不同緩沖參數下平面六桿起落架落震性能研究

馬文瑞，閆 明

(沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110000)

0 引言

旋翼無人機作為一種可垂直起降飛行器，雖然適用范圍十分廣泛，但無法在崎嶇地面進行安全起降工作。平面連桿機構均為低副連接，具有受力特性好、結構簡單、加工成本低的優點[1-3]，因此提出基于平面六桿機構的旋翼無人機自適應起落架。該起落架在著陸時可通過調節不同姿態適應不同降落地形，但是在著陸瞬間，起落架與地面接觸會產生一定沖擊力。為保證無人機安全降落，避免沖擊對無人機以及起落架造成損害，緩沖器是不可或缺的[4]。如果在一些情況下錯誤地使用緩沖器，剛度及阻尼等參數遠遠偏離正常值，輕則降低著陸效率，重則干擾操作、損壞裝備，使無人機無法安全著陸。綜上所述，需對該平面六桿起落架所配備緩沖器的參數進行正確的選擇與設置。

文獻[5]設計了一種具有兩級緩沖系統的新型緩沖作動行走一體化自適應起落架，在多體動力學軟件中建立了帶兩級緩沖器的自適應起落架落震仿真模型，進行了不同著陸速度的落震仿真分析，并根據仿真數據設計了緩沖器參數。文獻[6]對某型艦載機起落架不同下沉速度工況進行了分析，并結合落震試驗數據對流量系數、氣體多變指數進行了計算，為艦載機起落架緩沖器設計提供了重要參考。文獻[7]以某無人機主起落架緩沖器為研究對象，通過動力學仿真軟件建立起落架落震模型，通過仿真分析起落架功量圖、起落架位移變化以及垂向載荷變化，為大下沉速度的起落架緩沖器設計提供了有效參考。上述文獻均考慮了在不同著陸速度下的起落架響應情況，并未給出其不同緩沖參數對起落架響應的影響規律，這在一定程度上影響了緩沖器參數設計的準確性。

為研究起落架著陸時緩沖器的剛度及阻尼對起落架響應的影響規律，本文首先對平面六桿起落架的結構及工作原理進行了介紹，并給出起落架著陸時的地面接觸模型；然后，通過ADAMS動力學仿真軟件對起落架進行不同工況下的落震仿真；最后，通過分析起落架緩沖器的剛度及阻尼對起落架響應的影響規律，確定緩沖器剛度及阻尼的合理取值范圍，從而為平面六桿起落架緩沖器參數設計提供重要依據。

1 起落架落震模型構建

1.1 平面六桿起落架簡介

通過ADAMS多體動力學仿真軟件構建平面六桿起落架落震仿真模型，如圖1所示。平面六桿起落架由機架、驅動電機、制動器、滾珠絲杠、緩沖器、橡膠足墊以及若干碳纖維桿件組成。落震時，由電機轉動使螺母相對絲杠移動，從而改變絲杠所在桿的長度，促使整個機架進行姿態調節，姿態調節完成后，制動器啟動并固定起落架當前姿態。最后，起落架豎直向下做自由落體運動并在緩沖器作用下完成降落。

圖1 平面六桿起落架落震仿真模型

在進行落震仿真時，起落架在足墊距離地面的垂直高度為51 mm時做自由落體運動，此時起落架著陸速度為1 m/s，起落架落震質量為12.5 kg，姿態為完全展開狀態。為研究緩沖器阻尼對起落架響應的影響規律，設置緩沖器剛度為50 N/mm，緩沖器阻尼系數分別為0.5 N·s/mm、0.7 N·s/mm、0.9 N·s/mm、1.1 N·s/mm。為研究緩沖器剛度對起落架響應的影響規律，設置緩沖器阻尼系數為0.9 N·s/mm，緩沖器剛度分別為40 N/mm、50 N/mm、60 N/mm、70 N/mm。最后在不同工況下對起落架機架加速度、機架位移、足墊接觸力進行對比分析，得出緩沖器參數合適的取值區間。

1.2 起落架接觸參數設置

進行起落架單腿落震時，起落架足墊與地面相互接觸，橡膠足墊對起落架會產生一個緩沖作用，當起落架足墊與地面接觸時，會產生垂直于地面向上的彈性力。此外，單腿起落架為懸臂結構，著陸時足墊有向外移動趨勢，因此在接觸位置還會產生切向摩擦力，將兩個作用力求矢量和可得到總接觸力。足墊與地面接觸位置可等效為一個彈簧阻尼模型，如圖2所示。

圖2 足墊與地面接觸簡化模型

足墊與地面的法向接觸力由兩部分組成，一個是橡膠足墊與地面之間相互切入而產生的彈性力，另一個是由相對速度產生的阻尼力，其廣義形式可表示為：

(1)

(2)

其中:Fn為足墊與地面接觸部位的法向接觸力；Kc為接觸表面接觸剛度；δ1為接觸表面法向變形量；e為力指數；Cc為接觸表面阻尼系數；v1為足墊與地面的法向相對速度；R1與R2分別為足墊與地面接觸部分的曲率半徑；μ1與μ2分別為足墊與地面材料的泊松比；Ee1與Ee2分別為足墊與地面材料的彈性模量；n為非線性指數。

在起落架著陸后足墊有向外移動趨勢，因此起落架在著陸時還受到地面摩擦力作用。在起落架足墊與地面接觸時，摩擦力可處于一種粘滯狀態，因此可以將摩擦力接觸模型簡化為切向的彈簧阻尼模型，摩擦力大小與足墊相對于地面的切向速度和位移成正比，方向與兩者相對運動方向相反[8]。當速度與位移趨勢持續增長時，摩擦力超過接觸表面最大靜摩擦力，足墊便克服靜摩擦力相對地面發生相對移動，此時所受摩擦力為滑動摩擦力。摩擦力模型可表示為：

