弹簧套式自动调隙回力机构结构设计

摘   要： 弹性夹头式调隙机构结构复杂，维修困难，无法更好适应现代航空飞机对刹车性能和使用方便的高要求。提出一种弹簧套式自动调隙回力机构，进行了结构调整，并重点对弹簧套和回力弹簧的规格、数量、设计参数等进行计算和选取。经过对回力弹簧的稳定性和强度进行验算，表明结构设计较合理，不仅能满足现代航空飞机的应用需求，还能对刹车性能得到改进。最后，总结了弹簧套式自动调隙回力机构结构设计需满足的3点理论设计要求：1）安装尺寸满足设计的改进需求;2）弹簧套及回力弹簧设计满足行业标准要求;3）回力弹簧的稳定性和强度通过验证。在实际工况下，还需结合耐久性测试及外场试验进行综合评估。

关键词： 自动调隙回力机构;弹簧套;回力弹簧;刹车性能;结构设计

中图分类号：V227+.5    文献标识码：A    文章编号：2095-8412 （2020） 01-028-05

工业技术创新 URL： http： //www.china-iti.com    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.01.006

引言

刹车装置是飞机着陆系统的重要组成部分，直接关系到飞机的设计水平、安全性能和使用体验[1]。随着现代航空技术的迅速发展，飞机的起飞、着陆速度不断增加，对刹车装置的功能和技术要求越来越高[2]。因此，现代航空飞机要求刹车装置具有刹车效率高、工作安全可靠、使用寿命长、结构合理、重量轻和体积小等特点[3]。

老式飞机的刹车装置大多采用国外调隙机构。弹性夹头自动调隙机构曾经应用最为广泛，至今仍在某些型飞机上使用，但这种机构结构复杂，外场维修时间过长[4]。弹簧套式自动调隙机构是弹性夹头自动调隙机构的一种替代方案。

在刹车装置中，经过多次刹车后，刹车盘会发生磨损，使活塞与压紧盘之间的间隙逐渐变大。飞行员每次刹车，都会加大活塞工作行程，使刹车灵敏度下降，进而使刹车性能下降，给飞行员操纵带来了麻烦。为了解决这个问题，现代航空飞机都采用了自动调隙回力机构，其主要目的是使活塞与压紧盘之间的间隙在每次刹车后可自动调整至设计范围内。

自动调隙回力机构由自动调隙机构和回力机构组成。本文首先对自动调隙机构进行比选，对回力机构的工作原理进行分析，得出弹簧套式自动调隙回力机构这一优选方案，其次对弹簧套式自动调隙回力机构进行结构设计，最后对设计结果进行验算和讨论。

1  自动调隙回力机构比选

1.1  自动调隙机构比选

自动调隙机构主要有弹性夹头自动调隙机构和弹簧套式自动调隙机构。

弹性夹头自动调隙机构主要由棘杆和弹性夹头实现自动调隙。当刹车盘的磨损量等于棘杆齿矩时，棘杆相对弹性夹头移动一个齿，以达到自动调隙的目的。但棘杆加工困难、要求的精度高，且调隙距离是棘杆齿矩的整数倍，属于有限调隙，因此在现代航空飞机中逐渐淡出。弹性夹头自动调隙机构结构示意图如图1所示。

弹簧套式自动调隙机构组合在活塞内。当刹车盘磨损后的刹车间隙大于螺盖与套筒间距离时，套筒与弹簧套一起克服摩擦力，自动移动一定的距离，保证刹车盘磨损后也可正常刹车。与弹性夹头自动调隙机构相比，弹簧套式自动调隙机构不再受到棘杆齿矩的限制，属于无级调隙，且拉杆有效部位为光杆，加工也容易，在现代航空飞机上应用越来越广泛。目前国内多数飞机都在使用这种自动调隙机构。彈簧套式自动调隙机构结构示意图如图2所示。

