所示[5]。对于方向舵、升降舵、襟翼和缝翼，设计载荷一般为恒定动载荷；对于起落架，设计载荷一般为冲击载荷。

图7 金属对金属关节轴承冲击载荷

5 轴承润滑

5.1 润滑结构

金属对金属关节轴承的润滑非常重要，充分的润滑能够减小关节轴承的启动力矩，大幅降低磨损速率，避免轴承抱死，大幅提高轴承的使用寿命。因此，润滑结构的设计非常关键，一方面要保证润滑油路的畅通，另一方面要保证润滑结构具备足够的储油空间，延长润滑间隔，降低维护成本。

金属对金属关节轴承一般的润滑结构设计如图8所示，内外圈各3个润滑油孔及内外表面各1条润滑油槽。

图8 宇航标准中金属对金属关节轴承一般润滑结构

对用于静态、偶发动态的工况，也可以仅对外圈进行润滑结构设计，如图9所示，在使用过程中，一般不需要重复润滑或重复润滑的时间间隔较长。

图9 仅外圈设计润滑结构的关节轴承

为保证金属对金属关节轴承功用的可靠性，提高使用寿命，降低维护成本，动态工况应用时在滑动面增加了轴向润滑油槽，润滑油孔的数量也相应的增加(图10)。

图10 波音公司金属对金属关节轴承润滑结构

例如金属对金属关节轴承BACB10GB标准结构如图11所示，内外圈润滑油孔和轴向润滑油槽数量及尺寸见表1[6-7]。

图11 BACB10GB金属对金属关节轴承结构

表1 润滑油孔和轴向润滑油槽

另外，金属对金属关节轴承常用的其他润滑结构还包括螺旋式和压花式润滑油槽等(图12)。

图12 关节轴承螺旋式、压花式润滑结构

5.2 润滑方式

金属对金属关节轴承的润滑，一般有干膜润滑、脂润滑和干膜润滑+脂润滑3种方式。

5.2.1 干膜润滑

用于静态、偶发动态的工况时，一般不设计润滑油槽和油孔，仅在滑动表面采用干膜润滑(采用MoS2),提供一定的润滑条件。

5.2.2 脂润滑

用于动态工况时，一般设计润滑结构，在使用过程中按要求压力注脂进行重复润滑，保证轴承处于良好的润滑状态。

5.2.3 干膜润滑+脂润滑

对于采用脂润滑的金属对金属关节轴承，在使用初期，轴承有一定的跑合期，在跑合期，轴承的重复润滑间隔较短，采用干膜润滑+脂润滑，干膜润滑可以提供初始润滑，延长轴承跑合期的重复润滑间隔。

6 轴承更换处理

飞机追求结构设计重量最小化，同时由于空间限制，结构设计需尽量满足尺寸最小化。因此，金属对金属关节轴承的选用要综合考虑重量、空间和轴承寿命的协调，不能片面地强调轴承与飞机同寿，而不顾及重量和空间的限制。

轴承一般为有寿件，使用中，因摩擦磨损，游隙将不断增大，游隙过大将引起飞机零部件的振动，造成机体结构的损伤,因此，轴承在使用到寿后需要及时更换。金属对金属关节轴承到寿更换时，轴承座孔被破坏，铰孔后孔径增大，需要使用加大件，保证金属对金属关节轴承与轴承座孔的配合公差保持不变。另外，在飞机零部件加工生产过程中，经常出现轴承座孔超差的情况，由于飞机零部件成本较高，在允许的范围内，一般不报废零件，需要使用加大件轴承进行超差处理。

宇航标准中金属对金属关节轴承一般使用2级加大，外径每级加大0.254 mm(0.01 in)，但很难满足飞机的全寿命周期应用要求。因此，波音公司的金属对金属关节轴承，用于静态或偶发动态工况时，采用6级加大，外径每级加大0.254 mm；用于动态工况时，采用12级加大，1～6级加大，外径每级加大0.254 mm；9级加大，外径加大9×0.254 mm；12级加大，外径加大12×0.254 mm。

由于关节轴承加大件的存在，要求在机体结构设计时，轴承座孔应按照加大件的尺寸进行强度设计，并预留加工余量。同时，金属对金属关节轴承设计时，需要结合飞机和金属对金属关节轴承的使用寿命，综合考虑零部件加工超差等因素，合理确定加大级。

7 结束语

金属对金属关节轴承结构紧凑，承载能力大，在飞机设计中应用非常广泛。在使用过程中，轴承需要定期的润滑维护，对于润滑不通畅而无冲击、无振动或轻载振动的部件，建议选用干膜润滑方式；金属对金属关节轴承启动力矩大，因此，在结构尺寸允许的情况下，对于恒载动态应用中，建议选用调心滚子轴承；非标轴承的价格一般为标准轴承的3～20倍，而且供货周期相对较长，因此飞机设计应减少或避免非标轴承的设计应用。