Tìm hiểu về kết cấu, vật liệu và tải trọng tác dụng lên càng máy bay

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
BỘ MÔN KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG VŨ TRỤ
______

BÁO CÁO
TẢI TRỌNG VÀ ĐỘ BỀN KẾT CẤU TRÊN MÁY BAY
Đề tài: Tìm hiểu về kết cấu, vật liệu và tải trọng tác dụng lên
càng máy bay
Giảng viên hướng dẫn: TS. Vũ Đình Quý
Sinh viên thực hiện: Nhóm 7
Họ và tên

SHSV

1. Thân Quang Cương

20160523

2. Vương Đình Thái

20163689

3. Vũ Nguyên Hà

20161257

4. Dương Tuấn Định

20149914

5. Lại Đức Anh

20140087

6. Phạm Văn Quyền

20163440

Hà Nội, 2019


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
BỘ MÔN KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG VŨ TRỤ
______
TẢI TRỌNG VÀ ĐỘ BỀN KẾT CẤU TRÊN MÁY BAY
ĐIỂM

NHẬN XÉT VÀ CHỮ KÝ CỦA GIẢNG VIÊN

Đề tài: Tìm hiểu về kết cấu, vật liệu và tải trọng
tác dụng lên càng máy bay
Giảng viên hướng dẫn: TS. Vũ Đình Quý
Sinh viên thực hiện: Nhóm 7
Họ và tên

SHSV

1. Thân Quang Cương

20160523

2. Vương Đình Thái

20163689

3. Vũ Nguyên Hà

20161257

4. Dương Tuấn Định

20149914

5. Lại Đức Anh

20140087

6. Phạm Văn Quyền

20163440
Hà Nội, 2019



MỤC LỤC


CHƯƠNG 1: KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY
1.1.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÀNG

Hệ thống càng máy bay là một trong những hệ thống rất quan trọng trong kết
cấu máy bay. Nó là hệ thống trợ giúp máy bay trong suốt quá trình hoạt động dưới mặt
đất, đặc biệt là quá trình cất và hạ cánh. Giúp giảm quá trình giao động của máy bay
trong quá trình cất cánh, hạ cánh và di chuyển trên mặt đất, là kết cấu chịu toàn bộ
trọng lượng máy bay khi ở trên mặt đất. Tuổi thọ của càng được đánh giá trên số lần
cất cánh và hạ cánh.
Về cơ bản, càng máy bay có các chức năng sau:
• Giúp máy tạo đà và giảm tốc trong q trình cất cánh và hạ cánh.
• Giảm chấn khi máy bay tiếp đất.
• Giúp máy bay di chuyển trên mặt đất .
• Chống trượt trong q trình di chuyển.

Hình 1. Hệ thống càng đáp trên B747-400

5


Hình 2. Hệ thống càng đáp trên A380

Về mặt thủ tục thiết kế, thiết bị hạ cánh là thành phần chính của máy bay được
thiết kế cuối cùng. Nói cách khác, tất cả các thành phần chính (như cánh, đi, thân
máy bay và hệ thống đẩy) phải được thiết kế trước khi thiết kế thiết bị hạ cánh. Hơn
nữa, cần phải tính tốn được trọng tâm của máy bay để thiết kế thiết bị hạ cánh. Do
trọng tâm máy bay là khơng cố định trong q trình hoạt động nên cần phải tính độ
dịch chuyển của trọng tâm (trọng tâm lớn nhất phía trước và phía sau dọc theo thân
máy bay), từ đó thiết kế được vị trí càng đáp cho phù hợp. Trong một số trường hợp,
thiết bị hạ cánh có thể khiến nhà thiết kế thay đổi cấu hình máy bay để đáp ứng yêu

cầu thiết kế thiết bị hạ cánh.

6


1.2.

KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY

1.2.1. Vị trí hệ thống càng trên máy bay
Hệ thống càng máy bay hiện nay được chia làm hai bộ phận: càng chính và càng
phụ. Có thể thu thả được hoặc không thu thả được, tùy vào loại máy bay. Trên Boeing
747-400, hệ thống càng chính bao gồm một cặp càng ở thân và cặp càng ở cánh, hình
dưới đây mơ tả vị trí đặt càng.

