大型客机操纵面轴承安装非标螺栓的定力设计...

2018年11月11日 滚针轴承相关 283 views

作者:王一飞* 周 颖 黄海峰 赵 毅 中国商飞上海飞机设计研究院结构设计研究部 通讯作者:王一飞(1987-)工程师。研究方向:大型客机襟翼结构设计、复合材料设计。

    襟翼、缝翼、副翼、扰流板是航空器上普遍使用的操纵面。而民用飞机的适航要求决定,对操纵面运动机构的可靠性要比军用飞机达到更高的水平。铰链、轴承、滑轨、滚轮、齿轮等在航空运动机构的设计中尤其典型,因此这些机械元件在结构上的安装和调试也有着细致而严格的规定,螺栓定力就是其中一个关键的环节。但由于操纵面运动机构设计非常复杂,为了满足安装、润滑、寿命、偏心、锁紧等功能要求,螺栓往往存在中心孔、注油槽、颈缩、分离式钉头等特征,成为了非标准螺栓。而目前工程文件仅仅对于标准件螺栓有

指导性的定力值要求以供设计和制造参考,远远满足不了实际型号的应用需要。针对这部分无定力参考的非标螺栓的安装,目前国内实际的现状也仅仅是靠工人手感拧紧。而手感拧紧存在固有缺陷:1. 手感拧紧形成的预紧力往往比一般定力更大,虽然保证了螺栓不会松动,但经常容易把某些带孔、槽等特征的、强度较弱的螺栓拧断,或者螺纹拧滑丝,甚至会造成夹层材料的挤压破坏。2. 手感拧紧没有力的量化控制,受人为因素影响太大,导致产品性能分布不均匀,品控稳定性无法保证。目前介绍紧固件定力的文献很多,但往往都是

适用于一般结构的紧固,很少有系统介绍轴承安装螺栓如何定力的研究成果。螺栓强度校核对各种非标螺栓定力值计算方法也缺乏明确而细致的指导意见。

    所以,在大型客机操纵面的各种工况背景下,考虑非标螺栓的各种常见特征,分析和研究非标螺栓的安装定力问题,是一项具有紧迫性和现实意义的工作。通过该研究过程,找出一套实用的定力值计算方法、并形成设计指南,为工程设计人员和制造工艺人员提供参考。

操纵面机构的功能和一般结构形式

    本文所说的大型客机操纵面广义上是指飞机上所有的活动翼面,一方面包括机翼上的缝翼、襟翼等增升装置;另一方面也包括机翼上的副翼、扰流板,尾翼上的升降舵、方向舵等飞行控制面。这些活动翼面由于要在飞机特定工作服役状况下运动以提供特定操控性能,往往配套一些或简单或复杂的机械机构来实现其运动轨迹。对于副翼、扰流板等定轴转动的翼面,仅设计铰链-作动筒机构就能满足其最基本的运动需求,如图1 所示。而对襟翼、缝翼等涉及到转动+ 平动的翼面,通常必须设计一套较为复杂的连杆-滑轨机构,如图2 所示。

    不管是应用上述哪一种机构,作为提供一个低摩擦阻力自由度的元件,轴承是必需的。从功能上区分,现代大型客机活动面上常见的轴承可分为两种:一种是提供多个转动自由度的球面关节轴承;一种是仅提供单轴转动自由度的滚针轴承或自润滑轴承。二者都需要通过机械方法安装在结构件上,只是根据结构具体功能要求,安装方式不同。一种是外圈安装,即通过在结构基座上开孔,将轴承外圈压入孔内并进行冲点或滚压收口固定,而内圈通过螺栓连接运动部件,如单双耳铰(图3);另一种是内圈安装,即通过螺栓将内圈与结构基体固定,留出外圈进行转动,例如滚轮、滑轮(图4)。

图1 扰流板的典型铰链-作动筒机构

图2 偏转后退式襟翼的典型连杆-滑轨机构

图3 外圈固定的典型单双耳铰接机构

图4 内圈固定的滚轮机构

轴承安装螺栓的定力依据

    轴承安装螺栓的主要功能是保证与螺栓内圈的紧固,使得轴承内外圈之间成为主要滑移通道,轴承才能在设计工况下工作。因此,这一原则应该成为定力值的主要依据。对于球面关节轴承主滑移通道应是轴承球体与轴承外环之间的接触面,当主滑移通道失效(如轴承抱死)时,轴承内径与紧固螺栓之间的二级通道应能转动。球面关节轴承有三个转动摩擦力矩,当轴承内外环之间的静摩擦力矩(M3)小于轴承内径与紧固螺栓之间的静摩擦力矩(M2)和轴承内

