CN102963521A - 一种民用飞机水平尾翼中央翼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种民用飞机水平尾翼中央翼，属于飞机结构技术领域，是一种能够减轻水平尾翼中央翼结构重量，提高结构安全寿命及可靠性的装置。本发明采用新型W型腹板连接水平尾翼中央翼的前梁与后梁，W型腹板通过复合材料铺带，完成整体加工的工艺，减轻了结构重量；后梁连接耳片与后机身加强框耳片通过枢轴连接，通过外轴与内轴的设计实现后梁枢轴的功能，当其中一根轴产生疲劳裂纹时并不会扩展到另一根轴上，而且在一根轴由于突变载荷而出现强度破外时，另一根轴仍然可以受载，并提高枢轴的安全使用寿命，增强可靠性。

Description

一种民用飞机水平尾翼中央翼

技术领域

本发明属于飞机结构设计技术领域，涉及一种能够减轻水平尾翼中央翼结构重量，提高安全寿命及可靠性的结构装置。

背景技术

大型客机结构设计是大型飞机研制中关键技术之一，而尾翼结构设计是其重要组成部分，我国的大型客机研制工作在结构设计及尾翼设计方面需要不断创新，解决关键技术问题。

对于亚音速民用飞机，水平尾翼设计需要考虑的最严重状态是起飞和着陆，起飞和着陆时，放下襟翼会产生较大的低头力矩。在飞机起飞抬前轮和着陆时，为保持平稳，平尾必须偏转到最大限度，以提供足够的抬头力矩。因此，设计时只要保证平尾的操纵效率能满足起飞和着陆的平衡要求，通常就会自动满足在各种可能的升力系数下的飞行平衡状态。

据有关资料介绍，上世纪90年代以后，世界上有超过70%的干线客机都采用了安装角可调式的水平尾翼。相对于其它形式的水平尾翼，该形式水平尾翼既可以满足起飞和着陆阶段的配平要求，又能够减小配平阻力、平尾面积和飞机重量。水平尾翼中央翼是与水平尾翼的安定面连接，用来保证飞机的纵向平衡、稳定及对飞机纵向(俯仰)操纵的重要机构，其操纵效率和可靠性是影响飞机安全的重要因素，所以提高水平尾翼中央翼的细节设计水平具有十分重要的意义。

可调安装角的水平尾翼是通过固定在后机身隔框上的螺旋制动器和后梁处的枢轴与后机身连接的。安装角的调整机理如下：驱动机构（如电动马达、舵机或者液压作动筒）运动时，带动螺杆转动，螺杆与升降螺母之间螺纹连接，升降螺母通过连接丝杠的支架与平尾中央翼前梁固定。螺杆的螺纹运动产生平尾中央翼前梁的升降运动，使整个平尾中央翼产生绕枢轴的转动，从而带动平尾转动。

波音B737型飞机的水平尾翼中央翼采用如图1所示的结构形式，该结构中连接前梁2与后梁4的中间两块X型腹板3采用7075铝合金材料，与前梁2和后梁4各4处连接部分，共8处连接部分。与后梁4连接的枢轴5采用从一端铰接处延伸到另一端铰接处的一体设计，结构的疲劳性能较差，产生裂纹扩展会使整个枢轴5失效。

发明内容

本发明的目的：采用新型高强度轻质材料减轻水平尾翼中央翼结构的重量，通过改进设计，提高水平尾翼中央翼调节机构中铰接处枢轴的安全寿命和可靠性。

本发明的一种民用飞机水平尾翼中央翼，前梁与后梁之间的W型腹板采用碳纤维环氧树脂复合材料，由于水平尾翼中央翼位于后机身的内部，受到冲击载荷的情况较少，而复合材料受到冲击载荷后性能会急剧下降，因此复合材料的应用成为可能；采用新型的W型腹板连接前梁与后梁，使用碳纤维铺带技术制造，减少了W型腹板与前梁后梁之间的连接件，从而减少了复杂连接件的质量；采用新型的后梁连接处的枢轴设计，将一根枢轴分别布置在两端铰接处，并各布置外枢轴和内枢轴。

本发明的有益效果：

1、碳纤维环氧树脂复合材料的密度在1.7g/cm³左右，弹性模量230GPa、抗拉强度在3500Mpa以上，相比于铝合金材料密度2.7g/cm³、弹性模量70GPa、拉伸强度400MPa，具有重量轻，强度高，抗腐蚀等优势；

2、采用新型的W型腹板连接前梁与后梁，只有5处连接部分，减少了腹板端部与前梁后梁的连接件（例如连接用耳片、铆接用的铆钉），W型腹板可以采用碳纤维铺带从一端直接铺放到另一端，并在腹板的合理位置铺放垂直于之前方向的加强筋纤维带，使得腹板的整体加工成为可能；

3、采用新型的W型腹板设计，其两端的斜边有利于与水平安定面根部的加强肋连接，弥补了波音B737中只有水平安定面的前梁与后梁之间的连接，从而使结构受力更合理，提高承载效力；

4、民用飞机在整个20~30年的服役期间内，安全性是至关重要的。通过将出现裂纹而使整个枢轴失效的单枢轴改变为两端布置，并将枢轴设计成中空的外枢轴和内枢轴，当外枢轴出现裂纹或产生破外，内枢轴仍然可以承受载荷，提高了枢轴及水平尾翼中央翼安装角可调的安全寿命及可靠性。