Hình 3. Vị trí hệ thống càng trên B747-400

- Vị trí theo chiều dọc:
Càng đáp chính phải được đặt phía sau, nhưng theo Currey, nó phải nằm trong
khoảng 50-55% MAC (Mean Aerodynamic Chord). Hơn nữa, nhiều năm kinh nghiệm
đã chỉ ra một tiêu chí khác: đường mặt đất tĩnh phải ở phía sau giao điểm của mặt đất
với đường đi qua phía sau một góc 15 o so với chiều dọc. Điều này nhằm tránh và đập
ở phần đuôi.

7


Hình 4. Vị trí theo chiều dọc máy bay

Khi thiết kế càng nằm trên cánh, các chi tiết khác phải được xem xét như sự có

mặt của một xà dọc sau để gắn các càng đáp. Trên máy bay, phía sau giới hạn có thể là
phía sau xà dọc sau (Rear Spar). Trong trường hợp như vậy, một xà dọc thứ ba có thể
được thêm vào phía sau của xà dọc sau.

Hình 5. Xà dọc thứ ba được thêm để hỗ trợ chịu tải cho càng

-

Vị trí theo phương ngang:
8


Vị trí bên của thiết bị càng đáp chính được xác định thơng qua góc quay Ө.
Theo Currey, góc này không được quá 63 ° đối với máy bay trên mặt đất hoặc 54 ° đối
với máy bay trên tàu sân bay.

Hình 6. Góc quay Ө

Càng chính thường được đặt tại trọng tâm máy bay, do đó chịu phần lớn tải trọng
của máy bay. Chính vì vậy càng chính được thiết kế với cấu trúc vững chắc. Có thể là
kết cấu bánh xe đối với các loại máy bay thông thường, kết cấu ván trượt với các vùng
đồi núi hoặc có tuyết và dạng phao khi hoạt động trên nước. Thơng thường hệ thống
càng thường có những thành phần chính sau:
•
•
•
•
•
•

Hệ thống giảm chấn.
Hệ thống phanh.
Hệ thống thu thả càng.
Hệ thống điều khiển.
Hệ thống các thiết bị cảnh báo.
Hệ thống chống va chạm.

9


1.2.2. Các bộ phận chi tiết của hệ thống càng

Hình 7. Các bộ phận của càng mũi trên máy bay B747
Bảng 1. Các bộ phận trên càng mũi B747

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

16

Tyre & Wheel
Axle
Shock strut inner cylinder
Shock strut outer cylinder
Lower torsion link
Upper torsion link
Forward steering collar
Aft steering collar
Steering actuator
Side braces
Lower tripod brace
Trunnion fittings
Nose gear actuator
Upper tripod brace
Drag strut
Nose gear lock actuator

Lốp xe & bánh xe
Trục
Xi lanh giảm chấn trong
Xi lanh giảm chấn ngoài
Liên kết xoắn dưới
Liên kết xoắn trên
Cổ tay lái phía trước
Cổ tay lái phía sau
Thiết bị truyền động lái
Thiết bị truyền động lái
Nẹp chân máy dưới

Khớp nối
Thiết bị truyền động mũi
Nẹp chân máy phía trên
Thanh cản
Thiết bị truyền động khóa bánh răng
mũi

10


Hình 8. Càng chính (phải) trên B747
Bảng 2. Các bộ phận trên càng chính B747

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

Trunnion fittings
Shock strut

Torque links
Truck/bogie beam
Axle
Wheels , Tires
Wheel brakes
Retract cylinder
Fixed brace
Side brace
Drag brace
Down lock links
Main gear door
Strut door

Khớp nối
Thanh giảm chấn
Liên kết mô-men xoắn
Dầm bogie
Trục
Bánh xe, Lốp xe
Phanh bánh xe
Xy lanh thu thả càng
Nẹp cố định
Nẹp bên
Kéo nẹp
Liên kết khóa xuống
Cửa bánh chính
Cửa chống

Để có thể hiểu sâu hơn về kết cấu, vật liệu và nguyên lý hoạt động của các bộ
phận, chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu một số bộ phận quan trọng dưới đây.

