Особенности конструирования цельноповоротного оперения

 

Конструктивно-силовая схема цельноповоротного горизонтального оперения (ЦПГО) в значительной степени зависит от положения и способа установки оси вращения, что в первую очередь определяется компоновкой фюзеляжа, его свободными объемами и стремлением уменьшить шарнирный момент (М_Ш) стабилизатора с целью облегчения исполнительного механизма привода управления. Все имеющиеся конструктивно-силовые схемы ЦПГО можно практически свести к двум основным вариантам (рис.4).

В варианте I ось жестко заделана в стабилизаторе и как бы является его продолжением. Ось опирается на подшипники, вмонтированные в силовые шпангоуты фюзеляжа. Для прохождения оси в фюзеляже требуются соответствующие свободные объемы.
Привод стабилизатора осуществляется от качалки, закрепленной на оси, или на бортовой нервюре стабилизатора.

В варианте II ось заделана в фюзеляже. Подшипники устанавливаются в стабилизаторе. Качалка привода управления устанавливается на бортовой нервюре.

Рассмотрим распределение нагрузок между осью и стаби­лизатором в вариантах I и II. Для упрощения распределен­ную нагрузку заменяем рав­нодействующей силой , приложенной в центре давле­ния стабилизатора. Схема на­гружения оси и стабилизатора в варианте I может быть пред­ставлена как балка на двух опо­рах (рис.4), которыми яв­ляются подшипники, расположенные в фюзеляже.

 

 

 

Рис. 4

 

Опорные реакции (радиальные нагрузки на подшипники) определяются выражениями:

От шарнирного момента, передаваемого установленной на оси качалкой, ось догружается силой

R_ш = М_ш/t. Реакции в опо­рах от действия этой силы дают дополнительную нагрузку на подшипники _ш1 и _ш2 и догружают ось.

Подшипники надо выбирать на суммарную нагрузку, т. е.

.

Если качалка расположена на бортовой нервюре, то ось до­гружается через бортовую нервюру силой

R'_ш = М_ш/т, где т — плечо качалки (до центра оси). Нагрузки на подшипники в этом случае догружаются силами

и .

Эти дополнительные реакции могут догружать или разгружать подшипники в зависимости от знака шарнирного момента. При выборе подшипников их надо учитывать.

Опасным сечением при расчете на прочность оси будет сечение у первого подшипника, где на ось действуют перерезывающая сила Q = Y_г.о или во втором случае Q = Y _г.о + R'_ш; изгибаю­щий момент

; крутящий момент М_кр = Y _г.о е, где е — расстояние от центра давления до оси вращения.

Сечение оси подбирается по эквивалентным напряжениям

 

Для уменьшения потребного сечения оси надо стре­миться устанавливать первый подшипник как можно ближе к борту стабилизатора, уменьшая расстояние b, а следовательно, и изгибающий момент, действующий на ось. С этой целью шпан­гоут, в котором устанавливается первый подшипник, выполняют с клыком, заходящим в тело стабилизатора. В конце клыка запрессовывается подшипник. Такое решение позволяет свести к нулю размер b и облегчить ось.

Так как по всей длине от бортовой нервюры до качалки при­вода стабилизатора ось работает на кручение, то ее приходится выполнять большого диаметра. Это вызвано не столько условиями прочности, сколько условиями жесткости. Уменьшение диаметра оси, работающей на кручение, может привести к увеличению углов ее закручивания, что неблагоприятно скажется на деформациях системы управления (появится как бы дополнительный люфт в системе управления). Для облегчения оси качалку следует рас­полагать ближе к борту стабилизатора или, что самое выгодное, на бортовой нервюре, полностью разгружая ось от кручения. При этом, помимо выигрыша в массе оси, можно получить еще допол­нительный выигрыш за счет уменьшения диаметра подшипника в опоре 2. В случае оси, работающей на кручение, при сравни­тельно небольшой радиальной нагрузке, из-за большого диаметра оси диаметр подшипника приходится брать излишне большим.

При проектировании оси необходимо учитывать посадочные места под подшипники. Внешние обоймы подшипников запрессо­вываются в усиленных шпангоутах. Для предотвращения смещения стабилизатора в продольном направлении в одной из опор необходимо ставить радиально-упорные подшипники, воспринимающие осевые усилия.

Из соображения надежности и живучести рекомендуется иметь отдельные приводы управления для каждой консоли стабилиза­тора, что обычно и выполняется. Но в отдельных случаях, если

ось стабилизатора расположена перпендикулярно оси фюзеляжа, может быть целесообразно продлить ось стабилизатора на всю ширину фюзеляжа с установкой всего двух опор (подшипников) в шпангоуте по бортам фюзеляжа. Привод в данном случае будет один общий на обе консоли. Такое решение позволяет получить экономию в массе за счет уменьшения числа опор с четырех до двух и облегчения шпангоута, так как изгибающий момент двух кон­солей замыкается на оси внутри фюзеляжа.