附图说明

图1波音B737水平尾翼中央翼示意图；

图2波音B737水平尾翼调节安装角机构示意图；

图3本发明提供的新型水平尾翼中央翼W型腹板连接结构示意图；

图4为本发明中后机身框B与后梁之间的连接组件结构示意图；

图5为本发明中后梁连接耳片和后机身框B连接耳片结构示意图；

图6为本发明中水平尾翼中央翼后梁与后机身框铰接处枢轴剖面图。

图中：

1、丝杠支架，2、前梁，3、X型腹板，4、后梁，5、枢轴，6、螺杆，7、后机身框A，8、后机身框B，9、W型腹板，10、后梁连接耳片，11、后机身框B连接耳片，12、外轴，13、内轴，14、芯轴，15、卡片，16、螺母，17、垫圈，18、轴承。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种民用飞机水平尾翼中央翼进行详细说明。

（a）、对于附图2所示波音B737水平尾翼调节安装角机构其工作原理是：后机身框A与螺杆下部支座连接，一般在水平安定面前梁的前面一点，具***置需要协调后得到。螺杆6由伺服电动机或液压马达驱动产生旋转，带动与螺杆6连接的丝杠支架1竖直方向运动，由于后梁4与后机身框B 8通过枢轴5铰接，因而水平尾翼中央翼实际的运动就是角度的变化，及水平尾翼安装角可调的运动机理；

（b）、对于附图3所示的为本发明提供的一种新型水平尾翼中央翼的结构安装示意图：前梁2与后梁4之间的W型腹板9采用碳纤维环氧树脂复合材料，采用碳纤维铺带技术，沿W型腹板9的一端连续铺放到另一端，铺层形式为[0/+45/-45/90/-45/+45/0]，然后按加强筋条方向即垂向铺放碳纤维，完成之后采用一次固化成形，W型腹板9采用整体加工工艺的方法制备，与前梁2的连接部位有三个，与后梁4的连接部位有2个，一共5个连接部位，减轻了复杂连接件的重量，在W型腹板9的两侧面板同时可与水平安定面的根部肋端框连接，弥补了两块X型腹板3与水平安定面根肋形面相差较大的不足；

（c）、对于附图4～图6所示水平尾翼中央翼后梁与后机身框铰接处枢轴示意图：后梁4与后机身框B 8的连接部分由后梁连接耳片10与后机身框B连接耳片11组成，如图5A所示，所述的后梁连接耳片10上设置有减重孔10－1，具有通孔10－2，后梁连接耳片10通过铆钉与后梁4铆接的后，梁连接耳片10的通孔10－2内安装有轴承18，后梁连接耳片10的通孔10－2内侧与轴承18外表面采用过盈配合接触；后机身框B连接耳片11通过铆钉与后机身框B 8铆接，后机身框B连接耳片11上设置有减重槽11－2，其通孔11－1内部安装垫圈17，如图6所示，后机身框B连接耳片11与垫圈17采用过盈配合接触；轴承18与垫圈17内部安装外轴12，轴承18内部和垫圈17内部与外轴12外部采用过盈配合；外轴12的通孔内部安装内轴13，外轴12和内轴13采用过盈配合；内轴13通孔内部安装芯轴14，内轴13与芯轴14之间有空隙，芯轴14两端通过螺母16和卡片15固定，使得芯轴14、内轴13、外轴12不产生轴向的滑移。

对于传统的单轴枢轴设计，一旦这根枢轴在复杂交变的飞行载荷作用下产生疲劳裂纹，或由于阵风载荷等突变载荷而产生破外，就会造成水平尾翼中央翼结构失效，安装角无法调整等。采用本发明提供的新型的外轴12和内轴13，中部安装芯轴14，并使得外轴12、内轴13和芯轴14无法轴向滑动，在其中一根轴产生疲劳裂纹时并不会扩展到另一根轴上，而且在一根轴由于突变载荷而出现强度破外时，另一根轴仍然可以受载，这一方法可以提高枢轴的安全使用周期，同时提高水平尾翼中央翼的安全寿命及可靠性。

Claims (4)

1.一种民用飞机水平尾翼中央翼，其特征在于：前梁与后梁之间连接W型腹板，W型腹板与前梁三个连接点，与后梁两个连接点，W型腹板的两侧面板同时与水平安定面的根部肋端框连接。

2.根据权利要求1所述的一种民用飞机水平尾翼中央翼，其特征在于：W型腹板采用碳纤维铺带技术，沿W型腹板的一端连续铺放到另一端，铺层形式为[0/+45/-45/90/-45/+45/0]，然后按加强筋条方向即垂向铺放碳纤维，完成之后采用一次固化成形，W型腹板采用整体加工工艺的方法制备。

3.根据权利要求1所述的一种民用飞机水平尾翼中央翼，其特征在于：后梁与后机身框B的连接部分由后梁连接耳片与后机身框B连接耳片组成，通过铆钉与后梁铆接的后梁连接耳片的通孔内安装有轴承，后梁连接耳片的通孔内侧与轴承外表面采用过盈配合接触；后机身框B连接耳片通过铆钉与后机身框B铆接，后机身框B连接耳片的通孔内部安装垫圈，后机身框B连接耳片与垫圈采用过盈配合接触；轴承与垫圈内部安装外轴，轴承内部和垫圈内部与外轴外端采用过盈配合；外轴通孔内部安装内轴，外轴和内轴采用过盈配合；内轴通孔内部安装芯轴，内轴与芯轴之间有空隙，芯轴两端通过螺母和卡片固定，使得芯轴、内轴、外轴不产生轴向的滑移。

4.根据权利要求1所述的一种民用飞机水平尾翼中央翼，其特征在于：所述的后梁连接耳片上设置有减重孔，后机身框B连接耳片上设置有减重槽。

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