1.2  回力机构工作原理分析

回力机构主要靠回力弹簧实现，当刹车装置解除刹车后，活塞恢复原位，从而使刹车装置处于松刹车状态。

刹车装置位于机轮轮毂内，当机轮上的刹车压力彻底解除时，要求动盘和静盘可靠脱开，不产生任何残余刹车力矩，因此刹车装置汽缸座内有活塞回力弹簧。回力弹簧可以在没有刹车压力的情况下使静盘和动盘脱离，并保持一定的间隙，所以在施加刹车压力时，汽缸座内的活塞必须先克服这个回力弹簧的预紧力，只有走完这段空行程，才能使动盘和静盘接触。

1.3  自动调隙回力机构综合比选

弹簧套、回力弹簧的设计，是弹簧套式自动调隙回力机构设计的关键。当弹簧套与拉杆之间的摩擦力太小时，回力弹簧没有被压缩，弹簧套就会被液压压力推出，使松刹车时无法解除刹车，影响机轮刹车性能。当弹簧套与拉杆之间的摩擦力太大时，推动弹簧套的压力损失过大，使刹车时间增加，进而使刹车距离增加，同样影响机轮刹车性能。因此，弹簧套尤其是弹簧套式自动调隙回力机构中的关键元件。弹簧套大部分采用梯形钢丝结构形式，由梯形钢丝绕制而成，并进行并圈处理，材料一般采用50CrVA。

现代航空飞机上使用的液压油为15号航空液压油（简称YH-15）。因刹车介质一致，近年来，弹簧套的设计逐渐被系列化、通用化，即某一类型的弹簧套可以在不同型飞机上通用。弹簧套的规格及数量确定后，剩余的工作就是回力弹簧设计。在盘式刹车装置中，回力弹簧结构简单，通常作为回力机构的主要工作零件。按照《机械设计手册 第3卷》[5]及HB 3-51～3-53-2008《碳素、合金钢丝制圆柱螺旋压缩弹簧》[6]中规定的设计方法进行设计，弹簧材料将具有较高的屈服强度、抗拉强度、疲劳强度和冲击载荷强度，以及较大的塑性变形性能。

弹性夹头自动调隙回力机构占用空间较大，回力机构经常需要单独安装在汽缸座上。弹簧套式自动调隙回力机构可将自动调隙机构和回力机构组合在活塞组件中，占用空间小，且在外场维护中维护时间短。如今在现代航空飞机以及其他教练机中，这种自动调隙回力机构应用最为广泛。因此，优选弹簧套式自动调隙回力结构进行设计。

2  结构设计

2.1  结构组成和工作原理

弹簧套式自动调隙回力机构主要由拉杆、弹簧套、螺盖、套筒、弹簧、衬套等主要零件组成。

弹簧套式自动调隙回力机构的工作原理是：多次刹车后，如果刹车装置的刹车盘磨损为“Δ”，那么活塞的工作行程就要增加“Δ”，但螺盖只移动了“W”就会碰到套筒端面C，不能再移动了。活塞若要在刹车压力的作用下继续移动，那么套筒就要克服拉杆和弹簧套之间的摩擦力，向前移动“Δ”，保证磨损后也可正常刹车。有磨损时的刹车状态如图3所示。

当松刹车时，在弹簧力的作用下，螺盖返回行程“W”，活塞也返回行程“W”，但活塞、套筒、螺盖、弹簧套及弹簧整体比刹车前向前多移动了“Δ”，这可使每次刹车时，活塞的移动量都为“W”，达到了控制活塞行程和提高刹车灵敏度的目的。

2.2  设计准备和参数输入

弹簧套式自动调隙回力机构组合在活塞内，因此在设计前，需根据飞机刹车所需求的刹车力矩和静力矩确定活塞直径及数量，从而确定机构的整体外廓尺寸。

在弹簧套式自动调隙回力机构设计中，弹簧套和回力弹簧是设计关键，而弹簧套的结构及基本尺寸已在相关标准[7-8]中给出。

根据活塞的直径和弹簧套的尺寸，拉杆、螺盖、套筒、衬套等零件的基本尺寸均可以确定下来。

某型飞机刹车系统正常刹车压力为8 MPa，回油压力为0.8 MPa，活塞直径为32 mm，活塞数量为5个，回力弹簧外径小于26 mm，回力弹簧内径大于14 mm，安装高度为29 mm，弹簧行程为3 mm，工作寿命不低于105 000次循环。