11


1.3.

Vật liệu cấu thành và chức năng của các bộ phận chính
Hệ thống càng máy bay thường sử dụng các loại vật liệu sau:

Hợp kim thép
Hợp kim nhôm
Hợp kim titan
Magie
Hợp kim nhômđồng
Beri
Vật liệu
composite

Trục các-đăng, piston, phanh, khớp nối, công tắc, trục khuỷu, lị xo,
tấm vỏ, măng-sơng, chốt, kẹp, ống lót trục
Vòng đệm, miếng chèn, bánh lái, bộ điều hợp
Cấu trúc chính của càng đáp
Khơng cịn được sử dụng ngày nay do an toàn cháy nổ
Sử dụng phần lớn cho ổ đỡ trục trên và dưới của giảm xóc
Nguyên liệu hấp thụ nhiệt cho phanh và để chế tạo ống lót
Lốp máy bay, bộ phận chính của càng đáp, xi lanh ngồi, piston,
phanh, cánh tay địn, hệ thống treo tay địn, lò xo, tấm cánh, bề mặt
điều khiển và các tấm ổn định

1.3.1. Bộ giảm chấn (Shock absorber – SA)

 Khái quát:
Là bộ phận quan trọng nhất của càng đáp, bộ hấp thụ va đập là bộ phận chung cho
tất cả các loại càng đáp
Nhiệm vụ chính của nó là hấp thụ động lượng trong q trình hạ cánh, khi đó gia
tốc mà khung máy bay phải trải qua sẽ giảm đến một mức độ hợp lý và làm quá trình
taxi của máy bay được êm ái thoải mái cho hành khách.
Có 2 phương thức làm việc của SA là dùng lị xo và dùng bộ giảm xóc.

Hình 9: (a) Chức năng hấp thụ - (b) Chức năng hấp thụ và giảm xóc

12


Hiệu suất của SA được phản ánh thông qua số lượng SA để hấp thụ động năng, số
lượng càng lớn càng hấp thụ được nhiều năng lượng:

Hình 10. Ý nghĩa của hiệu suất

 Các loại bộ giảm chấn SA:

Hình 11: Các loại SA

13


Trừ một số loại máy
bay nhỏ sử dụng lò xo
thép – đơn giản, độ tin
cậy cao, bảo trì dễ dàng,
hầu hết các máy bay

ngày nay đều sử dụng SA
loại khí nén với hiệu suất
cao và phân tán năng
lượng tốt. Do những lý
do đó mà phần tiếp theo
sẽ phân tích loại SA này.
Hình 12: So sánh hiệu suất
giữa các loại SA

14


 Bộ hấp thụ bằng khí nén-dầu (Oleo-Pneumatic Shock Absorber – OPSA):
Hầu hết các máy bay cỡ lớn ngày nay đều trang bị loại OPSA này :

Hình 13. Cấu trúc của bộ hấp thụ bằng khí nén-dầu

Được cấu thành từ 2 ống trượt, một chứa dầu và ống còn lại chứa khí nitrogen. 2
ống này tác động với nhau qua một lỗ (orifice) và cả hệ thống được nén đến một áp
suất.

Hình 14. Nguyên lý hoạt động của OPSA

15


Khi máy bay tiếp đất thì ống dưới sẽ chuyển động lên ép lượng dầu trong ống từ
buồng dưới lên buồng trên. Ngược lại khi máy bay khơng có tải khí nitrogen áp suất
cao sẽ đẩy dầu từ buồng trên xuống buông dưới. Một đầu đo được dùng cùng lỗ orfice
để chia 1 giai đoạn thành các thì giúp tăng hiệu suất.