(3)

其中：Ff為足墊與地面接觸部位的切向摩擦力；δ2為接觸表面切向變形量；v2為接觸面兩物體切向相對速度；Ffs為最大靜摩擦力；Ffd為滑動摩擦力。

2 落震仿真結果及分析

2.1 不同阻尼起落架落震仿真

不同阻尼下的機架加速度仿真結果如圖3所示。由圖3可知：其加速度響應與緩沖器阻尼系數成反比，阻尼系數越大，加速度響應峰值越小，起落架所需平穩時間越短；當阻尼系數為1.1 N·s/mm時，起落架最大加速度為19.3 m/s2，此時起落架所受沖擊最小且能夠在0.7 s時達到靜止狀態；當阻尼系數為0.5 N·s/mm時，起落架最大加速度響應為29.1 m/s2，在0.3 s時出現起落架著陸后再次起跳現象，最終在1.5 s時達到靜止狀態。

不同阻尼下的機架位移仿真結果如圖4所示。由圖4可知：機架質心最大位移與緩沖器阻尼系數成反比，阻尼系數越大，著陸過程中機架質心最大位移越??；當阻尼系數為1.1 N·s/mm時，起落架最大位移為28.4 mm，相比其他工況，此時起落架機架質心位移最小。

不同阻尼下的機架足墊接觸力仿真結果如圖5所示。由圖5可知：最大接觸力與緩沖器阻尼系數成反比，阻尼系數越大，足墊處最大接觸力越??；當阻尼系數為1.1 N·s/mm時，起落架最大接觸力為341.8 N；當阻尼系數為0.5 N·s/mm時，起落架最大接觸力為561 N，在0.3 s時出現起落架再次起跳現象，起落架足墊與著陸塊之間無接觸，此時接觸力為0 N，最終在1.5 s時達到靜止狀態。

圖3 不同阻尼下的機架加速度 圖4 不同阻尼下的機架位移 圖5 不同阻尼下機架與地面接觸力

將不同阻尼的起落架機架加速度、機架位移及接觸力進行總結，如表1所示。由表1可知：阻尼越大，起落架機架最大沖擊加速度越小、機架最大位移越小、足墊接觸力越小。這表明當緩沖器阻尼越大時，起落架著陸時所受沖擊越小，并且可在更短的時間內完成起落架著陸工作。綜合考慮起落架實際工作環境，所選緩沖器阻尼系數在0.9 N·s/mm～1.1 N·s/mm之間最為合適。

表1 不同阻尼下起落架機架響應參數

2.2 不同剛度起落架落震仿真

不同剛度的起落架機架加速度仿真結果如圖6所示。由圖6可知：機架質心加速度響應與緩沖器剛度成正比，剛度越小，加速度響應峰值越小，起落架落震后所需平穩時間越短；當剛度為40 N/mm時，起落架質心處最大加速度為18.8 m/s2，此時起落架著陸時所受沖擊最小，并且能夠在0.7 s時達到靜止狀態；當剛度為70 N/mm時，起落架最大加速度響應為33.2 m/s2，在0.3 s時出現起落架再次起跳現象，最終在1.2 s時達到靜止狀態，此時起落架著陸后所需穩定時間最長。

不同剛度的機架質心位移仿真結果如圖7所示。由圖7可知：機架質心位移響應與緩沖器剛度成反比，剛度越小，最大位移越大，起落架所需平穩時間越短;當剛度為40 N/mm時，起落架最大位移為31.5 mm，此時起落架機架處位移最大;在剛度為60 N/mm時，其機架位移曲線在第二處峰值接近于0 mm，此時起落架處于剛好未出現再次起跳現象的邊緣。

在不同剛度下的機架足墊接觸力仿真結果如圖8所示。由圖8可知：最大接觸力與緩沖器剛度系數成正比，剛度越小，足墊處最大接觸力越小;當剛度為40 N/mm時，起落架最大接觸力為369.6 N，此時起落架足墊處所受沖擊力最??；當剛度為70 N/mm時，起落架足墊最大接觸力為534.5 N，在0.2 s時出現起落架再次起跳現象，此時起落架足墊與著陸塊無接觸，因此0.2 s～0.3 s時接觸力為0 N，最終在1.2 s時達到靜止狀態。

圖6 不同剛度下的機架加速度 圖7 不同剛度下的機架位移 圖8 不同剛度下機架與地面接觸力

將緩沖器在不同剛度下的起落架機架質心加速度、機架質心位移及足墊接觸力進行總結，如表2所示。由表2可知：剛度越大，起落架機架處最大沖擊加速度越大、機架最大位移越小、足墊接觸力越大。這表明當緩沖器剛度越小時，起落架著陸時所受沖擊越小，并且完成起落架著陸工作時間更短，此時起落架的落震性能更優秀。但是剛度越小時，機架最大位移也越大。因此綜合考慮起落架落震性能、機架位移與起落架實際情況，所選緩沖器剛度在50 N/mm～60 N/mm為最好。

表2 不同剛度下起落架機架響應參數

3 結論

本文通過ADAMS多體動力學仿真軟件，針對平面六桿無人機起落架構建了落震仿真模型以及地面接觸模型，并進行落震仿真，考慮了該起落架在著陸速度為1 m/s時，緩沖器在不同阻尼、不同剛度時對起落架落震響應的影響規律，得出其緩沖器阻尼在0.9 N·s/mm～1.1 N·s/mm之間最為合適，緩沖器剛度在50 N/mm～60 N/mm最為合適，這為后續進行起落架緩沖器參數設計提供了重要依據。