不同缓冲参数下平面六杆起落架落震性能研究

马文瑞，闫 明

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110000)

0 引言

旋翼无人机作为一种可垂直起降飞行器，虽然适用范围十分广泛，但无法在崎岖地面进行安全起降工作。平面连杆机构均为低副连接，具有受力特性好、结构简单、加工成本低的优点[1-3]，因此提出基于平面六杆机构的旋翼无人机自适应起落架。该起落架在着陆时可通过调节不同姿态适应不同降落地形，但是在着陆瞬间，起落架与地面接触会产生一定冲击力。为保证无人机安全降落，避免冲击对无人机以及起落架造成损害，缓冲器是不可或缺的[4]。如果在一些情况下错误地使用缓冲器，刚度及阻尼等参数远远偏离正常值，轻则降低着陆效率，重则干扰操作、损坏装备，使无人机无法安全着陆。综上所述，需对该平面六杆起落架所配备缓冲器的参数进行正确的选择与设置。

文献[5]设计了一种具有两级缓冲系统的新型缓冲作动行走一体化自适应起落架，在多体动力学软件中建立了带两级缓冲器的自适应起落架落震仿真模型，进行了不同着陆速度的落震仿真分析，并根据仿真数据设计了缓冲器参数。文献[6]对某型舰载机起落架不同下沉速度工况进行了分析，并结合落震试验数据对流量系数、气体多变指数进行了计算，为舰载机起落架缓冲器设计提供了重要参考。文献[7]以某无人机主起落架缓冲器为研究对象，通过动力学仿真软件建立起落架落震模型，通过仿真分析起落架功量图、起落架位移变化以及垂向载荷变化，为大下沉速度的起落架缓冲器设计提供了有效参考。上述文献均考虑了在不同着陆速度下的起落架响应情况，并未给出其不同缓冲参数对起落架响应的影响规律，这在一定程度上影响了缓冲器参数设计的准确性。

为研究起落架着陆时缓冲器的刚度及阻尼对起落架响应的影响规律，本文首先对平面六杆起落架的结构及工作原理进行了介绍，并给出起落架着陆时的地面接触模型；然后，通过ADAMS动力学仿真软件对起落架进行不同工况下的落震仿真；最后，通过分析起落架缓冲器的刚度及阻尼对起落架响应的影响规律，确定缓冲器刚度及阻尼的合理取值范围，从而为平面六杆起落架缓冲器参数设计提供重要依据。

1 起落架落震模型构建

1.1 平面六杆起落架简介

通过ADAMS多体动力学仿真软件构建平面六杆起落架落震仿真模型，如图1所示。平面六杆起落架由机架、驱动电机、制动器、滚珠丝杠、缓冲器、橡胶足垫以及若干碳纤维杆件组成。落震时，由电机转动使螺母相对丝杠移动，从而改变丝杠所在杆的长度，促使整个机架进行姿态调节，姿态调节完成后，制动器启动并固定起落架当前姿态。最后，起落架竖直向下做自由落体运动并在缓冲器作用下完成降落。

图1 平面六杆起落架落震仿真模型

在进行落震仿真时，起落架在足垫距离地面的垂直高度为51 mm时做自由落体运动，此时起落架着陆速度为1 m/s，起落架落震质量为12.5 kg，姿态为完全展开状态。为研究缓冲器阻尼对起落架响应的影响规律，设置缓冲器刚度为50 N/mm，缓冲器阻尼系数分别为0.5 N·s/mm、0.7 N·s/mm、0.9 N·s/mm、1.1 N·s/mm。为研究缓冲器刚度对起落架响应的影响规律，设置缓冲器阻尼系数为0.9 N·s/mm，缓冲器刚度分别为40 N/mm、50 N/mm、60 N/mm、70 N/mm。最后在不同工况下对起落架机架加速度、机架位移、足垫接触力进行对比分析，得出缓冲器参数合适的取值区间。

1.2 起落架接触参数设置

进行起落架单腿落震时，起落架足垫与地面相互接触，橡胶足垫对起落架会产生一个缓冲作用，当起落架足垫与地面接触时，会产生垂直于地面向上的弹性力。此外，单腿起落架为悬臂结构，着陆时足垫有向外移动趋势，因此在接触位置还会产生切向摩擦力，将两个作用力求矢量和可得到总接触力。足垫与地面接触位置可等效为一个弹簧阻尼模型，如图2所示。

图2 足垫与地面接触简化模型

足垫与地面的法向接触力由两部分组成，一个是橡胶足垫与地面之间相互切入而产生的弹性力，另一个是由相对速度产生的阻尼力，其广义形式可表示为：

(1)

(2)

其中:Fn为足垫与地面接触部位的法向接触力；Kc为接触表面接触刚度；δ1为接触表面法向变形量；e为力指数；Cc为接触表面阻尼系数；v1为足垫与地面的法向相对速度；R1与R2分别为足垫与地面接触部分的曲率半径；μ1与μ2分别为足垫与地面材料的泊松比；Ee1与Ee2分别为足垫与地面材料的弹性模量；n为非线性指数。

在起落架着陆后足垫有向外移动趋势，因此起落架在着陆时还受到地面摩擦力作用。在起落架足垫与地面接触时，摩擦力可处于一种粘滞状态，因此可以将摩擦力接触模型简化为切向的弹簧阻尼模型，摩擦力大小与足垫相对于地面的切向速度和位移成正比，方向与两者相对运动方向相反[8]。当速度与位移趋势持续增长时，摩擦力超过接触表面最大静摩擦力，足垫便克服静摩擦力相对地面发生相对移动，此时所受摩擦力为滑动摩擦力。摩擦力模型可表示为：