 Chức năng tích trữ năng lượng:

Hình 15. Chức năng hấp thụ của SA

Giai đoạn hấp thụ năng lượng của bộ hấp thụ kép: Một số càng đáp được trang bị
SA kép. SA được thiết kế vớ 2 buồng nitrogen được bơm áp suất khác nhau. Mục đích
là khơng phải để tăng hiệu suất mà là tăng khả năng hấp thu va đập trong quá trình
taxi qua những quãng đường khơng bằng phẳng. Thiết bị này có giá thành đắt đồng
thời nặng hơn so với SA truyền thống.
 So sánh chức năng hấp thụ giữa SA và SA kép:

16


Hình 16. So sánh chức năng hấp thụ của SA đơn và kép

So sánh giữa SA đơn và SA kép được biểu diễn qua đồ thị tải trọng-chiều dài thì
trên.
Một SA kép được thêm vào khi tải trọng tĩnh gần mức FTr.
 Chức năng giảm xóc
Áp suất cao được dùng để đẩy dầu qua lỗ orfice tỉ lệ với bình phương vận tốc
dịng chảy. Đường cong tải trọng-chiều dài thì – khi chỉ có dầu được biểu diễn như
sau:

Hình 17. Đường cong tải-chiều dài thì làm việc của chức năng giảm xóc

17


 Hoạt động trong quá trình tiếp đất:

Trong lúc đầu của quá trình, ống bên dưới sẽ di chuyển nhanh lên trên. Áp suất
gây ra sẽ tác động chủ yếu vào lượng dầu, tạo ra một lực ngược chiều phương chuyển
động. Tốc độ sẽ giảm làm giảm xóc hiệu quả. Chức năng hấp thụ năng lượng được
kích hoạt bởi sự thay đổi thể tích nitrogen. Điêu này được biểu diễn như sau:

Hình 18. Trạng thái của bộ giảm xóc khí nén-dầu trong quá trình tiếp đất

 Hiệu suất của SA khí nén-dầu
Hiệu suất hấp thụ cao nhất vào khoảng 80-90%, biểu diễn bằng đồ thị sau:

18


Hình 19. Hiệu suất của bộ hấp thụ bằng khí nén-dầu

 Nhận xét về SA khí nén-dầu
Chiều dài thì làm việc: Chiều dài ban đầu được chọn dựa trên tỉ số tải trọng cho
một số điều kiện hạ cánh có giới hạn, tổng chiều dài thì cho các máy bay lớn thường
cỡ 400-600 mm.
Tỉ số nén: Hai tỉ số nén thường được sử dụng là: giãn nở cao nhất tới trạng thái
tĩnh và từ trạng thái tĩnh tới nén hoàn toàn.
- Cho máy bay nhỏ:
Tĩnh/giãn: 2.1/1
Nén/tĩnh: 1.9/1
- Cho máy bay lớn:
Tĩnh/giãn: 4/1
Nén/tĩnh: 3/1
1.3.2. Lốp máy bay
 Khái quát:
Lốp mày bay là bộ phận được sử dụng trong các điều kiện động năng lớn (tiếp

đất), nhiệt độ cao (phanh). Là bộ phận duy nhất của máy bay tiếp xúc với mặt đất. Đặc
điểm của lốp phải phù hợp với yêu cầu thiết kế: khả năng chịu tải, kích thước, khối
lượng, tuổi thọ, khả năng chịu va đập,…
Có 2 ngun nhân chính gây hư hỏng lốp là do: Áp suất lốp không đạt yêu cầu,
vật thể lạ trên đường băng.
Hình dạng cơ bản của lốp nhìn chung được đánh giá qua các thơng số đường kính
lớn nhất (M), chiều rộng lớn nhất (N), đường kính trong (A). Thơng số tiều chuẩn là
MxN-A

Hình 20. Các thông số cơ bản của lốp

 Các loại lốp:
Có 2 loại lốp là Bias-Ply tire và Radial-Ply tire.

