1 引言1.1 课题研究背景经过几十年的发展，飞机的发展也经历了很多代的更新换代，在整个飞机中，存在很多零部件，今天，我们所要研究的便是飞机起落架，飞机起落架在整个飞机设备中起到非常关键的作用，在飞机起飞以及降落的过程中，飞机起落架起到稳定的作用，它是唯一一种支撑整架飞机的部件，是飞机不可缺少的一部分，起落架能能吸收飞机在滑行和着陆过程中的震荡和冲击载荷，通过震荡以及冲击载荷，便可以实现飞机在起飞以及降落时的稳定以及安全问题。

纵观飞机起落架的发展历程，由飞机出现的初期的四点式起落架到后来经实践证明的三点式起落架，起落架的发展越来越趋于安全稳定。

三点式的起落架有前三点式跟后三点式，目前还存在一种叫做前三点式起落架，它的主要构造包括两个主轮，飞机后面的重心使得它在进行飞行的过程中起到平衡对称的作用，第三个支点即前轮，位于机身前部；后三点式起落架（如图2）的两个支点即主轮，对称安装在飞机重心的前面，在飞机的后面安置第三个支点。

（图1前三点式起落架示意图）（图2 后三点式起落架示意图）前三点飞机起落架存在着很多便利，首先，在飞机要着陆的情况下，前三点起落架可以保证飞机安全着陆。

飞机在进行着陆时，如果速度过快，，那么在飞机后面轮子接触地面时，则前三点飞机起落架会发挥出自己的优势作用，它会使得飞机不发生蹦跳的现象，这便为飞机的安全着陆上上了一道保险杠，使得飞机的安全系数大大增加了，当有风的时候，它会使得飞机侧着风安全着陆，如果下完雨或者雪的天气，它在进行着陆的情况下，不会产生倒立或者侧翻的危险。

而且它最大的优点可以减少飞机跑道的长度，这样可以减少不少成本。

当然它也存在很多缺点，它的明显缺点便是起落架进行安排时不太灵活，占据空间比较大，留给飞机其他地方空间比较少，它不能很好的利用风的推力来进行起飞，在起飞的过程中，要求飞机起飞跑道必须平整，否则，容易发生一系列的故障，所以在遇到障碍物的情况下，它的应急能力比较差。

后三点式飞机起落架也有很多优点以及缺点，它最明显的优点便是在安装的过程中比较容易一些，比较省事，将它与前三点飞机起落架比较，它的结构以及尺寸等方面都比较简单，在后三点式飞机起落架飞机着陆的情况下，整个飞机的轮子会同时接触地面，这样比较平稳一些，而且可以利用速的阻力来进行飞机着陆时减速，这样可以减少跑道的长度。

整体来说，后三点式飞机起落架安装在飞机上要比前三点式飞机起落架安装在飞机上更加平稳一些。

它也同样存在一些缺点，它的最大缺点便是便是在跑道上不能进行紧急制动，否则容易发生侧翻（俗称拿大顶）。

这种情况下，明显的降低了整个飞机临时处理事故的机动能力。

无论是哪种起落架，它们所起的作用是一致的，都是吸收滑行和着陆过程中的载荷。

飞机起落架承受的外载荷主要有：着陆撞击载荷、滑跑冲击载荷、刹车载荷和地面静态载荷。

（图3）为飞机三点式起落架的着陆撞击载荷示意图：图3 三点式着陆撞击载荷示意图（图4）为飞机的滑跑冲击载荷示意图：图4 滑跑冲击载荷示意图我们通过查阅资料，可以获得一些信息，在上个世界五十年代到上个世纪90年代，喷气式飞机发生了1408起飞行事故。

由于起落架的问题引起的事故占这些事故当中的比例为32.4%，这个比例是非常大的，排在众多事故当中的首位，世界上最大的飞机制造公司波音飞机公司专门进行过一些数据统计，它们根据数据进行分析，得出了一些事故的主要原因便是构的裂纹和疲劳断裂造成的。