В силовой схеме варианта II (см. рис.4) стабилизатор уста­навливается на подшипниках как на двух опорах. Ось, заделанная в фюзеляже, нагружается через подшипники нагрузками

и

Кроме того, ось догружается реакцией от шарнирного момента. В зависимости от способа подхода тяги к качалке управления,

или .

Реакция, догружающая подшипники, передаваясь на ось, вы­зывает действующие на ось дополнительные перерезывающую силу и изгибающий момент.

Расчетным сечением для оси является место заделки ее в фю­зеляже с нагрузками:

или ,

где М_ш = (вся реакция приходится на второй под­шипник).

Эпюры моментов и перерезывающих сил по оси и стабилизатору приведены на рис.4.

При выборе расстояния b между подшипниками следует руко­водствоваться следующими соображениями.

1. Изгибающий момент у бортовой нервюры равен М₂ = Y_г.о (а + b) вне зависимости от того, передается ли он стаби­лизатором (т. е. подшипники отсутствуют) или осью. При наличии подшипников большая часть момента в корневом сечении будет передаваться не конструктивными элементами стабилизатора, а осью (см. рис.4). Очевидно, что момент инерции сечения трубы (оси) значительно меньше момента инерции сечения стабилизатора, сконструированного с массами, далеко разнесенными от нейтраль­ной оси, что является оптимальным для восприятия изгибающего момента. Следовательно, потребная масса оси для восприятия из­гибающего момента будет весьма значительной.

Кроме того, из конструктивных соображений и условий жесткости нельзя свести к нулю площади сечения элементов стабилизатора, полностью разгруженных от изгиба у борта. Это также увеличивает суммарную массу конст­рукции. Следовательно, выгодно дольше использовать стабили­затор для восприятия изгиба, выполняя ось короче с минимальным разносом подшипников.

2. Как было приведено выше, реакция второго подшипника , а так как а + b=const, то чем меньше расстоя­ние b, тем больше расстояние а и реакции и .

 

 

Поэтому с уменьшением размера b величина реакций возрастает, также увеличивается перерезывающая сила, дейст­вующая на ось, увеличиваются потребные ее габариты и размеры подшипников. Отсюда можно прийти к выводу, что при заданной строительной высоте стабилизатора максимальный размер b ме­жду подшипниками будет определяться из условия возможности установки подшипников в заданном обводе стабилизатора.

При заделке оси в фюзеляже надо учитывать, что изгибающий момент, действующий на ось, подходит под углом к борту фюзе­ляжа. Для его восприятия заделку оси в фюзеляже надо разно­сить или в виде двух опор на двух шпангоутах фюзеляжа с удли­нением оси, или, если объем фюзеляжа занят, проектировать ось с изломом вдоль борта (рис.5).

 

 

 

Рис. 5 Рис. 6

 

При первом способе заделки изгибающий момент передается в виде пары сил в точках А и В. Наибольшая нагрузка на ось при этом будет в сечении около опоры А, она равна моменту

и перерезы­вающей силе , к этим величинам еще могут добавиться составляющие Р_ш и момент М от восприятия шарнирного мо­мента. К опоре В изгибающий момент, действующий на ось, стано­вится равным нулю, в связи с этим сечение оси от точки А к точке В можно постепенно уменьшать. Наибольшее усилие, передаваемое опорой А, определяется выражением В опоре В усилие , где l — расстояние между опорами А и В.

При втором способе заделки оси в точке А на шпангоут дол­жен быть передан момент М₁поэтому узел А необходимо выпол­нить с двумя проушинами, как показано на рис.5. Ось после излома должна передать на шпангоуты в точках А и В пару сил:

Конец излома оси крепится к следующему шпангоуту фюзе­ляжа шарнирно (узел В), и в нем может быть поставлен подшип­ник, воспринимающий только радиальную нагрузку.

Выбор положения оси вращения по хорде в обоих вариантах обусловливается:

а) стремлением к уменьшению шарнирного момента с целью облегчения силового привода системы управления.

б) использованием максимальной строительной высоты опе­рения с тем, чтобы ось (для схемы I) (см. рис.5) и подшипник и ось (для схемы II) могли вписаться в обводы стабилизатора при наибольшем значении их параметров. С учетом этих соображений для стреловидного (трапециевидного при виде в плане) стабилизатора выгоднее будет наклонная ось вращения (рис.6,а), проходящая по постоян­ному проценту хорд, соответствующему 0,37 b_ср. Для треуголь­ного оперения выгоднее располагать ось пер­пендикулярно к оси фюзеляжа, так, чтобы она пересекала сред­нюю хорду стабилизатора на координате

0,37 b_ср (рис.6,б).

В качестве примера простейшей конструктивно-силовой схемы стабилизатора, выполненного по варианту I рассмот­рим схему установки оси, приведенную на рис.7.

