吳柏銳 杭魯濱,2 彭繼友 黃曉波 吳 揚(yáng) 裘旭東

（1 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 上海 201620）

（2 上海市大型構(gòu)件智能制造機(jī)器人技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 201620）

（3 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院， 上海 201210）

0 引言

飛機(jī)登機(jī)艙門作為大型客機(jī)的一個(gè)重要部件，其功能與運(yùn)動(dòng)模式分析對(duì)飛機(jī)艙門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要[1]。飛機(jī)客艙登機(jī)門開啟具有多種形式，包括門梯合一下翻式、內(nèi)收旋轉(zhuǎn)開啟式以及側(cè)開式等。

國(guó)際上較早期的伊爾86/96[2]客機(jī)采用了門梯合一下翻式登機(jī)門，但是，由于其內(nèi)設(shè)扶梯的結(jié)構(gòu)占用空間較大，現(xiàn)在的運(yùn)輸客機(jī)已經(jīng)不再使用[3]。早期波音B737 的客機(jī)登機(jī)門采用內(nèi)收旋轉(zhuǎn)開啟的方式[4]，艙門向內(nèi)運(yùn)動(dòng)一定角度后再向外翻轉(zhuǎn)打開，開啟形式較復(fù)雜且由于上下兩端增設(shè)額外密封板，密封性能較差。

如今使用較多的客機(jī)如波音B777、空客A320等均采用側(cè)開式登機(jī)門[5]。飛機(jī)側(cè)開式登機(jī)艙門機(jī)構(gòu)具有增壓釋壓、釋放安全滑梯、陣風(fēng)鎖等多種功能。側(cè)開式登機(jī)門由于其多元化的功能、簡(jiǎn)易的開啟方式以及節(jié)省空間等特性得以在新機(jī)型上廣泛應(yīng)用[6]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在參考國(guó)際上現(xiàn)有成熟機(jī)型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步研究。黃振庭[7]對(duì)內(nèi)收旋轉(zhuǎn)開啟式的ARJ-21 客機(jī)門進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。許清清[8]對(duì)ARJ-21 應(yīng)急門進(jìn)行了機(jī)構(gòu)仿真與優(yōu)化。商飛公司設(shè)計(jì)的C919 登機(jī)門則有艙門導(dǎo)向槽機(jī)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)及仿真優(yōu)化[9]、門閂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路[10]、艙門提升原理的參數(shù)化分析[11]等。由以上文獻(xiàn)可知，目前的大多研究都是圍繞具有獨(dú)立功能的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，未見從艙門機(jī)構(gòu)整體協(xié)同性方面開展的運(yùn)動(dòng)分析。

歷史上，飛機(jī)艙門曾出現(xiàn)過艙門機(jī)構(gòu)錯(cuò)位或磨損較大的情況，導(dǎo)致艙門開啟困難或關(guān)不緊，影響了航班正常起飛[12]。機(jī)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)性會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件損壞，例如，航空軸承磨損往往是因?yàn)槠渌麡?gòu)件之間的連接出現(xiàn)偏移或變形而導(dǎo)致作用力增加。因此，從艙門機(jī)構(gòu)整體關(guān)聯(lián)性來分析艙門運(yùn)動(dòng)形式至關(guān)重要。

參考現(xiàn)有側(cè)開式登機(jī)門方案及變模式機(jī)構(gòu)研究[13-17]，本文中基于方位特征集理論，分析了艙門開啟機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的輸入輸出關(guān)系及提升過程和旋轉(zhuǎn)過程的運(yùn)動(dòng)模式；使艙門驅(qū)動(dòng)具有擋塊限位，保證艙門機(jī)構(gòu)模式切換的幾何約束條件恒定及開啟過程的穩(wěn)定性；試驗(yàn)驗(yàn)證了飛機(jī)艙門設(shè)計(jì)模式切換的可行性。采用方位特征集研究艙門開啟過程，為艙門設(shè)計(jì)提供了新思路。

1 飛機(jī)艙門開啟機(jī)構(gòu)分析

飛機(jī)側(cè)開式登機(jī)艙門運(yùn)動(dòng)過程分為抬升過程和艙門旋轉(zhuǎn)過程。從機(jī)構(gòu)學(xué)角度和艙門機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動(dòng)協(xié)同性分析艙門抬升過程和艙門旋轉(zhuǎn)過程的運(yùn)動(dòng)模式切換方式。

飛機(jī)側(cè)開式登機(jī)艙門開啟機(jī)構(gòu)由鉸鏈臂機(jī)構(gòu)、平行桿機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。

圖1 飛機(jī)側(cè)開式艙門開啟機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Sideward opening aircraft door mechanism