回力弹簧选用压缩弹簧，两端回转，端部并紧磨平，支撑圈为圈，其材料选择60Si2MnA。

弹簧套选择梯形钢丝弹簧套结构形式。

要求每个活塞组件内包含1组弹簧套式自动调隙回力机构。

2.3  设计计算

弹簧套最大拉出力为

（1）

其中，为刹车压力，8 MPa，为活塞的总面积，804.375 mm2。

根据标准所列出的弹簧套与拉杆摩擦力，选取长度为7 mm、9 mm的弹簧套各1个，将拉力值设置为2 450 N，以满足设计需求。

确定回力弹簧压缩到工作高度时的最大力，有

（2）

其中，为弹簧套最小拉出力。考虑到弹簧套工作时的力值波动，将弹簧套最大拉出力的90%作为弹簧套的最小拉出力，从而可得出回力弹簧压缩到工作高度时的最大力，取1 150 N。

回力弹簧在压缩到安装高度时的载荷力值须大于基准值。的取值为

（3）

其中，为活塞摩擦系数，一般取1.1;为回油压力，0.8 MPa。计算可取。

确定了回力弹簧压缩在到安装高度时的载荷力值与压缩到工作高度时的最大力，即可进行弹簧设计。

根据弹簧内、外径尺寸要求，初步确定回力弹簧外径为24.5 mm，回力弹簧内径为15.5 mm，根据文献[5]则可计算出相关需求数据如下：

弹簧丝径;

弹簧中径;

弹簧自由高度;

曲度系数;

安装高度弹簧理论载荷;

工作高度弹簧最大理论载荷。

2.4  回力弹簧稳定性计算和强度验算

2.4.1  稳定性计算

对于高径比较大的回力弹簧，当轴向载荷达到一定值时，就会产生侧向弯曲，从而失去稳定性。为了保证使用稳定，高径比必须满足相关标准的要求，即

（4）

计算可知b=1.7，对于两端回转的弹簧，取高径比，使弹簧稳定性满足要求。

2.4.2  强度验算

对于受循环载荷的重要弹簧，应进行疲劳强度验算;对于受循环载荷变化幅度小的弹簧，应进行静强度验算[9-10]。

（1）疲劳强度验算

疲劳安全系数S应满足

（5）

其中，—弹簧在脉动循环载荷下的剪切疲劳强度;

—最小工作载荷所产生的最大切应力;

—最大工作载荷所产生的最大切应力;

—许用安全系数，取1.3～1.7。

其中，

（6）

（7）

（8）

其中，为60Si2MnA弹簧钢丝抗拉强度，1 520 MPa。计算可知疲劳安全系数为1.34，疲劳安全系数计算结果大于许用安全系数，满足设计要求。

（2）静强度验算

静强度安全系数应满足

（9）

其中，—60Si2MnA弹簧钢丝屈服极限，1 200 MPa;

—许用安全系数，同疲劳强度验算中的许用安全系数，1.3～1.7。

计算得知静强度安全系数为1.38，静强度安全系数计算结果大于许用安全系数，满足设计要求。

通过对弹簧稳定性和强度的验证计算，弹簧各设计参数设计合理，可以满足产品使用需求。

3  讨论和结论

本文在整体结构的约束下，着重设计了弹簧套和回力弹簧两大关键元件。回力弹簧的最大工作力值不可大于弹簧套与拉杆之间的摩擦力，否则回力弹簧压缩很少而弹簧套伸出很多，导致松刹车时活塞不回位，无法解除刹车，影响机轮刹车性能;相反，如果摩擦力太大，需输出更大的刹车压力去实现刹车，刹车过程中刹车压力损耗很大，对汽缸座的强度考验也很严酷，不仅影响刹车性能，也影响飞行员操纵的舒适度。