很多国家为此做过一些实验，看一下到底问题出现在哪些地方，不同的飞行出现不同的问题2]，很多情况下，随着巨大的冲击波，会使得人的心脏以及心脑血管受不了，所以必须要进行合适的改进来增加飞机的安全以及舒适性能。

我们从其他方面来看待这个问题，在进行缓冲器的设计过程中，必须要从缓冲性能出发，增加起落架缓冲效率，提高起落架的安全性能，能够使得它对于一些冲击波进行吸收以及转化，尽量减少冲击波。

起落架的缓冲装置由轮胎和缓冲器组成。

缓冲原理的实质是：产生尽可能大的变形来吸收撞击动能，来减小物体收到的撞击力；尽快的消散能量，使物体碰撞后的颠簸跳动迅速停止。

起落架缓冲器主要有固体弹簧缓冲器、油液缓冲器和油气式缓冲器等多种类型，而油气式缓冲器是现代飞机的主流造型。

1.2 设计方法在本次飞机起落架缓冲器设计过程中，。

起落架缓冲器设计方法一直是一个受到关注研究课题，即使不计机体柔性而将机体视为刚体，在进行起落架的一些参数设计时，我们通常使用的办法是使用我们以往的经验来设定这些参数，在进行起落架缓冲器设计时，我们应当按照设计出重量小的、结构紧凑、性能好的原则来进行设计，以便我们设计出的缓冲器是具有挑战性的创造工作[3]。

在进行设计的过程中，我们需要对于一些问题进行思考以及验证，主要对于飞机起落架缓冲器过载限制条件进行验证，还需要对于一些参数进行验证，主要是为了设计的简单而且有效果，需要对于一些参数进行校验，选择出合适的参数来进行设计，需要确保设计的简单通俗一下，还需要研究飞机的起飞时间、距离、路程等核心问题。

2 起落架缓冲器的力学模型2.1 起落架缓冲器的力学模型油气式缓冲器是现代飞机最常用的缓冲器，其典型结构如图5所示1—反弹腔；2—油孔支承器；3—空气阀；4—上腔（气体）；5—油；6—油孔；7—上轴套；8—反弹阀；9—限油针杆；10—密封； 11—下轴套；12—活塞13—轮轴图 5 油—气缓冲器结构图当飞机着陆撞击或滑跑时，缓冲器活塞杆受压迫使油液流过油孔进入上腔，一方面引起上腔气体体积变化而改变气体压力，另一方面油液流过油孔形成阻尼力。

缓冲器由于受弯矩作用而使上、下套筒间有摩擦力，缓冲器的设计要求上、下套筒间的摩擦力小于缓冲器轴向力的5%。

参见图6缓冲器力 F 可以表示成=F h P (a i A A -)+a P (p a A A -)+p a A P f F (2-1) 式中 i A 为活塞杆内截面积，a A 为活塞杆外截面积，p A 为限油针杆截面积，h P 为油液压力，a P 为气体压力，f F 为上、下套筒间的摩擦力。

此式也可以写成f h a f p i a h a a F F F F A A P P A P F ++=+--+=))(( (2-2）式中a a a A P F =为缓冲器上腔气体弹力，h F =(a h P P -)(p i A A -)=(a h P P -)h A为缓冲器油孔阻力，其中 h A =(p i A A -)为有效压油面积。

图6 油—气缓冲器原理图2.2 起落架缓冲器的油孔处的阻力缓冲器油孔液压阻力起源于与油液流过油孔时油孔两侧的压力差。

通常情况下油气式缓冲器油孔面积远小于活塞面积（油孔面积为活塞面积的 1%-2%），通过油孔的油液流速及雷诺数都较大。

参见文献[4]，假设油气式缓冲器油液为不可压流体，运用流体运动的连续方程和小孔流量方程，有 )(2a h n d h P P A C s A Q -==ρ(2-3)缓冲器油孔阻力公式h a h h A P P F )(-=可得到缓冲器的油孔液压阻力h F 为 222||)(2||3s ss s A C A s s F n d h h ςρ== (2-4) 式中S为缓冲器行程，ρ为油液密度，p o n A A A -=为有效过油面积（o A 为油孔面积）h A 为有效压油面积，d C 为油孔流量系数，23)(2n d hA C A ρς=为油孔阻力系数。