飛機(jī)側(cè)開式登機(jī)門通過上、下?lián)u臂連接在鉸鏈臂上。平行桿機(jī)構(gòu)由4個(gè)球鉸鏈組成，分別連接在艙門頂端和機(jī)身上。平行桿機(jī)構(gòu)和鉸鏈臂機(jī)構(gòu)作為艙門開啟的運(yùn)動(dòng)支鏈共同作用。其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 飛機(jī)側(cè)開式艙門開啟機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of sideward opening aircraft door mechanism

如圖3所示，鉸鏈臂機(jī)構(gòu)是登機(jī)門中非常重要的結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件。鉸鏈臂結(jié)構(gòu)由上搖臂和下?lián)u臂以及固接在機(jī)身框上的上、下支座組成。鉸鏈臂機(jī)構(gòu)一端與機(jī)身上、下支座鉸接，一端的上下?lián)u臂與門提升機(jī)構(gòu)鉸接。登機(jī)門開啟后，整個(gè)艙門的質(zhì)量由鉸鏈臂支承。在登機(jī)門開閉過程中，鉸鏈臂機(jī)構(gòu)會(huì)承受由艙門重力引起的較大轉(zhuǎn)矩，并通過固接在門框上的上下兩個(gè)支座傳遞到機(jī)身結(jié)構(gòu)上[18]。

圖3 鉸鏈臂機(jī)構(gòu)Fig.3 Hinge arm mechanism

如圖1、圖4 所示，平行桿機(jī)構(gòu)的兩根桿長(zhǎng)度相等且互相平行，控制艙門開啟過程的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)艙門平行于機(jī)身移動(dòng)。

圖4 平行桿機(jī)構(gòu)Fig.4 Parallel link mechanism

2 艙門支路組合、運(yùn)動(dòng)自由度分析

2.1 艙門并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)自由度計(jì)算

機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征決定了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征與動(dòng)力學(xué)特征。通過將飛機(jī)艙門開啟機(jī)構(gòu)抽象為并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)來分析艙門運(yùn)動(dòng)模式，楊廷力[19]揭示了機(jī)構(gòu)尺度約束類型、機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、獨(dú)立位移數(shù)三者的內(nèi)在聯(lián)系形成的方位特征（POC）集理論，創(chuàng)新性地提出了一種體現(xiàn)機(jī)構(gòu)輸入輸出特征的自由度計(jì)算公式，即

式中，F(xiàn)為機(jī)構(gòu)自由度，fi為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的自由度；ξLj為第j個(gè)獨(dú)立回路的獨(dú)立位移方程數(shù)；Mbj為第j條支路末端構(gòu)件的POC集。

本文中結(jié)合實(shí)際艙門開啟機(jī)構(gòu)的支路組合，對(duì)艙門開啟過程自由度及運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行了分析。艙門方位特征集計(jì)算過程為：

（1）確定艙門開啟機(jī)構(gòu)各支鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

艙門開啟機(jī)構(gòu)支路的結(jié)構(gòu)組合為：①2條S-S串聯(lián)支路；②1條由轉(zhuǎn)動(dòng)軸互相垂直的4R回路與2R串聯(lián)支路。3條支路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別為

SOC{-Sa-Sb-}

SOC{-Sc-Sd-}

SOC{-R1//R2//R3//R4⊥R5//R6-}

動(dòng)平臺(tái)、靜平臺(tái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及幾何尺度約束類型分別為：①飛機(jī)艙門（動(dòng)平臺(tái)）連接副有R2、R3、Sa、Sd。其中，R1//R2//R3//R4；桿長(zhǎng)l12≠l34。②飛機(jī)機(jī)身（靜平臺(tái)）連接副有R6、Sc、Sb。其中，R6//R5，R6⊥R2；Sc、Sb球副中心連線與Sa、Sd球副中心連線平行且等長(zhǎng)，即：lab=lcd，AB//CD。

（2）確定第一個(gè)回路末端構(gòu)件的POC集

將RR 副的POC 集代入串聯(lián)機(jī)構(gòu)POC 集方程，得到第一個(gè)回路R1、R2、R3、R4的支路末端構(gòu)件POC 集為

回路由SOC{-R1//R2-}和SOC{-R3//R4-}并聯(lián)再與SOC{-R5//R6-}串聯(lián)而成。其中，R5、R6軸線互相平行；存在1 個(gè)非獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)r1(//R1)和1 個(gè)獨(dú)立移動(dòng)t1(⊥R1)。