19


-

Phía trong của Bias-Ply được cấu thành từ nhiều lớp vải bọc lớp mành chéo với
mỗi lớp mành chéo sau được sắp xếp ngược với lớp trước.
Trái ngược với lốp Bias-ply, lốp Radial-Ply được cấu thành từ nhiều lớp sợi
song song nhau do đó có khả năng chịu uốn, gấp tốt, tiếp theo là tầng hỗn là vị
trí xung quanh của lốp là sợi thép (bố thép) nằm gần và song song với chu vi
lốp. Nhờ điều này mà lốp khơng bị biến dạng, giúp bám đường băng tốt hơn.
Vì lý do này mà lốp radial-ply là loại lốp tiêu chuẩn cho ngành hàng khơng.

Hình 21. Lốp Bias-Ply và Radial-Ply

 Tải đứng, hiệu suất lốp

Hình 22. Định nghĩa tải đứng; hiệu suất lốp

20


 Tải dọc lốp (Tire longitudinal load)
- Lốp lăn tự do
Khi lốp lăn tự do (không phanh), sẽ chịu lực ma sát nhỏ và thông thường bằng
khoảng 0.8 – 2% tải đứng trên nền đường băng khô.
Vận tốc quay được xác định:
Với r=R-d/3 (d-đường kính trong điều kiện tĩnh)
- Phanh
Khi phanh, bán kính lăn tăng r=R-d/3+Fx/Kx với Fx là lực cản tức thời và Kx là
lực đàn hồi phía trước và phía sau khơng đổi.
Khi

. Trong trường hợp này, sẽ xuất hiện 1 lực phía sau X. Hệ số ma sát

sẽ bằng lực X chia cho lực do chuyển động của lốp Z:
Hệ số ma sát phụ thuộc vào vật liệu lốp đường băng và vận tốc lăn.

Hình 23. Ma sát khi phanh của lốp

 Tải bên
Khi lốp trượt – trục dọc lốp tạo thành 1 góc so với hướng chuyển động – hướng
của lực bên. Khi lực nà xuất hiện sẽ tạo một moment ở trung tâm lốp. Moment này có
xu hướng làm thẳng lốp về hướng chuyển động, còn gọi là moment xoắn tự cân bằng.
Hiện tượng trượt này xuất hiện khi máy bay đáp xuống đất với một góc trượt nhỏ
ngồi ra cịn xuất hiện khi máy bay rẽ hướng trong quá trình taxi.

21


Hình 24. Hiện tượng trượt; lực bên và moment tự cân bằng

 Tải nhiệt
Phanh là nguyên nhân chính gây ra loại tải này.
Quá trình hủy cất cánh cũng là một trường hợp mà nhiệt độ lốp có thể lên tới trên
100 độ C. Hình dưới thể hiện quá trình tăng nhiệt của lốp trong trường hợp hủy cất
cánh.

Hình 25. Sự tăng nhiệt trong quá trình phanh và hủy cất cánh

22


CHƯƠNG 2. TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN CÀNG
MÁY BAY
2.1.

Tải trọng tác dụng lên càng máy bay
Trên Boeing 747-400, hệ thống càng chính chịu 90% tải trọng của cả máy bay.
Bảng 3. Thông số kỹ thuật của Boeing 747-8.

Lấy trọng lượng cất cánh tối đa vào tài khoản tải trọng tĩnh 80850 N đã được
chọn.
Trọng lượng cất cánh tối đa là 440000 kg và thiết bị hạ cánh mũi cảm thấy 5%
tổng trọng lượng là 22000 kg, vì vậy, 215600 N vì trọng lượng của tồn bộ thiết kế là
190 kg và thiết bị hạ cánh thực tế có trọng lượng 1500 kg, trọng lượng thực hiện là

