牛福春，劉旭

（中航沈飛民用飛機有限責任公司，沈陽110079）

0 引 言

鵝頸鉸鏈組件是飛機的常見結(jié)構(gòu)件,用于實現(xiàn)艙門、口蓋等結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)。相對于琴鍵鉸鏈組件，鵝頸鉸鏈組件在大曲率部位更有優(yōu)勢，適用于尺寸大的檢修門，還具有方便結(jié)構(gòu)密封、旋轉(zhuǎn)軸線所在位置可設(shè)計性強等優(yōu)點[1-2]。

對于鵝頸鉸鏈組件，在優(yōu)化旋轉(zhuǎn)軸線位置、選擇鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座構(gòu)型、確定鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座連接方式、選用配套標準件、確定相關(guān)配合精度及設(shè)計間隙、確定標準件安裝要求、防過打開設(shè)計、電搭接設(shè)計等方面，國內(nèi)飛機設(shè)計部門往往缺乏系統(tǒng)的指導文件。本文對鵝頸鉸鏈組件的幾個設(shè)計要點進行了研究，包括旋轉(zhuǎn)軸線位置的優(yōu)化、鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座構(gòu)型的確定、鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座連接形式的選擇。給出了旋轉(zhuǎn)軸線的合理創(chuàng)建步驟與優(yōu)化方法。介紹了兩種鵝頸鉸鏈組件構(gòu)型的特點與應(yīng)用范圍，對幾種不同的連接形式進行了分類說明與對比分析，結(jié)合工程實例對幾種鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座的連接形式進行了重點探討。

1 鵝頸鉸鏈組件簡介

如圖1所示，鵝頸鉸鏈組件包括3個主要部分：鵝頸鉸鏈，鉸鏈支座，以及連接二者的配套標準件。鵝頸鉸鏈底座固定在需要旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)上；鉸鏈支座底座固定在開口周邊的壁板、梁、框等結(jié)構(gòu)件上。

圖1 鵝頸鉸鏈組件典型結(jié)構(gòu)

鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座連接用到的標準件類型包括關(guān)節(jié)軸承、帶凸緣襯套、直襯套、扭轉(zhuǎn)彈簧、螺栓、開槽螺母、開口銷、平墊圈、沉頭墊圈、桿部有孔平頭直銷、開口銷等。不同旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的鵝頸鉸鏈組件可能選用不同形式的配套標準件，即使同一旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)不同位置的鵝頸鉸鏈組件也可能選用不同形式的配套標準件。單個需要旋轉(zhuǎn)的飛機結(jié)構(gòu)大多需要2～3個鵝頸鉸鏈組件，不同位置的鵝頸鉸鏈組件的旋轉(zhuǎn)軸線應(yīng)相同。

2 設(shè)計要點分析

2.1 旋轉(zhuǎn)軸線的確定

旋轉(zhuǎn)軸線可通過以下步驟創(chuàng)建（以矩形口蓋為例，其他類似）：1）向內(nèi)偏移口蓋外形面獲得面A1；2）在口蓋外側(cè)作包含旋轉(zhuǎn)軸線的平面A2；3）創(chuàng)建面A1與平面A2的交線L；4）確定口蓋垂直旋轉(zhuǎn)軸線的兩個端面：面A3、A4；5）創(chuàng)建交線L與面A3、A4的交點P1、P2；6）創(chuàng)建過P1、P2點的直線，該直線即為旋轉(zhuǎn)軸線。

可能要多次調(diào)整面A1、平面A2的位置，以使旋轉(zhuǎn)軸線滿足口蓋的打開角度、口蓋在旋轉(zhuǎn)過程中與周邊固定結(jié)構(gòu)的間隙等要求，還要使結(jié)構(gòu)盡可能緊湊，質(zhì)量輕。使用二維幾何原理圖設(shè)定邊界條件和調(diào)整參數(shù)非常方便，可以利用CATIA草圖工具創(chuàng)建二維幾何原理圖優(yōu)化旋轉(zhuǎn)軸線的位置[3]。