环端面与衬套之间的静摩擦力矩(M1)之和时,可以确保轴承内外环之间为主要滑移通道,以此原则确定紧固螺栓螺母的安装力矩。

    图5、图6 为对于球面关节轴承和滚针轴承各摩擦面力矩M1、M2、M3 的位置示意图和摩擦半径R1、R2、R3 的示意图。

M1——轴承侧面与衬套端面之间的静摩擦力矩。

M1=2×μ1×R1×T (Nm)

其中μ1承为轴承内环侧面与衬套端面之间的摩擦系数。

μ1=0.1(铝青铜合金/ 钢铁 有润滑)

μ1=0.1(铝青铜合金/ 钢铁 未润滑)

R1 为轴承内环侧面与衬套接触面中点到紧固件螺栓轴线

的距离(m)。

T 为安装力矩产生的紧固螺栓预拉力(N)。

M2——紧固螺栓外径与轴承内径之间的静摩擦力矩。

M2=μ2×R2×P (Nm)

其中μ2承为轴承内径与紧固螺栓外径之间的摩擦系数。

图5 球面关节轴承摩擦面力矩和摩擦半径示意图

图6 滚针轴承摩擦面力矩和摩擦半径示意图

μ2=0.1(钢铁/ 钢铁 有润滑)

μ2=0.07(钢铁/PTFE 未润滑)

R2 紧固螺栓半径(m)。

P 为轴承最大径向使用载荷(N)(机翼操纵面机构往

往是可拆卸运动副,因此大多数轴承与轴的配合为间隙配合,

故此处不考虑形变挤压力产生的摩擦)。

M3——轴承内外环之间的静摩擦力矩。

M3=μ3×R3×P (Nm)

其中μ3 承为轴承内外环之间的摩擦系数。

μ3=0.18(球形自润滑轴承)

μ3=0.1(球形钢铁/ 钢铁润滑轴承)

μ3=0.02(滚动轴承)

R3 为球面轴承球半径或滚动轴承滚子中心半径(m)。

当M3 < M1+M2 时,轴承内外环之间转动,按此确定

紧固螺栓螺母安装力矩;

当M3 > M1+M2 时,轴承内环与紧固螺栓之间转动。

如果轴承没有防转动装置(如卡箍、卡槽等),则轴承

采用夹紧安装方式,轴承侧面的静摩擦力矩加上螺栓外径的

静摩擦力矩最少应比轴承最大静摩擦力矩高1.2 倍。

(M1+M2)=1.2M3

则轴承侧面静摩擦力矩为M1=1.2M3 - M2

紧固螺栓螺母安装力矩产生的预拉力为T=M1/(2μ1R1)

紧固螺栓螺母的安装力矩则为:

其中M 为螺母安装力矩(Nm)

M0 为螺母安装力矩(Nm)

T 为紧固螺栓预拉力(N)

p 为螺纹螺距(m)

d 为螺纹螺距直径(中径)(m)

f 为螺纹摩擦系数=0.13(参考)

f’为垫圈/ 螺母端面摩擦系数=0.13(参考)

上述参数中,M0、T、p、d、A、D、f、f’ 为已知,便可求出紧固件螺栓螺母的安装力矩M。

非标螺栓定力的强度限制

    飞机上用于结构连接的标准螺栓的定力是一般根据螺纹类型、直径、材料、螺纹润滑情况来确定一个范围,因此容易进行分类,根据需要进行手册查找从而确定。但由于大型民机操纵面机构需要满足的特殊功能很多,所以对于轴承安装螺栓来讲,往往不使用标准件而重新设计一个能满足各方面需求的螺栓。这些需求包括但不仅限于润滑、偏心调节、啮合、孔轴配合、安装方向和空间、防松等。由这些功能需求出发,非标螺栓上的几何特征往往包括颈缩、

中心孔、径向孔、圆周槽、轴向槽、分离式钉头、钉尾开孔开槽、花键、偏心等。如表1 所示。因此,在确定具有上述特征的非标螺栓的定力值时,必须限制预紧力大小,以防止螺栓的薄弱部位和截面无法承受而出现屈服甚至断裂。对于非标螺栓的薄弱截面,考虑到分散度的影响,必须确保定力矩在截面上产生的剪应力不得超过80% 材料剪切屈服强度;预紧力在截面上产生的拉应力不得超过80% 的材料屈服强度。参考材料力学对于截面的计算:

