某型国产滚珠式软轴装机问题分析

■ 章楠 邢东旭 刘少平/中国飞行试验研究院

1 滚珠式软轴

1.1 滚珠式软轴的基本结构

图1 所示为操纵软轴的功能框图，图2 为操纵软轴的结构图。软轴中的运动部件和力的传递机构是中间的芯轴，软轴整体为中间对称结构，芯轴为双滑道结构，其断面呈“8”字形，由两排滚珠和保持架引导运动。两排滚珠的外侧是固定杆，两固定杆中心相对外围的金属管中心轴重叠，固定杆锁定在锁紧套上，保证钢索的整体安全。在芯轴和固定杆之间设有保持架，保持架上等间隔地安装了滚珠。推拉芯轴时，滚珠的滚动将固定杆和芯轴间的滑动摩擦转换为滚动摩擦，大大减小了芯轴的运动阻力。芯轴、滚珠、保持架、固定杆一同安装在金属管内，限制芯轴在受力时偏离原来的位置。

1.2 软轴的特点

软轴具有结构简单、安装使用简单方便的特点。相对刚性轴来说，软轴能够弯曲，具有较强的适应性和通用性；允许作用力的输出方向与作用端不在一条直线上，甚至不在一个平面上，保证了作用力的可靠传递。其缺点是软轴的弯曲、扭转有限，超过限度就会造成传递系数急剧下降，而且对加工精度、材料的要求较高。

非电传飞机上，一般采用连杆、推拉钢索或滚珠式软轴来操纵发动机的主泵调节器，控制发动机的各个工作 状态。

2 问题的提出

图1 软轴功能框图

图2 软轴结构图

某型飞机油门操纵系统采用的就是滚珠式操纵软轴。该型飞机试装国产软轴，经过几个架次飞行之后，油门操纵杆杆力明显增大，发动机无法正常停车；油门在各个状态下主泵调节器刻度盘对应的刻度值超出发动机技术文件规定的范围，严重影响了飞行员的正常操纵以及对发动机状态的控制。将该软轴拆下，拉直、弯曲释放应力，两次无载荷推拉芯轴，测量作用力均满足软轴设计要求，重新装机后油门操纵杆杆力无明显减小。

3 问题的分析

检查油门操纵台到发动机主泵调节器的软轴通道，发现有一处曲率较小，处于国产软轴适应范围的边缘；分解断离油门操纵系统各传动部件、连杆，分别检查油门操纵台、发动机主泵调节器、发动机喷口调节器，操纵力均符合设计要求，确定软轴传动部分造成操纵力异常增加，发动机油门操纵精度不满足发动机使用要求。

3.1 软轴推拉阻力增加因素分析

如图3 所示，假设在软轴的两端A和B 之间有两段转角α1和α2。A 端的拉力F 克服AB 之间的阻力和B 端的作用力F0，使芯轴向A 端移动，则

其中，f 为软轴套管与芯轴之间的摩擦系数；a 为软轴各段弯曲角度之和；F 为拉力；F0为原始力。

从式（1）可以看出，作用在A 端的作用力为B 端作用力的ef·a倍时才能拖动芯轴，F 与摩擦系数及转角之和成指数关系，所以作用力F 对摩擦系数及转角之和均比较敏感，两者的轻微增加均会引起操纵力的显著增加。

在检查过程中发现软轴从油门操纵台到发动机操纵杆的安装通道有一处曲率较小，同时软轴安装通道不在一个平面上。

由于该型飞机采用的滚珠式软轴的芯轴是一条截面为矩形且仅在一个平面内偏转的软质薄钢板，为了能连接油门手柄和油门操纵杆，软轴芯轴势必发生如图4 所示的变化，即软轴芯轴在通道中发生扭转，产生扭转力矩，额外增加了芯轴与护套之间的正压力，将之记为Fc，软轴滚动摩擦系数记为λ0，则

图3 软轴受力分析简图

综上分析，软轴弯曲以及软轴扭转，两方面因素均会造成软轴的推拉阻力增加。

3.2 软轴形变因素分析

假设经过多次推拉，软轴发生形变后是可以恢复的。令λ 为软轴的形变系数，为了说明发动机油门操纵精度不满足要求的问题，建立模型，图5 所示为某段软轴的物理化模型。

为了说明弯曲角度以及输入作用力大小对软轴外套长度的改变程度，图5中b、d 两点是软轴上任意接近的两点，c 是加载荷前d 的位置，忽略b、d 两点间芯轴传递力大小的差异，即

图4 软轴扭转示意图

由式（7）可以看出，F1不变时，软轴的形变量a1随软轴弯曲角度a2的增大而增大；a2不变时，a1随F1的增大而增大，F1、a2两个变量对软轴的形变量a1均有影响。

4 总结

由上述分析可知，软轴产生的阻力与软轴的弯曲角度之和、扭转角、摩擦系数有关；软轴发生的形变量与软轴的弯曲角和轴芯输出的作用力有关。软轴过度弯曲既增加了软轴的摩擦阻力，同时也增加了软轴的形变。

图5 软轴局部受力图

综合分析认为国产软轴装机问题是由两方面原因导致的，一方面，飞机上发动机操纵软轴安装通道的设计中有一处超过国产软轴的适应范围，使软轴发生了较大的弯曲和扭转；另一方面，国产软轴轴芯部滑杆摩擦系数较进口软轴的大，且国产软轴适应弯曲的能力不及进口软轴，加剧了上述因素对软轴性能的影响，进而造成软轴装机后出现操纵力大和操纵精度无法满足发动机操纵要求的情况。

后续在优化机上软轴安装通道曲率较小处后，操纵杆力满足了要求，发动机油门操纵灵活，发动机操纵精度满足了设计要求。