簡單的二維幾何原理圖如圖2所示，當旋轉(zhuǎn)軸線在①、②、③、④位置時，口蓋沿環(huán)行箭頭方向旋轉(zhuǎn)90°后的的位置分別在a、b、c、d處。從圖中可以看出，旋轉(zhuǎn)軸線位置越低、越遠離口蓋，越有利于避免口蓋在旋轉(zhuǎn)過程中與固定結(jié)構(gòu)干涉。

圖2 旋轉(zhuǎn)軸線影響分析二維幾何原理圖

2.2 鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座構(gòu)型的選擇

鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座通常采用以下兩種配套構(gòu)型：1）構(gòu)型1。鵝頸鉸鏈為單耳結(jié)構(gòu)，鉸鏈支座為雙耳結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。2）構(gòu)型2。鵝頸鉸鏈為雙耳結(jié)構(gòu)，鉸鏈支座也為雙耳結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。構(gòu)型1結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量小，應(yīng)用最廣泛。構(gòu)型2適用于僅布置1個鵝頸鉸鏈組件的小口蓋。

2.3 鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間連接形式的確定

2.3.1 連接形式分類

按是否安裝關(guān)節(jié)軸承劃分成自調(diào)整式與非自調(diào)整式：1）非自調(diào)整式對鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座中心線的同軸度要求高，旋轉(zhuǎn)軸線必須平行于鉸鏈支座中心線，可以在鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間傳遞轉(zhuǎn)矩；2）自調(diào)整式對鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座中心線的同軸度要求低，旋轉(zhuǎn)軸線可以與鉸鏈支座中心線之間有一定夾角，但是只有在鵝頸鉸鏈旋轉(zhuǎn)到特定位置后才可以在鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間傳遞轉(zhuǎn)矩。

按是否允許鵝頸鉸鏈沿旋轉(zhuǎn)軸線方向相對螺栓移動劃分成非夾緊式與夾緊式。對于旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，采用非自調(diào)整式時，只能采用非夾緊式；采用自調(diào)整式時，既可以采用夾緊式，也可以采用非夾緊式，采用夾緊式可以限制關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈與螺栓之間的相對運動。

按是否允許鵝頸鉸鏈沿旋轉(zhuǎn)軸線方向相對鉸鏈支座移動劃分成游動式與非游動式：1）非游動式可以限定旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的位置，可以在鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間傳遞沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的軸向力；2）游動式不能夠限定旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的位置，不利于在鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間傳遞沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的軸向力。

2.3.2 連接形式選用

旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)尺寸較小，其上的鵝頸鉸鏈組件數(shù)量不超過2個時，鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間一般采用非自調(diào)整、非夾緊、游動式連接。

圖3所示為國外某成熟機型口蓋上廣泛采用的一種非自調(diào)整、非夾緊、游動式連接設(shè)計，下面對其設(shè)計要點進行介紹與分析。

圖3 一種非自調(diào)整/非夾緊/游動式連接結(jié)構(gòu)

鉸鏈支座上的襯套為鉸孔型，材料為不銹鋼；鵝頸鉸鏈上的襯套為非鉸孔型，材料為鋁硅青銅。鉸鏈支座上之所以采用鉸孔型襯套，是為了保證鉸鏈支座中心線的同軸度。如果口蓋尺寸很小，其上只布置1個鵝頸鉸鏈組件，鉸鏈支座上也可以采用非鉸孔型襯套。鵝頸鉸鏈上之所以采用鋁硅青銅襯套，主要是因為鋁硅青銅具有高耐磨性。

扭轉(zhuǎn)彈簧兩端頭套有熱收縮管M23053/8-004-C，一端固定在鉸鏈支座上，一端固定在鵝頸鉸鏈上，可以控制口蓋的打開角度與打開速度。

與扭轉(zhuǎn)彈簧接觸的間隔襯套與平墊圈材料為Teflon，Teflon具有極低的摩擦因數(shù)與良好的耐磨性，可起潤滑作用，力學性能優(yōu)異，還具有不導電、抗老化、耐腐蝕等良好特性。目前，Teflon產(chǎn)品在國外民用飛機上已有廣泛應(yīng)用，在國產(chǎn)民機上的應(yīng)用范圍有待提高[4]。