tám lần nhẹ hơn nên 215600/8 * 3 = 80850 N (lấy FOS = 3)
Các bánh xe là một phần tương đối nặng của máy bay; nó có thể lên tới 7% trọng
lượng cất cánh, nhưng điển hình hơn là 4% 5%.
Thiết bị hạ cánh 747-8 được tạo thành từ 18 bánh. Điều này rất cần thiết để tăng
trọng lượng khổng lồ của máy bay trên đường băng. Hai cái được đặt bên dưới mũi.
16 chiếc còn lại, bao gồm bốn toa xe bốn bánh, hoặc bogies, được sắp xếp với một
bên dưới mỗi cánh và hai ở mặt dưới thân máy bay. Tác động của việc hạ cánh được
hấp thụ đồng đều bởi cả bốn chiếc bog thơng qua bộ giảm xóc của chúng. Các bánh
chính có đường kính 1,3 mét (4,3 feet), được bơm đầy với khí nitơ và được trang bị hệ
thống chống trượt. Thiết bị hạ cánh chính gập sang một bên dưới cánh sau khi cất
cánh. Thiết bị hạ cánh mũi có hai bánh xe được đặt cạnh nhau. Sau khi cất cánh,
chúng rút theo hướng về phía trước vào thân máy bay, chạy bằng kích thủy lực. Cửa
bản lề đóng lại phía sau chúng
Nhiều tổ chức đã cố gắng giải quyết các vấn đề tĩnh như vênh, uốn cong v.v ...
Theo các kỹ sư của công nghệ Virginia, việc thiết kế thiết bị hạ cánh mới phải đơn
giản nhất có thể, vì sự phức tạp hóa khiến chi phí tăng nhanh hơn việc giảm trọng
lượng. Tuy nhiên, trọng lượng cũng có vẻ tỷ lệ nghịch với mức độ phức tạp. Với việc
giảm mức độ phức tạp, ví dụ, số lượng hỗ trợ, thành phần kết cấu buộc phải chịu tải
trọng cao hơn, điều này làm tăng trọng lượng kết cấu do tăng diện tích mặt cắt ngang.
Do đó, phải đạt được sự cân bằng giữa đơn giản và trọng lượng và điều này chỉ có thể
đạt được thơng qua nhiều nghiên cứu về cấu hình bánh khác nhau.

23


2.2.

Các trường hợp tải

Giả sử trường hợp hạ cánh 2 điểm cơ bản và hãy xét riêng một càng chính.

Hình dưới đây minh họa trường hợp như vậy và cung cấp các phản lực dọc và ngang
trên càng đáp.

Hình 26. Trình tự hạ cánh điển hình; Tải trọng dọc và ngang

Phân tích trình tự hạ cánh này dẫn đến nhận xét sau: trong quá trình hạ cánh cơ
bản, phải xem xét 3 trường hợp tải:
- Spin up: phản lực lớn nhất theo phương ngang về phía sau + phản lực theo
phương thẳng đứng ngay tại thời điểm quay
- Spring back : phản lực lớn nhất theo phương ngang về phía trước + phản lực
theo phương thẳng đứng tại thời điểm đàn hồi
- Maximum vertical reaction: phản lực theo phương đứng lớn nhất + phản lực
ngang về phía sau tại thời điểm này

24


Hình 27. Ba trường hợp tải cho hạ cánh cơ bản

Ví dụ về tải (AIR 2004 E)
Theo tiêu chuẩn quân sự của Pháp, AIR 2004 E, đề xuất công thức để tính phản
lực ngang và phản lực dọc khi spin up và spring back dựa trên một lực dọc tham
chiếu, Zr được xác định ở dưới đây.

2.3.

Ảnh hưởng của trọng lượng

Khối lượng của một chiếc máy bay cơ bản thường cao nhất khi nó được nạp đầy
đủ hành khách, hàng hóa và nhiên liệu, cuối cùng là vũ khí cho máy bay chiến đấu

ngay trước taxi. Từ vị trí đỗ ban đầu của nó đến điểm cất cánh, một lượng nhiên liệu
ít nhiều quan trọng có thể đã bị cháy, dẫn đến một khối lượng nhỏ hơn ngay trước khi
cất cánh. Cuối cùng, sau chuyến bay, ngay trước khi hạ cánh, máy bay đã đốt một
lượng nhiên liệu quan trọng và cuối cùng đã phóng vũ khí của mình một lần nữa dẫn
đến một khối lượng nhỏ hơn.
Vì những lý do đó, cần phải phân biệt 3 điều kiện khối lượng khác nhau để thiết
kế càng đáp:
25