Ось 3 (рис.7,а) вращается в подшипниках (1 и 4), запрес­сованных в шпангоутах фюзеляжа. Качалка привода стабилиза­тора 2 установлена на оси. Подшипник 1 — радиально-упорный, подшипник 4 — игольчатый. Для устранения продольных люф­тов на конце оси имеется гайка 5, а для устранения радиальных люфтов игольчатый подшипник 1 посажен на разрезную конус­ную втулку, которая затягивается специальной гайкой.

 

Рис. 7 Рис. 8

 

Ось 3 (рис.7,а) вращается в подшипниках (1 и 4), запрес­сованных в шпангоутах фюзеляжа. Качалка привода стабилиза­тора 2 установлена на оси. Подшипник 1 — радиально-упорный, подшипник 4 — игольчатый. Для устранения продольных люф­тов на конце оси имеется гайка 5, а для устранения радиальных люфтов игольчатый подшипник 1 посажен на разрезную конус­ную втулку, которая затягивается специальной гайкой.

На рис.8,а приведена еще одна конструктивная схема ста­билизатора варианта I с осью, полностью разгруженной от кру­чения. Стабилизатор имеет однолонжеронную конструкцию с двумя слабыми стенками. Ось выполнена заодно с мощным переходным элементом, конструктивно подобным лонжерону. Этот элемент заводится поясами на пояса лонжерона, а стенкой связан со стен­кой лонжерона. По мере того, как пояса лонжерона передают через болты осевые нагрузки на элемент оси, их высота уменьша­ется. В то же время пояса элемента оси постепенно увеличиваются по высоте. В результате такого конструктивного решения ось как бы является продолжением лонжерона, и все силы, как перерезы­вающие, так и осевые, через болты крепления постепенно переда­ются на ось, которая несет их дальше к подшипникам фюзеляжа.

Для разгрузки оси первый подшипник фюзеляжа, установлен­ный на клыке шпангоута, входит внутрь стабилизатора вплоть до окончания круглой части оси. Ось полностью разгружена от кручения, поскольку качалка привода стабилизатора установлена на его усиленной нервюре. Нервюра снимает поток касательных сил с обшивки и трансформирует его в пару сил, одна из которых идет по качалке к приводу, а вторая догружает ось в месте ее крепления с усиленной нервюрой. Последняя при этом работает на срез и изгиб, опираясь на ось и на качалку.

Схема, приведенная на рис.8, несмотря на технологические затруднения при изготовлении оси, имеет ряд преимуществ перед предыдущей (см. рис.7), а именно:

более короткий путь восприятия действующих сил, что требует меньшей массы конструкции для их передачи;

большая надежность конструкции крепления оси к стабилизатору;

разгрузка оси от кручения, что позволяет облегчить саму ось и уменьшить размеры второго, менее нагруженного, подшипника, расположенного в фюзеляже.

На рис.8, б приведена еще одна конструктивно-силовая схема стабилизатора, выполненного по варианту I, применение которой может быть целесообразно при оси, установленной пер­пендикулярно к вертикальной плоскости фюзеляжа.

Такое рас­положение оси обычно применяется для треугольного и трапецие­видного при виде в плане стабилизаторов.

Для лучшего восприя­тия (с меньшей массой) изгибающего момента ось в пределах ста­билизатора выполняется в форме двутаврового сечения. Ось опирается в точке А на подпятник-подшипник, установленный в силовой нервюре. Благодаря такому конструктивному решению ось воспринимает только силу и не работает на кручение, что могло иметь место при жестком ее закреплении.

В качестве примера конструктивно-силовой схемы стабилизатора, выполненного по варианту II рассмот­рим приведенную на рис.9 двухлонжеронную конструкцию.

Кроме радиальной нагрузки подшипники должны обеспечить восприятие незначительной осевой нагрузки, для этого в одной из опор необходимо установить ради­ально-упорные подшипники. Так как ось у опоры 2 имеет наибольший диа­метр, то вписать в обвод радиальный подшипник затруднительно. Поэтому в этой опоре чаще применяется игольчатый подшипник.

Наибольшая реакция приходится на опору 5. Передается она по нер­вюре, работающей при этом на срез и изгиб. Для облегчения нер­вюры желательно передний лонжерон располагать ближе к оси враще­ния, при большой хорде оперения вводить вдоль оси вращения еще дополнительную стенку — опору для нер­вюры. Нервюру следует выполнять в виде мощной штампован­ной конструкции с выштампованной втулкой для запрессовки подшипника 5 (рис.10).

 

 

Рис. 9 Рис. 10

Поскольку подшипник воспринимает как радиальные, так и осевые усилия, то это надо учитывать при его установке и фиксации во втулке. На рисунке 10 приведен роликовый сферический подшипник. Внешнее кольцо подшипника зажато разжимным кольцом. Внутреннее кольцо зажимается шайбой с гайкой. Игольчатый подшипник в опоре 2 (см. рис.9) в осевом направлении жестко не фиксируется. Это дает возможность некоторого осевого смещения оси при де­формациях стабилизатора.