SOC{-R1//R2//R3//R4⊥R5//R6-}可用其等效單開鏈SOC{-P1⊥R5//R6-}替代，將各支鏈POC 集代入計(jì)算得到

式中，末端構(gòu)件存在1個(gè)獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)r1(//R6)、1個(gè)非獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)r1(//R1)和兩個(gè)獨(dú)立移動(dòng)t1(⊥R6)、t1(⊥R1)和1個(gè)非獨(dú)立移動(dòng)t1(⊥R5)。

（3）確定第二支路、第三支路組成回路的獨(dú)立位移方程數(shù)ξL1

球副的尺度約束類型可近似為3個(gè)軸線相交于一點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)副。若同一構(gòu)件有兩個(gè)S副，則兩個(gè)S副球心連線方向存在一個(gè)局部轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，故將SS 副等效為SU 副，得其第二支路、第三支路并聯(lián)支路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為

由第二支路、第三支路組成的第一個(gè)獨(dú)立回路的獨(dú)立位移方程數(shù)ξL1為

由自由度公式可得其子并聯(lián)機(jī)構(gòu)DOF為

考慮到桿長(zhǎng)lab=lcd且AB//CD，第二支路、第三支路組成的子并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的POC集為

（4）確定第二個(gè)獨(dú)立回路的獨(dú)立位移方程數(shù)ξL1

由第二支路、第三支路組成的子并聯(lián)機(jī)構(gòu)與第一支路確定的第二個(gè)獨(dú)立回路的獨(dú)立位移方程數(shù)為

（5）確定機(jī)構(gòu)自由度

3條支路組成的子并聯(lián)機(jī)構(gòu)DOF為

（6）確定并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的POC集

計(jì)算并聯(lián)機(jī)構(gòu)POC集，可得

由式（10）得到并聯(lián)機(jī)構(gòu)的DOF 為1，故艙門開啟機(jī)構(gòu)POC 集只能有1 個(gè)獨(dú)立元素。結(jié)合艙門運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知，艙門運(yùn)動(dòng)有艙門提升和旋轉(zhuǎn)平動(dòng)兩種模式，在不同運(yùn)動(dòng)階段的主要運(yùn)動(dòng)方式也不相同。提升過程為繞R6轉(zhuǎn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)平動(dòng)過程為繞R6轉(zhuǎn)動(dòng)。

結(jié)合艙門開啟方式與開啟約束，艙門提升過程運(yùn)動(dòng)POC集Mpa為

艙門旋轉(zhuǎn)開啟過程的POC集Mpa為

2.2 艙門開啟過程運(yùn)動(dòng)模式切換的尺度約束分析

艙門旋轉(zhuǎn)開啟的過程主要由鉸鏈臂機(jī)構(gòu)和平行桿機(jī)構(gòu)協(xié)同完成。在艙門提升運(yùn)動(dòng)完成后，為了防止艙門滾輪與機(jī)身導(dǎo)向槽碰撞，艙門在旋轉(zhuǎn)開啟過程需保持水平狀態(tài)；艙門提升完成后，鉸鏈臂上下?lián)u臂在艙門旋轉(zhuǎn)過程中剛化，即R1、R2、R3、R4成為消極運(yùn)動(dòng)副，機(jī)構(gòu)繞R6轉(zhuǎn)動(dòng)為其獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。

艙門相對(duì)于飛機(jī)機(jī)身旋轉(zhuǎn)開啟機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的水平面上（俯視）投影如圖5 所示。圖5 中，R6、Rb、Rc固定在機(jī)身上，可視作定平臺(tái)上；R5、Ra、Rd固定在艙門上，可視作動(dòng)平臺(tái)上，構(gòu)成并聯(lián)機(jī)構(gòu)。為滿足艙門旋轉(zhuǎn)開啟過程穩(wěn)定并始終平行于機(jī)身，兩平行桿球副中心距尺寸與艙門鉸鏈臂兩轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線間距在水平面的投影平行且長(zhǎng)度相等，即

圖5 艙門旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)水平投影機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 A schematic diagram of horizontal projection mechanism for aircraft door rotation

艙門以繞R6軸線運(yùn)動(dòng)為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，艙門運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)半徑為l56。其中，桿l56、ldc、lab在運(yùn)動(dòng)過程中保持平行且相等。

3 艙門開啟運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)

結(jié)合艙門開啟機(jī)構(gòu)POC 集與現(xiàn)有艙門開啟方式，對(duì)艙門開啟過程中運(yùn)動(dòng)模式的切換和驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。

3.1 艙門運(yùn)動(dòng)模式切換實(shí)現(xiàn)方式

通過在提升過程的末端位置設(shè)置擋塊，可以精確保證艙門開啟機(jī)構(gòu)的模式切換，使POC 集始終對(duì)應(yīng)艙門開啟過程中的運(yùn)動(dòng)模式。設(shè)置擋塊實(shí)現(xiàn)艙門模式轉(zhuǎn)換，既能夠提高艙門開啟過程的穩(wěn)定性，又能夠平衡重力，提升艙門模式切換的精度。艙門擋塊設(shè)置在艙門上，其位置及艙門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如表1所示。

