基于电磁阻尼器的全电起落架减摆性能研究

２０１７年２月　机械设计与制造工程　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｆｅｂ．２０１７　Ｖｏ１．４６　Ｎｏ．２　第４６卷第２期　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－５０９Ｘ．２０１７．０２．００４　基于电磁阻尼器的全电起落架减摆性能研究　夏昊天　，张　明　，肖　杰　，蔡佳圻　．，吴　昕　，朱　莹　（１．南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室，江苏南京（２．中航工业西安飞行自动控制研究所，陕西西安７１００６５）　２１００１６）　（３．航空机电系统综合航空科技重点实验室，江苏南京２１　１　１００）　摘要：以某型无人机为研究对象，参考现有起落架前轮转弯的结构形式，设计了一种齿轮式全电　转弯机构及相应的电磁阻尼器。分析了电磁阻尼器的结构，并推导了电磁阻尼器工作时所产生　的阻尼力矩。基于ＬＭＳ　Ｉｍａｇｉｎｅ．Ｌａｂ　ＡＭＥＳｉｍ软件平台建立了全电起落架前轮减摆仿真模型，验　证了电磁阻尼器的减摆功能，分析了不同阻尼系数工况下前轮摆角随时问的变化情况，确定了临　界减摆阻尼系数的大小。研究了减摆工况下，电磁阻尼器对摆振偏角、偏角角速度等参数的影　响，并在此基础上改进了电磁阻尼器的参数。　关键词：电磁阻尼器；全电；减摆；阻尼力矩　中图分类号：Ｖ２２６　文献标识码：Ａ　文章编号：２ｏ９５—５０９Ｘ（２０１７）０２—００２２—０５　随着机电技术的发展，国外提出了“更多或者　全电”的设计理念　Ｊ。目前飞机所采用的混合系　面具有显著优势　引。鉴于电磁阻尼器的优越性　能，目前普遍应用于汽车悬挂系统、空间对接机构、　统存在固有缺陷，导致检修率较高，占飞机总检修　量的５０％以上　Ｊ。而全电系统可以降低全机系统　质量和成本，提高飞机的维护性以及可靠性，因此　飞机前轮转弯系统未来的发展趋势是全电转弯。　全电转弯机构方案的实施取决于能否将电作动转　换为转弯及减摆功能。目前国外科研机构已经开　高铁制动系统、机械传动系统等工程领域。因此有　必要开展针对电磁阻尼器应用于全电起落架的研　究，推进多电技术在航空领域的工程化应用。　ｌ齿轮传动式全电转弯机构及电磁阻尼器　的结构方案设计　全电起落架前轮转弯机构包括传动部件、动力　源以及其他部件，如图１所示。转弯操纵的动力来　源于伺服直流电机，传动部件采用齿轮传动机构；　其他部件包括离合器、减速器、电磁阻尼器、传感器　展了全电转弯的研究探索，基本实现了转弯功　能　Ｊ。由此可知，全电前轮转弯机构减摆功能的　研究符合未来的发展趋势，应用前景广阔。　在飞机起飞和着陆滑行阶段，飞机前起落架机　轮可能会出现一种偏离其中心位置的剧烈振动，称　之为摆振＿４】。目前，解决飞机起落架摆振现象最　为有效的应对措施是安装减摆器　Ｊ。减摆器能使　大部分飞机消除摆振或改善摆振问题。除了部分　小飞机以及直升机尾起落架安装干摩擦式阻尼器　以外，现代飞机大多采用油液式减摆器。与传统的　摩擦阻尼器、油液阻尼器相比，电磁阻尼器在产生　阻尼力的过程中，转子盘和定子盘不发生接触，对　电磁阻尼器的材料属性不会产生影响；另外，电磁　阻尼器在维护、环境保护、使用寿命、结构原理等方　收稿日期：２０１６—１２一ｏ９　图１传动机构方案设计　基金项目：航空科学基金资助项目（２０１４２８５２０２５）；南京航空航天大学研究生创新基地（实验室）开放基金资助项目（ｋｔ￣ｊ２０１５０１０３）；中央高　校基本科研业务费专项资助基金　作者简介：夏昊天（１９９２一），男，江苏南通人，南京航空航天大学硕士研究生，主要研究方向为飞行器起落装置设计技术。　・２２・　２０１７年第４６卷　机械设计与制造工程　化为磁路来计算。为了便于分析和计算，以相邻的　两磁极为研究对象，如图５所示。　一图５磁路示意图　　磁路的总磁阻　Ｒ　＝Ｒ神＋Ｒ　１＋Ｒ　（６）　式中：Ｒ神为磁通通过转子盘的磁阻；Ｒ　。为磁通通　过气隙的磁阻；　为磁通通过电磁铁铁心的磁　阻。　因为转子盘和铁心都采用了高磁导率材料，所　以与气隙的磁阻相比，它们的磁阻很小，可以忽略　不计，因此磁路中的总磁阻可以近似为气隙的磁　阻，即：　Ｒ　Ｒｍｌ＝ｔ　ｔｏＳｐ　（７）　式中：　是气隙的间距；　是真空的磁导翠，职　＝　４７ｒ×１０～Ｈ／ｍ；Ｓ。为电磁铁的截面积。　磁路的磁势占＝ＮＩ，磁路的磁通量　乏，则　磁感应强度　＝　＝了Ｎｌｌｚｏ，其中：Ⅳ是励磁线圈的　匝数；，是线圈中电流大小。　