刹车机轮静刹车力矩研究

魏亮亮　范建博　代龙

摘要：通过对刹车机轮的组成、现有静刹车力矩计算方法及试验验证方法的研究分析，得出目前反映出的部分飞机静刹车力矩不足的根本原因。从飞机刹车系统实际工况出发，改进了静刹车力矩的计算方法和试验验证方法。以某型静刹车力矩不足的飞机为例，按照改进后的静刹车力矩计算方法，重新计算静刹车力矩，改进设计刹车装置提升静刹车力矩，按照改进后的验证试验方法，完成试验室验证试验和装机飞行试验。通过分析试验结果，得出本项目改进后的静刹车力矩计算方法和试验验证方法，比现有方法和标准更加严格，可以支持全新研制和现有飞机静刹车力矩的提升。

关键词：刹车机轮  静刹车力矩  计算  试验

Study on Static Braking Torque of Brake Wheel

WEI Liangliang  FAN Jianbo  DAI long

（AVIC Xi'an Aircraft Industry Group Co.， Ltd.， Xi'an， Shanxi Province， 710089 China）

Abstract： Through the research and analysis of the composition of brake wheels， the existing static braking torque calculation methods and test verification methods， the root causes of insufficient static braking torque of some aircraft are obtained. Based on the actual working conditions of aircraft braking system， the calculation method and test verification method of static braking torque are improved. Taking an aircraft with insufficient static braking torque as an example， according to the improved static braking torque calculation method， recalculate the static braking torque， improve the design of braking device to improve the static braking torque， and complete the laboratory verification test and installed flight test according to the improved verification test method. By analyzing the test results， it is concluded that the improved static braking torque calculation method and test verification method of the project are more stringent than the existing methods and standards， and can support the new development and improvement of static braking torque of existing aircraft.

Key Words： Brake wheel; Static braking torque; Calculation; Test

對于军用飞机，为提高飞机机动性能，通常要求在发动机最大推力状态下应能刹住飞机，即具备起飞线停机刹车（也称静刹车）功能。

静刹车是在起飞线时，由刹车系统输出刹车压力至刹车装置，使刹车盘产生制动力矩，进而使轮胎与地面间产生摩擦力，实现起飞线刹停飞机。在飞机研制过程中，由于刹车材料的静摩擦系数和动摩擦系数不一致，为实现静刹车功能，通常需要单独规定静刹车力矩。静刹车力矩由主机单位根据飞机几何尺寸、重量重心数据、发动机推力、轮胎半径等一系列参数计算得出，通过技术协议等形式传递给刹车机轮承制厂家，厂家根据相关标准要求完成设计及验证试验。

在飞机研发过程中发现，按现有方法、流程完成刹车机轮研制后，静刹车力矩经常不能满足实际使用需求，表现为飞机起飞线刹不住，严重影响飞机机动性能和出动准备。针对此问题，开展相关研究。

1  现状介绍

1.1  刹车机轮结构组成

航空机轮分为刹车机轮和无刹车机轮，刹车机轮由轮毂、刹车装置组成。轮毂用来承受来自地面的各种动、静载荷，刹车装置提供刹车力矩用来制动机轮，使轮胎与地面产生很大的摩擦力，减速或刹停飞机。

1.2  静刹车力矩计算

静刹车力矩，即刹车装置动盘和静盘无相对转动的情况下所能提供的最大刹车力矩。按照《飞机设计手册》（第14分册）的要求，以飞机在起飞线上发动机最大推力下刹停飞机作为静刹车力矩的计算条件，按图1所示的飞机参数，计算静刹车力矩方法如下。

在图1中：为飞机重心到主机轮的水平距离;为飞机重心到前机轮的距离;为飞机最大起飞重量;为发动机最大推力;为飞机重心距地面的垂直距离;为发动机推力点距飞机重心的垂直距离;为单个主机轮承受的地面反力;为单个前机轮承受的地面反力。

前、主轮同时刹车时：

主机轮静刹车力矩：

式（1）、式（2）、式（3）中：为主机轮数量;为前机轮数量;为机轮地面滚动摩擦系数;为机轮地面静摩擦系数。

1.3  静刹车力矩试验方法

军用飞机静刹车力矩研制过程中的验证试验按照现行有效的GJB 1184和GJB 1184A进行，具体要求如下。

对应于机轮最大载荷，在规定的刹车压力下，在轮胎滚动半径上施加切向力，测定静力矩。在同一状态下，静力矩值在不多于3次的连续试验中，应有1次不小于规定的静力矩值，试验结果应满足要求。

当采用碳热库时，可在湿态的动力矩试验前再进行二次湿态静力矩试验，试验条件和要求由相关详细规范规定。

2  理論分析

对刹车机轮结构、静刹车力矩计算方法和静刹车力矩验证试验方法进行研究分析，确定静刹车力矩不足的原因。

2.1  静刹车力矩计算方法分析

按照《飞机设计手册》（第14分册）的计算方法，从可能影响静刹车力矩的飞机起飞重量、发动机推力角和飞机重心位置等3个方面进行分析。

2.1.1  飞机起飞重量的影响

飞机不同的任务构型，对应的起飞重量也不同。

在前、主机轮同时刹车的情况下，飞机起飞重量越大，所需要的静刹车力矩越大，式（1）、式（2）中，计算静刹车力矩采用最大起飞重量，可正确计算静刹车力矩值;在仅主机轮刹车的情况下，飞机起飞重量越大，所需要的静刹车力矩越小，式（3）中，计算静刹车力矩采用最大起飞重量，计算的静刹车力矩值偏小。