為了限制鵝頸鉸鏈沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的位置，根據(jù)實際間隙情況在鉸鏈支座襯套與鵝頸鉸鏈襯套之間增加墊片，墊片的材料也為Teflon。只在鵝頸鉸鏈組件的單側(cè)增加墊片；如果旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)上有2個鵝頸鉸鏈組件，只在1個鵝頸鉸鏈組件上增加墊片。

旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)尺寸較大，其上布置的鵝頸鉸鏈組件數(shù)量超過2個時，鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間一般采用自調(diào)整式連接。同一旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)上的多個鵝頸鉸鏈組件如果都采用非游動式連接，裝配時會有過定位問題；如果都采用游動式連接，不能夠限制旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的自由度，不利于傳遞旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與其支持結(jié)構(gòu)之間沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的軸向力。因此，尺寸較大的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)上的鵝頸鉸鏈組件一般組合采用非游動式連接與游動式連接。

國外某成熟機型APU艙門為雙扇對開結(jié)構(gòu)，單扇APU艙門上布置3個鵝頸鉸鏈組件，中間鵝頸鉸鏈組件采用自調(diào)整、夾緊、非游動式連接，如圖4(a)所示；其余2個鵝頸鉸鏈組件采用自調(diào)整、夾緊、游動式連接，如圖4(b)所示。下面對這兩種連接設(shè)計的設(shè)計要點進行介紹與分析。

鉸鏈支座上的襯套為鉸孔型，材料為不銹鋼?；瑒右r套選用的是直襯套，也可以選用帶凸緣襯套。

自調(diào)整、夾緊、非游動式連接中，鵝頸鉸鏈上的關(guān)節(jié)軸承通過直襯套與螺栓組夾緊到雙耳鉸鏈支座的1個耳片上，該耳片能夠直接承受鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的載荷。

圖4 某機型APU艙門鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座的連接結(jié)構(gòu)

自調(diào)整、夾緊、游動式連接中，鉸鏈支座的2個耳片不能夠承受鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的載荷。國內(nèi)某型飛機APU艙門的鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間采用了類似上述方案的連接設(shè)計，由于該艙門有沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的較大載荷，為了使采用自調(diào)整、夾緊、游動式連接處的鉸鏈支座的耳片，也承受沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的載荷，在帶凸緣襯套的凸緣與墊圈的間隙處增加了墊圈。非自調(diào)整式額外增加墊圈，門打開時鵝頸鉸鏈上的襯套與額外增加的墊圈之間會有摩擦，不利于門打開；自調(diào)整式不會有這個問題，且對額外增加的墊圈沒有耐磨損要求。

圖4(b)中之所以采用夾緊式，是因為可以保證APU艙門打開或關(guān)閉時，關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈不動，僅外圈相對內(nèi)圈運動。圖5所示的非夾緊式連接，不能限制關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈與螺栓之間的相對運動，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)打開或關(guān)閉時，關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈有可能相對螺栓轉(zhuǎn)動，關(guān)節(jié)軸承外圈也有可能相對關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈運動。

圖5 一種自調(diào)整/非夾緊/游動式連接

3 結(jié)語

1）使用二維幾何原理圖，利用CATIA草圖工具創(chuàng)建二維幾何原理圖優(yōu)化旋轉(zhuǎn)軸線的位置。優(yōu)化目標包括：滿足旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)打開角度要求；滿足旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)開閉時與周邊固定結(jié)構(gòu)的間隙要求等。2）旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)尺寸較小，其上的鵝頸鉸鏈組件數(shù)量不超過2個時，鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間采用非自調(diào)整、非夾緊、游動式連接。3）旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)尺寸較大，其上布置的鵝頸鉸鏈組件數(shù)量超過2個時，鵝頸鉸鏈與鉸鏈支座之間采用自調(diào)整式連接。4）通過組合采用非游動式連接與游動式連接防止過定位。