将Ｂ：　代入式（４）中，则有：　：一坐　（８）　２　由于有前后２块转子盘以及定子上安装有８　个电磁铁，最终的阻尼力矩应该是：　Ｊ　：　——————　—————　ｎ，　　（９）　３　电磁阻尼器的性能仿真　３．１　建立前轮减摆仿真模型　前轮减摆功能的实现：首先断开离合器，输入　信号不再控制前轮转弯机构，同时电磁阻尼器通电　激活，当机轮发生摆振现象时，电磁阻尼器将随之　产生电磁阻尼力矩以消除起落架的前轮摆振。如　图６所示，在ＡＭＥＳｉｍ中建立简化模型，通过扭簧　模块来模拟飞机地面滑跑过程中轮胎的回正力矩，　通过分段式线性函数模块和信号一力矩转换模块　・２４・　来模拟飞机在地面滑跑过程中地面对前轮轮胎作　用的冲击载荷。　图６前轮减摆仿真模型　本文将减摆器简化为线性阻尼元件，以阻尼系　数与角速度的乘积代替阻尼力矩。减摆阻尼力矩　添加在与电磁阻尼器相连的小齿轮上。　根据表１的相关机轮参数，计算前起落架机轮　的回正力矩刚度。　裹１前起落架机轮参数　项目　数值　外形尺寸（外径、内径、宽度）／ｍｍ　２００・１２５—９０　压缩量／ｍｍ　３３．６　断面宽度／ｒａｍ　１２５　偏航系数　１　实际充气压力／ＭＰａ　Ｏ．６　额定充气压力／ＭＩＣ　ａ　０．６　【１．２吾一ｓ．８（吾）　１・Ｃｏ（Ｐ＋　Ｐｒ／～Ｖ　：　）　吾　ｏ８７　５　（１０）　（０．０６７　４－ｏ．３４吾）．ｃｃ（Ｐ＋　０．４４Ｐ　）　吾＞０．０８７　５　式中：Ⅳ　为转向刚度，Ｎ・ｍ／（。）；６为机轮压缩　量，ｍｍ；Ｄ为机轮外直径，ｍｍ；Ｗ为机轮最大宽　度，ｍｍ；Ｐ为机轮实际充气压力，ＭＰａ；Ｐ　为机轮额　定充气压力，ＭＰａ；Ｃ　为机轮偏航系数，取决于机　轮类型，按照所给参数机轮类型为Ⅷ，取１。　经过计算得到前起落架机轮的回正力矩刚度　＝３９５．８２Ｎ・ｍ／（。）。　２０１７年第２期　夏吴天：基于电磁阻尼器的全电起落架减摆性能研究　３．２仿真分析　ｌ０ｏ　在前轮减摆仿真模型中，首先通过不断调整路　面冲击载荷的大小，使飞机前起落架产生初始摆　角；然后针对前轮起落架发生５。摆角的工况。开展　相关仿真分析。　童器　Ｉ一前轮摄量舟避度Ｅｒ／ａ￣．ｎ．］Ｉ　塞２４０　萋曩　－舡　……．ｎ　ｌ二：　ｒ　…ｒ　…儿ｉ，｝；　……　　Ｉ　ｆ．Ｕ　．　二　…Ｌ……　ｌ　腭～“　：　：　三Ｉ＿　蔓　＿　ｉ　二　Ｉ　：　羔．　。　：　目前各类设计规范和手册对于摆振的判定依　据还没有确定统一的标准。本文采用国军标　ＧＪＢ５０９７—２００２（飞机前起落架防摆设计要求》中　８０　时问（１）　图９摆角角速度随时间变化曲线　的要求——“前轮防摆系统应该提供足够的阻尼　特性，且所提供的阻尼可使外界干扰所引起的前轮　摆动在３个周期后，其振幅衰减到初始扰动的１／４　或更小。”＿９　作为摆振的判定依据。　图７所示为不同阻尼系数工况下前轮摆角随　时间变化曲线。从图中可以看出，当减摆阻尼系数　取２时，第３个周期振幅约为第１个周期的１／４，此　时即为摆振绝对临界稳定状态；当阻尼系数小于２　时，前轮转弯系统为欠阻尼系统，需要更多的时间　才能恢复到稳定状态。因此为了确保飞机可以安　全可靠地在地面机动以及及时地消除摆振现象，减　摆阻尼系数应当大于２。　５　４　ｌ．．…　攥艟尼系数款１时的攉角Ｉ　３　！　≥…“　…　…　｝　ｒ二茎　叮酮琢用ｒ　—２　蓉　ｒ“ｒ　……ｒ……　…“　ｌ　……．　糍０　置寿　纛　主　：　…　…　～…　……　……　・１　．２　ｉ｜．ｉ…黟蓼二ｊ　……　¨．　．　ｊ……　…　…　喜……．．．　…．；…　　－３　……　叠　ｌ　…‘’　……　……　…　…　……　…　时闻（｜）　图７不同阻尼系数工况下前轮摆角随时间变化曲线　以减摆阻尼系数设为３．ＯＮ・ｍ・ｓ／ｒａｄ时为　例，各典型摆振参数随时间的变化曲线如图８～ｌ０　所示。　６　５　４　｝＿一搀角【。】ｌ　—３　２　糍１　＾　０　．＾，’　．１　Ｊ　Ｖ　Ｖ　ｌ　．２　．３　Ｉ　时向（ｓ）　图８摆角随时间变化曲线　２０ｏ　１５０　ｆ　置埋田最　罄ｒＩ－１ｆ　１００　与　捌５Ｏ　翟　０　Ａ＾，　＾．　饕．５０　ｊ　Ｖ　Ｖ　ｆ　－ｌ０ｏ　・１５０　时间（薯）　图ｌＯ减摆阻尼力矩随时间变化曲线　当飞机地面滑行遭遇障碍物时，障碍物对前轮　施加瞬时的侧向激励，使前轮发生摆振现象，产生　摆角。此时电磁阻尼器开始工作产生阻尼力矩，摆　角在激励瞬间达到最大值后随着时间的推移迅速　收敛，其他参数也都相应地衰减，达到了防止摆振　发生的目的。因此，在此防摆阻尼力矩作用下，摆　振是稳定的，电磁阻尼器在全电式前轮转弯机构中　可以达到预期的减摆效果。　以减摆阻尼系数３．ＯＮ・ｍ・ｓ／ｒａｄ为改进指　标，依据式（９）并结合全电起落架实际的安装结构　形式，针对电磁阻尼器的尺寸参数进行了改进（见　表２）。　