各种薄弱截面如表1 所示。有些截面形状比较复杂,在校核扭转强度时可使用平面积分的手段确定极惯性矩p I 和抗弯截面系数p W 。另外,具有花键的螺栓,如果安装时花键承受扭矩,必须校核花键齿根受挤压载荷下的强度。对于偏心螺栓,如果出现偏心距e 大于偏心段半径与对称段半径之差时(即e< R - r),扭矩产生的剪应力会增大,必须进行校核。

计算方法在工程型号的应用实践

① 某型号扰流板悬挂接头轴承安装

    该部件由单双耳通过球面关节轴承连接,实现绕耳片轴线方向的转动自由度和一定的摆动自由度,从而达到扰流板操纵运动和安装调节的目的,如图7。该轴承通过自制螺栓(带有注油中心孔)进行安装,求合理的拧紧力矩值。

    首先从本文第2 节介绍的轴承各滑移通道的摩擦矩关系要求出发,求出螺栓的最小安装力矩值MF = 914(lbf • in),计算如表2(相关参数需要查轴承手册和紧固件标准确定)。然后根据本文第3 节介绍的非标螺栓的强度约束,选择

图8 所示的最薄弱截面,通过表3 计算该螺栓所能承受的最大扭矩1150( ) S M = lbf • in 。则实际采用的定力矩值范围应在二者之间, 即应F S M ≤ M ≤ M 。

② 某型号襟翼滑轮架滚轮安装

该部件通过在滑轨上的滑动实现襟翼的后退动作。该滑轮架具有8 个滚轮,其中2 个上滚轮,4 个下滚轮,2 个侧滚轮。滚轮通过自制螺栓固定在框架上,求各螺栓的安装定力值。首先从本文第2 节介绍的轴承各滑移通道的摩擦矩关系

要求出发,求出螺栓的最小安装力矩值,如表4 所示(相关参数需要查轴承手册和紧固件标准确定)。

图7 扰流板悬挂接头安装示意图

图8 扰流板悬挂接头安装螺栓的薄弱截面

    计算发现,各滚动轴承所需的安装力矩值均为负值。对于此现象的产生,主要是由于滚动轴承的内外圈之间的滚动摩擦系数(通常小于0.02),大大小于滑动摩擦系数,所以造成甚至不需要螺栓夹紧就能确保内外圈之间为主要滑移通道。但得出这个结论的计算条件是在滚轮工作在最大径向载荷下的工况。

    现在考虑另外一种极端:即滚轮侧向载荷为0 时。由于安装螺栓与轴承之间如果有拆卸检查要求,往往轴孔配合为间隙配合或过渡配合。在无载情况下,可以认为贴合面有间隙,不存在摩擦阻力矩,即M2 = 0 . 然而滚轮内外圈之间也有无载启动力矩30 M ,但数值很小。因此这时还是需要对螺母来施加一定的最小拧紧力矩值F M 的,一方面为了夹紧轴承抵消无载启动力矩,另一方面也为了防松考虑。松动会导致螺栓应力状态发生明显变化,甚至螺栓脱落丢失,造成构件的失效。

    当然,按照程序也需要根据本文第3 节介绍的非标螺栓的强度约束,计算该螺栓所能承受的最大扭矩S M ,具体类似示例①中的方法。

但一般的原则是,在满足强度约束的情况下,可尽量施加较大的力矩,因为预紧力对于连接承载是有利的。对于受剪接头,预紧力产生的接触面之间的摩擦力可以减轻紧固件承受的剪力,提高连接可靠性。而预紧力也可减少疲劳载荷

谱中的应力变程,提高疲劳强度。最后,较大的预紧力可以最大程度消除贴合面间隙,对密封性能也有益处。

总结

    根据上面的讨论,可以总结出大型客机操纵面轴承安装螺栓定力设计的一般流程和方法。首先需从保证轴承内外圈主滑移通道的角度出发,通过计算螺栓与内圈、衬套与轴承端面等各处的摩擦阻力矩关系,求出最小安装力矩值F M 。然后对非标螺栓本身进行强度计算,通过计算带有中心孔、轴向孔等薄弱截面的抗扭转强度和抗拉强度,结合比较螺纹的强度,最终确定该非标螺栓的最大许用力矩S M 。则设计安装定力矩范围应在二者之间,即应F S M ≤ M ≤ M 。

    对于滑动轴承,如关节球轴承,按照上述的方法可以得到一个合理的定力矩值范围。对于滚动轴承,定力矩值可以设计的较小,即可保证滚轮的滚动。但从防松、改善接头受力角度出发,可在强度范围内施加尽量大的预紧力。

    本文提供了一种轴承安装非标螺栓的定力设计方法,并展示了在飞机型号上的实际应用。对大型客机操纵面的定力安装的工程实践具有指导意义。

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