2.1.2  飞机发动机推力角的影响

飞机发动机通常与飞机航向存在一定的安装角度，导致发动机航向的推力小于发动机最大推力，另外发动机垂直方向的分力对机轮承受的地面反力也有一定的影响。

在前、主机轮同时刹车的情况下，发动机推力越大，主机轮所需要的静刹车力矩越小，前机轮所需要的静刹车力矩越大，式（1）、式（2）中，计算静刹车力矩采用发动机最大推力，未考虑发动机推力角的影响，计算的主机轮静刹车力矩值偏小，前机轮静刹车力矩值偏大;在仅主机轮刹车的情况下，发动机推力越大，主机轮所需要的静刹车力矩越大，式（3）中，计算静刹车力矩采用发动机最大推力，未考虑发动机推力角的影响，计算的主机轮静刹车力矩值偏大。

2.1.3  飞机重心位置的影响

飞机不同的任务构型，对应的重心位置也不同。

在前、主机轮同时刹车的情况下，飞机重心位置对静刹车力矩无影响;在仅主机轮刹车的情况下，飞机重心位置越靠后，所需要的静刹车力矩越大，式（3）中，计算静刹车力矩时，应采用重心后限，否则计算的主机轮静刹车力矩偏小。

2.2  静刹车验证试验方法分析

按照GJB 1184或GJB 1184A《航空机轮和刹车装置通用规范》研制过程中机轮静刹车力矩的验证试验方法，从静刹车力矩加载方式以及被试机轮干湿状态等2个方面进行分析。

2.2.1静刹车力矩加载方式的影响

GJB 1184或GJB 1184A对静刹车力矩试验的要求在规定的刹车压力下，在轮胎滚动半径上施加切向力，测定静力矩。目前，行业内各机轮承制厂家在对标准进行解读后，统一的做法是施加持续增大的作用在机轮上的力矩，直到机轮转动记录转动时的数值作为静刹车力矩值。该方式与实际上飞机起飞线刹停的工况不一致，也与设计单位计算静刹车力矩的条件不一致，起飞线时，需要将飞机刹停并保持一段时间，该试验方法测定的试验数值存在一定的冲峰过程，导致试验室的试验数值大于实际静刹车力矩值，试验室合格的产品在实际使用过程中可能会出现静刹车力矩不足的问题。

2.2.2  被试机轮干湿状态的影响

C/C复合刹车材料具有密度低、摩擦性能稳定、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗热振等突出特点，是现代飞机的刹车首选材料。采用碳/碳复合刹车材料制备的碳刹车盘，属于多孔结构，会因其吸潮（水）导致刹车力矩出现较大的衰退，出现所谓的“早晨病”。另外，钢刹车材料刹车力矩也存在一定的湿态衰退。有些飞机在设计之初要求的静刹车力矩设计值并未考虑碳刹车盘的湿态衰退，而标准中也未强制要求机轮承制厂家对碳刹车盘的湿态性能进行考核，厂家仅将湿态试验结果作为参考甚至不做湿态试验，导致实际使用过程中湿态环境下碳刹车机轮静刹车力矩不足。

3  设计改进

3.1  静刹车力矩计算方法改进

在《飞机设计手册》（第14分册）的计算方法的基础上，引入起飞重量和发动机推力角，忽略发动机推力在垂直方 向的分量对前、主机轮正压力的影响，按式（1）、式（2）、式（3）计算静刹车力矩，在前、主机轮同时刹车时，飞机起飞重量选择最大起飞重量，仅主机轮刹车时，飞机起飞重量选择最小起飞重量，所有状态发动机推力应为航向上的分量。

3.2  静刹车力矩试验方法改进

根据第2.2条的分析，制定符合使用工况的试验方法。

对应于机轮最大载荷，在规定的刹车压力下，在轮胎滚动半径上施加切向力，该切向力缓慢匀速增加，达到设计输入值后应保持一段时间，测定该保持状态下的静刹车力矩值。在同一状态下，静力矩值在不多于3次的连续试验中，应有1次不小于规定的静力矩值，试验结果应满足要求。

应分别在机轮冷态、热态、干态和湿态下按上述方法进行静刹车力矩验证试验。

4 结语

在《飞机设计手册》（第14分册）静刹车力矩计算方法的基础上，考虑了飞机起飞重量、发动机推力角和飞机重心前后限的影响，计算的静刹车力矩更加准确、合理，可以满足飞机静刹车设计要求。

GJB 1184A中规定的静刹车力矩试验方法未对力矩加载的均匀性和稳定保持的时间作出要求，为了使试验验证条件更加贴近使用工况，制定新的静刹车力矩试验方法，结合飞机特性提出力矩加载速度和稳定保持的时间要求，同时全面考虑被试机轮各状态下的静刹车力矩试验，试验方法对静刹车的考核更加全面、准确，能够保证试验条件与设计工况基本一致，可以满足对静刹车力矩设计值的验证。

本项目提供的静刹车力矩計算方法和试验验证方法，是基于现有设计手册和国军标改进而来，比现有方法和标准更加严格，且经过理论分析、试验验证和实践应用，可以支持全新研制和现有飞机静刹车力矩提升。

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