裹２电磁阻尼器改进参数　项目　数值　转子盘内半径／ｍｉｌｌ　４１　转子盘外半径／咖　１９　转子盘厚度／ｍｍ　５　气隙宽度／ｍｍ　１　线圈匝妻　匝　ｌ　２０ｏ　４结束语　本文针对未来飞行器全电化的发展趋势，设计　起落架全电转弯及减摆机构，推出了齿轮传动式全　电转弯机构及配套的电磁阻尼器，可以高效节能地　完成机动转弯及减摆任务。文中采用理论推导的　方法计算电磁阻尼器的阻尼力矩，并充分考虑了涡　・２５・　２０１７年第４６卷　机械设计与制造工程　ｎａｕｔｉｃａｌ　ｓｃｉｅｎｃｅｓ，１９５４，２１（１２）：７９３—８０８．　流的集肤效应以及气隙磁感应强度的影响。同时　借助于摆振动力学仿真，改进了电磁阻尼器的参数　设计，更有效地改善了减摆性能。　参考文献：　［１］朱新宇，彭卫东．多电飞机及其技术应用［Ｊ］．中国民航飞行　学院学报。２００７。１ｇ（６）：８一ｌＩ．　陈大伟，顾宏斌．起落架摆振控制及试验研究综述［Ｊ］．飞机　设计，２０１１。３１（２）：３８－４１．　寇宝泉，金银锡，张赫，等．电磁阻尼器的发展现状及应用前　景［Ｊ］．中国电机工程学报。２０１５。３５（１２）：３１３２—３１４３．　罗松林．基于ＭａｘｗｅｌＤＤ的电涡流缓速器理论研究［Ｄ］．武　汉：华中科技大学。２０１２．　ＶＥＮＫＡＴＡＲＡ．ｒＮＡＭ　Ｋ．ＲＡＭＡＣＨＡＮＤＲＡ　Ｒ　Ｄ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　［２］ＬＥＳＴＥＢ　Ｆ．Ｂｅｙｏｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｒｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ａｉｒｃｒａｆｔ［Ｊ］．Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ａ．　ｍｅｒｉｃａ，２００５，４３（９）：３５—４ｏ．　ｅｄｄｙ—ｃｔｍｅｎｔ　ｂｒａｋｅｓ　ｗｉｈｔ　ｎｏｎｍａｇｎｅｔｉｃ　ｒｏｔｏｒｓ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆｔｈｅ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｌｃｔｅｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，１９７７，１２４（１）：３７—　７１．　［３］ＬＯＲＤＡＮＩＤＩＳ　Ｇ。ＤＥＬＬＡＣ　Ｓ．ＤＲＥＳＳ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｎｄａｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｎ０８ｅ　ｗｈｅｅｌ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｓａｅ　ｌｎｔｅｒｎａ．　ｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅ，２００９，２（Ｉ）：４６—５３．　诸德培．摆振理论及防摆措施［Ｍ］．北京：国防工业出版　社。１９８４．　［４］ＭＯＲＥＬＡＮＤ　Ｗ．Ｔｈｅ　ｓｔｏｒｙ　ｏｆ　ｓｈｉｍｍｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｅｒｏ－　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｈｉｍｍｙ　ｐｅｒｆｏｍａａｃｅ　ｏｆ　ｌｌ——ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ａｌａｎｄｉｎｇ　ｇｅａｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｌｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｅｃ　ｄａｍｐｅｒ　ＸＩＡ　Ｈａｏｔｉａｎ　，ＺＨＡＮＧ　Ｍｉｎｇ　，ＸＩＡＯ　Ｊｉｅ‘，ＣＡＩ　Ｊｉａｑｉ　，ＷＵ　Ｘｉｎ　，ＺＨＵ　Ｙｉｎｇ　１ｊ（１．Ｔｈｅ　Ｄｅｆｅｎｓｅ　Ｋｅｙ　Ｉａｈｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ａｉｒｃｒａｆｔ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　，Ｊ，Ｊ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００１６，Ｃｈｉｎａ）　（２．