上式被广泛应用于油气式缓冲器油孔液压阻力的分析计算中。

2.3 起落架缓冲器外筒作用力文献[5]将缓冲器外筒视为刚体，缓冲器上部质量块与下部质量块的运动在着陆过程中的不同时段用不同的动力学方程描述，求解时需要确定分段时间点，在不同时段，采用不同的处理方法，有时采用理论解法，有时采用数值解法，比较麻烦。

文献[6]将缓冲器外筒视为弹性体，着陆过程用统一的动力学方程描述，采用数值解法，方法简明高效。

缓冲器外筒作用力v F 表达式为⎪⎩⎪⎨⎧>-<<≤)()()0(0)0(max max max s s s s k s s s s k F strut strut v S 为缓冲器行程，max S 为缓冲器允许最大行程，strut K 缓冲器外筒变形弹性常数。

3 起落架缓冲器设计3.1 起落架缓冲器设计要求一般的起落架缓冲装置在性能方面应满足以下几点要求：(1）当飞机的缓冲装置已经达到极限的过程中，它需要吸收大量的能量来实现缓冲的作用，需要尽量确保缓冲装置能够接收足够多的缓冲作用力，如果缓冲装置吸收缓冲作用力的能力不够大，那么在飞机进行起飞的过程中，则容易产生一些缓冲作用力，使得飞机飞起来颠簸一些，产生一些不舒适的感觉。

(2）缓冲装置还需要能够处理掉因为缓冲作用力而产生的热量，我们通过查阅资料，不难发现，如果缓冲装置能够越多的吸收热量，那么会使得飞机在起飞与降落的过程中越平稳一些。

(3）缓冲装置在进行压力过程中，应当具备它承受的载荷作用力越来越大，要求它能够将载荷进行转化，如果缓冲装置承受的载荷过小，那么随着时间的增加，飞机的很多其他零部件结构会遭到一定程度的损坏。

(4）缓冲装置还需要能够接收一定力的撞击能力，因为它需要应对一些紧急突发情况，这就需要进行一些相应的设计。

(5）缓冲装置还需要进行一系列的保护装置，因为它会裸露在外部，经常受到风吹日晒，所以为了增加它的使用寿命，需要进行保护装置。

3.2 双气式缓冲器原理双气式缓冲器结构如图7所示，它的工作原理非常简单，当活塞进行上下推动的过程中，使得A 室和C 室的体积变小，而且会让C 油液经过相关的装置系统进入D 室，A 室会有一部分油经过相关的装置进入到B 室，另一部分会经过相关装置流入D 室。

这种情况下会让气体得到压缩，气体的压力由于体积变小而获得增加，这种情况下便会产生一系列的压力能量，由于压力能量的产生，会使得撞击力降低。

而且油由于流动的过程中，产生了一系列的摩擦力，这部分摩擦力会减少一些其他力的产生。

在第一阶段运动过程结束之后，内筒与浮动活塞接触，这个时候飞机产生的下沉动能没有被完全吸收掉和消耗掉，飞机继续下沉，在进行相关的高压气体克服之后，迫使内筒带着浮动活塞一起向上运动，开始减震支柱的第二个行程，由于体积减少的原因，会使得气缸内的压力压强继续增大，于是减震支柱（图8）吸收飞机下沉动能的能力增强，低压油气室的油液继续流动消耗飞机的下沉动能。

减震支柱减少的过程中，由于高低压气室的气体作用力之和大于减震支柱向下的冲击载荷，减震支柱开始伸张。

伸张过程与压缩过程相反。

减震支柱经过若干次压缩和伸张行程后，在进行工作的时候，飞机起落架缓冲装置会吸收一些热量，会使得由于油体流动产生的热量减少，减震支柱会使得震动持续减弱，使得飞机的颤抖越来越弱平稳性获得增强。