Самовозбуждающиеся колебания колёс передней опоры шасси (шимми)

Шасси самолета

Взлетно-посадочные устройства обеспечивают самолету возможность передвижения по земле при рулении, при разбеге для взлета, при пробеге после приземления и смягчают удары при посадке. Взлетно-посадочные устройства также улучшают взлетно-посадочные характеристики самолета:

скорость отрыва при взлете;

посадочную скорость;

длину взлетной и посадочной дистанции.

К взлетно-посадочным устройствам относятся:

шасси;

средства механизации крыла;

тормозные щитки (закрылки);

устройства реверса тяги и т.д..

Шасси предназначено для стоянки и передвижения самолета по земле. Оно оснащено амортизаторами, поглощающими энергию ударов при посадке и при передвижении по земле, и тормозами, обеспечивающими торможение самолета при пробеге и рулении.

Для устойчивого положения самолета на земле необходимы минимум три опоры. В зависимости от расположения опор шасси относительно центра тяжести самолета различают следующие основные схемы (рис.8.1.):

а) с передней опорой;

б) с хвостовой опорой;

в) велосипедного типа.

Рис. 8.1. Основные типы шасси:1 – передняя опора; 2 – главные опоры; 3 – задняя опора; 4 – подкрыльные опоры.

Схема шасси и ее параметры определяют характеристики устойчивости и управляемости самолета при его движении по грунту, влияют на нагружение опор. Трехопорная схема шасси с передней опорой характеризуется наличием двух основных опор, расположенных несколько позади центра тяжести, и одной передней, вынесенной на значительное расстояние вперед от центра тяжести самолета. Такая схема пришла на смену схеме шасси с хвостовой опорой. Носовая стойка предохраняет самолет от капотирования, что позволяет более энергично затормаживать колеса; предотвращается «козление» самолета, т.к. центр тяжести располагается впереди основных колес, и при ударе основными стойками о ВПП при посадке угол атаки и коэффициент подъемной силы крыла(СY) уменьшаются. Кроме этого горизонтальное положение оси фюзеляжа обеспечивает хороший обзор экипажу, создает удобства для пассажиров, обеспечивает самолету хорошую устойчивость при пробеге и разбеге. Вместе с тем, схема шасси с передней опорой имеет и недостатки: сложность передвижения по мягкому и вязкому грунту, т.к. «зарываются» колеса передней опоры; большая опасность при посадке с поврежденной передней опорой.

Основные геометрические параметры трехопорного шасси с передней опорой (рис. 8.2.) – это продольная база, колея, высота шасси, вынос основных опор относительно центра тяжести, а также углы: посадочный (угол между поверхностью земли и касательной к задней части фюзеляжа, исходящей из точки соприкосновения колес основных опор и грунта), угол выноса основных опор. Большинство перечисленных параметров связаны между собой. С целью уменьшения веса стоек желательно иметь небольшую высоту шасси. Однако чтобы обеспечить посадочный угол атаки, высоту стоек приходится увеличивать. Посадочный угол выбирается из условия, чтобы при посадке самолет не касался грунта хвостовой частью фюзеляжа. Угол выноса шасси должен быть больше посадочного угла, для того чтобы при посадке предотвратить опрокидывание самолета на хвост. Вынос основных опор шасси относительно центра тяжести обычно составляет 10-12 % от базы шасси, что влияет на распределение нагрузки между опорами.

Рис. 8.2. Параметры трехопорного шасси с передней опорой

Колея шасси влияет на характеристики поперечной устойчивости, а также на управляемость самолета при движении по грунту.

Велосипедная схема шасси характеризуется наличием двух основных опор, расположенных под фюзеляжем, и двух подкрыльных стоек, основное назначение которых – предохранить самолет от опрокидывания на крыло. Велосипедная схема шасси – вынужденная схема. Переход к ней обусловлен трудностями размещения опор на крыле, особенно на больших самолетах с высокорасположенным крылом, у которых длина стоек при расположении под крылом может достигать 3-4 м и более.

Основными конструктивными элементами шасси являются:

стойка;

колесо;

гаситель колебаний;

подъемник и замки (для убирающихся шасси).

Стойка шасси

Стойка– основной силовой элемент шасси, связывающий колесо с силовой схемой агрегата самолета. В большинстве случаев внутри стойки размещается амортизатор, и тогда стойка называется амортизационной.

В зависимости от назначения, характера нагружения и выполняемой работы различают следующие основные элементы стойки шасси: силовые элементы, элементы кинематики и управления, амортизирующие устройства.
Амортизирующие устройства (амортизационные стойки, пневматики колес, гасители колебаний и т.д.) поглощают и рассеивают энергию ударов самолета о землю, уменьшают действующие нагрузки и препятствуют возникновению колебаний при посадке и движении по земле.

Рис. 8.3. Типы стоек: а – телескопическая; б – рычажная; в – полурычажная.

Телескопические стойки (рис. 8.3.а) устанавливают на самолетах, эксплуатируемых на бетонных и хорошо укатанных грунтовых ВПП, т.к. такая стойка плохо воспринимает продольные и боковые силы. Телескопическая стойка при посадке самолета воспринимает вертикальную составляющую действующей силы, горизонтальную составляющую такая стойка не амортизирует. Для частичной амортизации горизонтальной составляющей телескопические стойки обычно устанавливаются с небольшим наклоном и выносом колеса вперед (на самолете ТЛ-2000 установлена телескопическая стойка с пружиной). Телескопические стойки конструктивно проще, легче и надежнее рычажных, но подвергаются большим изгибающим нагрузкам, ухудшающим перемещение штока амортизатора и снижающим эффективность его уплотнений.

Самовозбуждающиеся колебания колёс передней опоры шасси (шимми)

На стойках шасси со свободно ориентирующимися колесами, самовозбуждающиеся колебанияпередней опоры шасси или шимми могут возникать на определённой скорости движения самолёта во время разбега или пробега. Эти колебания вызывают интенсивную вибрацию носовой части фюзеляжа и приборной доски. Вибрация затрудняет наблюдение за приборами, может вывести из строя бортовое оборудование, привести к срыву пневматика, поломки стойки и разрушению конструкции носовой части фюзеляжа.

Природа явления шимми была исследована в 1945 году академиком М. В. Келдышем.

Рассмотрим физическую картину возникновения шимми. Колесо передней опоры шасси в процессе разбега или пробега может совершать два взаимосвязанных движения (Рис. 8.4.). Во – первых, как самоориентирующееся, оно может разворачиваться на некоторый угол относительно оси стойки.

Во – вторых, оно может смещаться относительно линии движения самолёта на некоторую величину λ.Боковое смещение λобусловлено в основном деформацией пневматика и частично деформацией стоки, а также возможно за счёт люфтов в стойке. Деформация пневматика и стойки вызывается силой сцепления (трения) между колесом и поверхностью аэродрома.

Колесо начинает двигаться по криволинейной траектории, похожей на синусоиду, и одновременно его плоскость периодически отклоняется от вертикали в стороны. С увеличением скорости колебания могут прогрессировать и вызвать срыв пневматика и разрушение стойки.

Критическая скорость шимми уменьшается при увеличении сил трения между пневматиком и грунтом. Поэтому с увеличением нагрузки на переднюю опору шимми будет возникать при меньшей скорости движения самолета. Явление шимми более вероятно на сухой бетонной полосе, имеющей коэффициент трения больший, чем на полосе с травяным покровом или влажной бетонной полосе.