ＡＶＩＣ　ｘｉ，ａｎ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｘｉ　Ｘｉｈｎ，７１００６５，Ｃｈｉｎａ）　（３．Ａｖｉａｔｉｏｎ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｎ　Ａｅｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｎａｎｊｉｎｇ，２１　１　１００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｉ￣ｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｔｙｐｅ　ｆ　ｏｕｎｍａｎｎｅｄ　ａｅｒｉａｌ　ｖｅｈｉｃｌｅ，ｉｔ　ｄｅｓｉｎｓｇ　ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ａｌｌ—ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｌａｎｄｉｎｇ　ｇｅａｒ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｄａｍｐｅｒ，ｗｉｔｈ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｔｏ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｎｏｓｅ　ｗｈｅｅｌ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｉｎ－　ｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｄａｍｐｅｒ　ａｎｄ　ｄｅｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｔｏｒｑｕｅ　ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｂｙ　ｈｅ　ｅｌｔｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ－　ｉｃ　ｄａｍｐｅｒ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＬＭＳ　Ｉｍａｇｉｎｅ．Ｌａｂ　ＡＭＥＳｉｍ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｉｔ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ　ｔｈｅ　ｓｈｉｍｍｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｌ—ｅｌａｅｃｔｒｉｃ　ｌａｎｄｉｎｇ　ｇｅａｒ　ａｎｄ　ｖｅｒｉｉｆｅｓ　ｔｈｅ　ｓｈｉｍｍｙ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｅ　ｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｄａｍｐｅｒ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｆ－　ｆｅｒｅｎｔ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ，ｉｔ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｏｓｅ　ｌａｎｄｉｎｇ　ｇｅａｒ　ｓｗｉｎｇ　ａｎｇｌｅ　ａｎｄ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ　ｔｈｅ　ｖａｌｕｅ　ｆ　ｃｒｉｏｔｉｃａｌ　ｓｈｉｍｍｙ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｄａｍｐｅｒ　ｏｎ　ｓｈｉｍｍｙ　ａｎｇｌｅ，ａｎｇｕｌｒ　ｖｅｌａｏｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｄａｍｐｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｄａｍｐｅｒ；ａｌｌ—ｅｌｅｃｔｉｃ；ｓｈｉｒｍｍｙ；ｄａｍｐｅｒ　ｔｏｒｑｕｅ　・２６・