研究背景——擺振的產生
由於飛機前輪可以自由迴轉,當飛機滑跑速度超過某一臨界速度時會出現前輪左右劇烈偏擺的自激震盪——擺振。擺振會引起輪胎撕裂,支柱折斷,釀成嚴重事故。
引起擺振的內在原因除前輪可以迴轉外,還有支柱以及機身前段的各種變形,如圖1(a)所示,及機輪受側向力時產生的輪胎變形,如圖1(b)所示。當前輪受到某種擾動而偏轉一個角度後,機輪就離開滑行方向產生的側向偏轉,支柱變形,輪軸隨之傾斜。支柱的彈性恢復力使機輪逐漸轉向原來的運動方向,同時機輪向反方向偏轉。此後機輪的運動路線是一條S形的軌跡,形成周期性的擺振,如圖1(c)所示。當滑行速度超過臨界值,激振力大於阻尼力時,震盪發散,最終造成結構破壞。提高輪胎剛度和增大穩定距,可以提高擺振臨界速度。但過大的穩定距會造成支柱附加彎矩加大,轉彎操縱力困難。而機輪剛度受輪胎材料的限制和減震的要求不可能過大,因此現代高速飛機上一般都裝有減擺器。
起落架減擺器
減擺器用於防止飛機在地面運動時前輪出現擺振現象。由於飛機前輪可以左右偏轉,加之金屬結構的起落架為彈性體,其機輪收到地面摩擦力的作用,如果飛機在直線滑跑中遇到干擾,使前輪偏離原來的運動方向,則前起落架在地面摩擦力和自身彈性力的交替作用下,很可能產生以原來運動方向為軸線的左右偏擺振盪現象。如果飛機滑跑速度較小,這種振盪可自行收斂,不會導致嚴重後果。但如果飛機速度增大到一定值時,這種振盪呈發散趨勢,振幅將越來越大,導致機輪磨損加劇,滑跑方向難以控制,駕駛艙儀表讀數看不清楚,嚴重時可造成起落架結構損壞,危及飛行安全。
為了防止擺振,幾乎所有飛機都在前起落架上安裝了某種類型的液壓式減擺器,作為前輪轉彎系統的一部分。減擺器有活塞式和旋板式兩種類型,其中活塞式套用最廣,小型飛機上幾乎都採用這種類型的減擺器。
活塞式減擺器
活塞式減擺器的構造類似於一個液壓作動筒,所不同的是在減擺器活塞上鑽有若干小孔(圖2)。減擺器的缸筒一般鉸接在前起落架的固定(靜止)結構上,如減震支柱套筒;活塞桿則與可左右偏轉的支柱鉸接。缸筒內充滿了油液。
當前輪左右偏轉時,減震支柱外筒通過一個連桿迫使減擺器活塞桿左右移動,亦即減擺器的活塞要在缸筒內左右移動。因為活塞上開有小孔,所以活塞左右移動必然迫使油液來回流過小孔,產生液體阻尼。操縱前輪轉彎時,因為前輪偏轉速度較慢,活塞移動速度也較慢,油液流過小孔時產生的阻尼很小,不妨礙前輪轉彎操縱。發生擺振時,因為前輪左右高頻率振盪,活塞左右移動的速度很快,所以油液流過小孔時產生很大的摩擦阻尼,阻尼機輪的高速偏擺,同時因油液與小孔摩擦產生大量的熱,也就是將擺振的能力轉換為熱量,並通過減擺器筒壁散失掉,從而有效地減弱或消除擺振。
近年來還出現了免維護的橡膠減擺器,這種減擺器中沒有液壓油,只依靠橡膠活塞與減擺器缸筒的摩擦來耗散擺振能量,損壞後可直接更換。
旋板式減擺器
旋板式減擺器中包括兩組旋板和固定板,把油室分成四部分。前起落架的轉動經傳動機構轉變為旋板的轉動,油室間油液通過旋板上的小孔來回摩擦耗散擺振能量,如圖3所示。