表1 艙門擋塊位置及艙門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Tab.1 Aircraft door stop block positions and motion states

由艙門開啟機(jī)構(gòu)POC集得到

艙門提升過程具有一個(gè)垂直于R1的獨(dú)立移動(dòng)。當(dāng)艙門處于最高位置時(shí)，艙門提升機(jī)構(gòu)由擋塊限位控制運(yùn)動(dòng)停止，平行桿機(jī)構(gòu)處于登機(jī)門上端，且兩個(gè)平行桿與R5、R6運(yùn)動(dòng)副軸線垂直。

3.2 艙門開啟驅(qū)動(dòng)方式

艙門提升主要由提升機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)主鉸鏈上下?lián)u臂運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，提升機(jī)構(gòu)由多個(gè)運(yùn)動(dòng)回路組成。

根據(jù)自由度計(jì)算公式，有

式中，n為運(yùn)動(dòng)構(gòu)件數(shù)；PL為低副的數(shù)目；Ph為高副的數(shù)目。在艙門提升機(jī)構(gòu)中，n=12、PL=17、Ph=1。

提升過程中，艙門僅有1個(gè)自由度，艙門提升過程由艙門內(nèi)手柄驅(qū)動(dòng)提升機(jī)構(gòu)繞R3轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，內(nèi)手柄設(shè)置在艙門提升機(jī)構(gòu)上。開啟手柄在艙門提升機(jī)構(gòu)上施加轉(zhuǎn)矩提起艙門，控制艙門向上移動(dòng)。

完成提升后，艙門與止動(dòng)塊接觸后的開啟力矩轉(zhuǎn)換為向前的推力，使艙門繞R6旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)艙門的旋轉(zhuǎn)開啟。

4 艙門旋轉(zhuǎn)開啟尺度約束條件驗(yàn)證試驗(yàn)

為確保艙門在旋轉(zhuǎn)開啟過程中保持平動(dòng)，平行桿機(jī)構(gòu)及鉸鏈臂機(jī)構(gòu)需滿足式（14）尺度約束條件，以圖6所示試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

在試驗(yàn)中，設(shè)置兩平行桿長(zhǎng)度等于艙門旋轉(zhuǎn)半徑l56。其中，圖6（a）所示為艙門鉸鏈臂機(jī)構(gòu)，圖6（b）所示為主鉸鏈在艙門閉合時(shí)的姿態(tài)，圖6（c）所示為主鉸鏈與兩根平行桿在艙門開啟時(shí)的姿態(tài)。

圖6 艙門旋轉(zhuǎn)開啟尺度約束條件驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.6 Validation of scale constraints for aircraft door rotation opening process

式（14）的尺度約束條件可保證在艙門旋轉(zhuǎn)開啟過程中的任意位置，艙門各運(yùn)動(dòng)副軸線之間的連線投影l(fā)1、l2、l3始終平行且相等。試驗(yàn)證明，在把登機(jī)門向外打開過程中，兩個(gè)平行桿和鉸鏈臂形成的艙門開啟機(jī)構(gòu)可保證艙門旋轉(zhuǎn)開啟平穩(wěn)且保持平動(dòng)，如圖7所示。

圖7 艙門機(jī)構(gòu)及艙門旋轉(zhuǎn)開啟始末位置（紅色框代表艙門）Fig.7 Aircraft door mechanism and position of aircraft door rotation opening starting and ending positions(the door is represented with the red box)

5 結(jié)論

（1）針對(duì)側(cè)開式飛機(jī)艙門運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，首次提出以并聯(lián)機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方位特征集（POC）理論，將艙門抽象為由多條支鏈組成的并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)，求得艙門開啟機(jī)構(gòu)自由度及艙門POC集。

（2）根據(jù)艙門POC 集非獨(dú)立運(yùn)動(dòng)元素?cái)?shù)的變化，解析艙門開啟過程運(yùn)動(dòng)模式變化，發(fā)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)模式變化的尺度約束條件。

（3）為揭示艙門模式切換確定性及開啟過程穩(wěn)定性的內(nèi)在特征，從驅(qū)動(dòng)形式和擋塊限位的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)一步解析艙門開啟過程各個(gè)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的幾何約束。試驗(yàn)證明，艙門在旋轉(zhuǎn)開啟過程下始終保持平動(dòng)。該研究為新型飛機(jī)艙門構(gòu)件運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)性及公差帶設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。