(3)

其中：Ff为足垫与地面接触部位的切向摩擦力；δ2为接触表面切向变形量；v2为接触面两物体切向相对速度；Ffs为最大静摩擦力；Ffd为滑动摩擦力。

2 落震仿真结果及分析

2.1 不同阻尼起落架落震仿真

不同阻尼下的机架加速度仿真结果如图3所示。由图3可知：其加速度响应与缓冲器阻尼系数成反比，阻尼系数越大，加速度响应峰值越小，起落架所需平稳时间越短；当阻尼系数为1.1 N·s/mm时，起落架最大加速度为19.3 m/s2，此时起落架所受冲击最小且能够在0.7 s时达到静止状态；当阻尼系数为0.5 N·s/mm时，起落架最大加速度响应为29.1 m/s2，在0.3 s时出现起落架着陆后再次起跳现象，最终在1.5 s时达到静止状态。

不同阻尼下的机架位移仿真结果如图4所示。由图4可知：机架质心最大位移与缓冲器阻尼系数成反比，阻尼系数越大，着陆过程中机架质心最大位移越小；当阻尼系数为1.1 N·s/mm时，起落架最大位移为28.4 mm，相比其他工况，此时起落架机架质心位移最小。

不同阻尼下的机架足垫接触力仿真结果如图5所示。由图5可知：最大接触力与缓冲器阻尼系数成反比，阻尼系数越大，足垫处最大接触力越小；当阻尼系数为1.1 N·s/mm时，起落架最大接触力为341.8 N；当阻尼系数为0.5 N·s/mm时，起落架最大接触力为561 N，在0.3 s时出现起落架再次起跳现象，起落架足垫与着陆块之间无接触，此时接触力为0 N，最终在1.5 s时达到静止状态。

图3 不同阻尼下的机架加速度 图4 不同阻尼下的机架位移 图5 不同阻尼下机架与地面接触力

将不同阻尼的起落架机架加速度、机架位移及接触力进行总结，如表1所示。由表1可知：阻尼越大，起落架机架最大冲击加速度越小、机架最大位移越小、足垫接触力越小。这表明当缓冲器阻尼越大时，起落架着陆时所受冲击越小，并且可在更短的时间内完成起落架着陆工作。综合考虑起落架实际工作环境，所选缓冲器阻尼系数在0.9 N·s/mm～1.1 N·s/mm之间最为合适。

表1 不同阻尼下起落架机架响应参数

2.2 不同刚度起落架落震仿真

不同刚度的起落架机架加速度仿真结果如图6所示。由图6可知：机架质心加速度响应与缓冲器刚度成正比，刚度越小，加速度响应峰值越小，起落架落震后所需平稳时间越短；当刚度为40 N/mm时，起落架质心处最大加速度为18.8 m/s2，此时起落架着陆时所受冲击最小，并且能够在0.7 s时达到静止状态；当刚度为70 N/mm时，起落架最大加速度响应为33.2 m/s2，在0.3 s时出现起落架再次起跳现象，最终在1.2 s时达到静止状态，此时起落架着陆后所需稳定时间最长。

不同刚度的机架质心位移仿真结果如图7所示。由图7可知：机架质心位移响应与缓冲器刚度成反比，刚度越小，最大位移越大，起落架所需平稳时间越短;当刚度为40 N/mm时，起落架最大位移为31.5 mm，此时起落架机架处位移最大;在刚度为60 N/mm时，其机架位移曲线在第二处峰值接近于0 mm，此时起落架处于刚好未出现再次起跳现象的边缘。

在不同刚度下的机架足垫接触力仿真结果如图8所示。由图8可知：最大接触力与缓冲器刚度系数成正比，刚度越小，足垫处最大接触力越小;当刚度为40 N/mm时，起落架最大接触力为369.6 N，此时起落架足垫处所受冲击力最小；当刚度为70 N/mm时，起落架足垫最大接触力为534.5 N，在0.2 s时出现起落架再次起跳现象，此时起落架足垫与着陆块无接触，因此0.2 s～0.3 s时接触力为0 N，最终在1.2 s时达到静止状态。

图6 不同刚度下的机架加速度 图7 不同刚度下的机架位移 图8 不同刚度下机架与地面接触力

将缓冲器在不同刚度下的起落架机架质心加速度、机架质心位移及足垫接触力进行总结，如表2所示。由表2可知：刚度越大，起落架机架处最大冲击加速度越大、机架最大位移越小、足垫接触力越大。这表明当缓冲器刚度越小时，起落架着陆时所受冲击越小，并且完成起落架着陆工作时间更短，此时起落架的落震性能更优秀。但是刚度越小时，机架最大位移也越大。因此综合考虑起落架落震性能、机架位移与起落架实际情况，所选缓冲器刚度在50 N/mm～60 N/mm为最好。

表2 不同刚度下起落架机架响应参数

3 结论

本文通过ADAMS多体动力学仿真软件，针对平面六杆无人机起落架构建了落震仿真模型以及地面接触模型，并进行落震仿真，考虑了该起落架在着陆速度为1 m/s时，缓冲器在不同阻尼、不同刚度时对起落架落震响应的影响规律，得出其缓冲器阻尼在0.9 N·s/mm～1.1 N·s/mm之间最为合适，缓冲器刚度在50 N/mm～60 N/mm最为合适，这为后续进行起落架缓冲器参数设计提供了重要依据。