在正常刹车过程中，弹簧压缩到安装高度时的载荷力，可以克服刹车系統的回油压力，使活塞可以回位。因此，在机构设计过程中，除了安装尺寸符合设计需求外，选取弹簧套和回力弹簧的力值范围是关键，力值范围出现问题，就会出现问题，严重影响刹车性能。

回力彈簧的稳定性和强度也是设计重点，直接关系到活塞的工作可靠安全性。按照相关标准的要求，活塞最小循环次数要达到105 000次，因其安装环境的要求，活塞组件被定为SRU（车间可更换单元），比LRU（外场可更滑单元）要求更严格苛刻，故在飞机服役期间是很少拆装的，所以活塞的工作可靠性显得尤为重要。

现代弹簧检测技术比较发达，可在PLC控制下实现自动化测试，更加保障了弹簧使用可靠性。

综上所述，设计弹簧套式自动调隙回力机构一般应满足以下3项理论设计要求，在实际工况下还需结合耐久性试验及外场试验进行综合评估。

（1）安装尺寸满足设计需求;

（2）严格按标准设计计算弹簧套及回力弹簧;

（3）回力弹簧的稳定性和强度通过验证。

参考文献

[1] 胡茂范， 穆宇新. 我国航空机轮刹车专业的现状和发展[J]. 航空科学技术， 1996（1）： 20-22.

[2] 石文. 飞机机轮刹车装置维修[J]. 国际航空， 1998（4）： 58.

[3] 梁波， 李玉忍， 田广来. 飞机防滑刹车系统建模与仿真[M]. 北京： 国防工业出版社， 2015： 45-48.

[4] Zhu J J， Wang Z P， Zhang L， et al. Braking/steering coordination control for in-wheel motor drive electric vehicles based on nonlinear model predictive control[J]. Mechanism and Machine Theory， 2019， 142.

[5] 成大先. 机械设计手册第3卷： 第五版[M]. 北京： 化学工业出版社， 2011.

[6] 碳素、合金钢丝制圆柱螺旋压缩弹簧： HB 3-51～3-53-2008 [S].

[7] 航空机轮设计指南： HB/Z 126-1988 [S].

[8] 航空机轮和刹车装置通用规范： GJB 1184A-2010 [S].

[9] 贺毅. 飞机刹车组件弹簧性能自动检测台的研制[J]. 仪器仪表标准化与计量， 2006（6）： 25-26.

[10] 杨尊社， 穆宇新. 航空机轮及刹车装置研制进展[J]. 航空制造技术， 2000（4）： 28-29.

作者简介：

王少宁（1990—），通信作者，男，内蒙古乌兰察布人，研究生，中级工程师。研究方向：起落架结构设计。

E-mail： wsn900529@sina.com

（收稿日期：2020-02-11）

Structure Design of Spring Sleeve Type Automatic Clearance Adjustment and Return Force Mechanism

WANG Shao-ning

（1. Beijing Bei Mo Gao Ke Friction Material Co.， Ltd.， Beijing 102206， China;

2. North China Electric Power University， Beijing 102206， China）

Abstract： The elastic collet type clearance adjustment mechanism has complex structure and is difficult to maintain， which cannot better meet the higher requirements of modern aviation aircrafts on braking performance and ease of use. Propose a spring sleeve type automatic clearance adjustment and return force mechanism， which adjusts the structure， and focuses on the calculation and selection of the specifications， quantity and design parameters of the spring sleeve and the return spring. After checking the stability and strength of the return spring， it is shown that the structural design is more reasonable， which can not only meet the application requirements of modern aviation aircraft， but also improve the braking performance. Finally， it summarizes the three theoretical design requirements that the structure design of the spring sleeve type automatic backlash adjustment mechanism needs to meet： 1） the installation size meets the design improvement requirements; 2） the design of the spring sleeve and the return spring meets the industry standard requirements; 3） the stability and strength of the return spring are verified. Under actual operating conditions， a comprehensive evaluation is also required in combination with durability tests and field tests.

Key words： Automatic Clearance Adjustment and Return Force Mechanism; Spring Sleeve; Return Force Spring; Brake Performance; Structural Design