重型直升機(jī)主減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要： 本文針對(duì)重型直升機(jī)主減速器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提出設(shè)計(jì)要求和解決方案，為我國(guó)重型直升機(jī)制造和發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞： 重型直升機(jī) 主減速器 差動(dòng)行星減速器

當(dāng)今重型直升機(jī)越來(lái)越多地用于救災(zāi)、軍事運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)，重型直升機(jī)是指起飛重量大于20噸的直升機(jī)。由于重型直升機(jī)運(yùn)載能力大，有較快的飛行速度，且不需機(jī)場(chǎng)起降，是一個(gè)較好的空中平臺(tái)和運(yùn)載工具。而我國(guó)在這方面的技術(shù)研發(fā)幾乎空白。重型直升機(jī)的主要技術(shù)難點(diǎn)在于渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)、重型減速器、大型寬翼型槳葉和槳轂的研制。其重型減速器的許用功率巨大（如：米-26為14710千瓦），重量又應(yīng)盡可能?。ㄒ话銥檎麢C(jī)重量的1/7～1/9），且必須保證極高的瞬間過(guò)載能力、可靠性和使用壽命。通常重型直升機(jī)采用齒輪傳動(dòng)式主減速器，它的輸入形式為2臺(tái)甚至更多渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)多軸并車，可將高轉(zhuǎn)速低扭矩的輸入功率，經(jīng)3～4級(jí)的齒輪減速50～150后，轉(zhuǎn)換成低轉(zhuǎn)速大扭矩由主旋翼的中心軸和尾槳傳動(dòng)軸輸出。主減速器也是機(jī)體、旋翼和發(fā)動(dòng)機(jī)連接的橋梁，因此它的箱體對(duì)剛度、強(qiáng)度要求極高，且不能影響內(nèi)部齒輪的嚙合性能。綜上所述，筆者提出新型重型直升機(jī)主減速器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求和解決方案如下。

1.設(shè)計(jì)要求

1.1減速器的原理與結(jié)構(gòu)具有通用性，可根據(jù)不同功率的主機(jī)，按比例有規(guī)律地縮、放，設(shè)計(jì)出其衍生機(jī)型，降低后續(xù)機(jī)型的研發(fā)時(shí)間和費(fèi)用，使設(shè)計(jì)一勞永逸。

1.2采用新材料、新技術(shù)，提高減速器的功率重量密度和功率體積密度，降低齒輪齒面的接觸壓強(qiáng)，提高高壓油膜潤(rùn)滑在齒面滑動(dòng)接觸的厚度和時(shí)間，降低磨損，減少發(fā)熱，延長(zhǎng)維護(hù)周期和使用壽命。

1.3采用鼓形齒，變位漸開(kāi)線等新技術(shù)，提高精度和齒面強(qiáng)度，優(yōu)化齒面的接觸區(qū)域，降低對(duì)安裝精度的要求，使齒輪在大功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，保持良好的嚙合特性。

1.4主減速器的終極采用差動(dòng)行星減速，并在其行星架上加入均載機(jī)構(gòu)，使各行星的受力情況趨于一致，從而更好地發(fā)揮出虛約束在傳動(dòng)合力上的增強(qiáng)作用。使承載能力大幅增加，而減速器的總重量幾乎不變。

2.設(shè)計(jì)方案

主減速器是將兩個(gè)渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的高轉(zhuǎn)速降至主旋翼所需的低轉(zhuǎn)速，考慮到雙機(jī)并車、主軸90度轉(zhuǎn)向和盡量減輕重量等設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)采用4級(jí)減速，減速比約100。

2.1初級(jí)為90度轉(zhuǎn)向的準(zhǔn)雙曲面齒輪或者螺旋錐齒輪，主要目的是保證減速比在2～3的前提下，使渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生90度的轉(zhuǎn)向，并使大錐齒輪的旋轉(zhuǎn)方向與主旋翼的旋轉(zhuǎn)方向一致。

2.2第二級(jí)和第三級(jí)采用圓柱齒輪與錐齒輪的末端與星型減速機(jī)構(gòu)相連，目的在于小幅減速，以減低最大從動(dòng)齒輪的外徑，從而減輕重量。因?yàn)辇X輪可以近似看做一個(gè)高徑比很小的圓柱，在齒輪的材料一定，密度和齒寬相同的前提下，重量與直徑的2次方成正比。又因?yàn)榇簖X輪的加工難度大，易變形，尤其是斜齒圓柱齒輪的軸向力作用，更易使齒輪產(chǎn)生平面度變形，嚴(yán)重影響精度，惡化軸承的工況?？傊跫?jí)寧可多加一級(jí)減速，以減少各級(jí)齒輪中最大齒輪的外徑，也不用大齒輪單級(jí)減速。

2.3終級(jí)與主旋翼直接連接，是減速器中扭矩、強(qiáng)度、體積和重量最大的一級(jí)，雖然減速器的各級(jí)可以近似看成是恒功率的降速增扭，但各級(jí)的扭矩是決定尺寸、重量的關(guān)鍵因素。本設(shè)計(jì)選用終級(jí)差動(dòng)行星減速器方案，其輸出轉(zhuǎn)速約每秒2～3.2圈，考慮到傳動(dòng)效率、減輕重量和高轉(zhuǎn)速對(duì)行星架的影響，取10倍左右的減速比為宜，在輸入轉(zhuǎn)速為1200rpm～1920rpm的條件下，是完全可行的。差動(dòng)行星減速器有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

2.3.1單級(jí)減速比大，約8～20，且不同的減速比，僅僅是雙聯(lián)圓柱齒輪的分度圓直徑之差略有不同，整體形狀和體積沒(méi)有太大改變，故機(jī)殼通用性好。由于減速比和齒輪的絕對(duì)直徑?jīng)]有直接關(guān)系，可采用小的行星雙聯(lián)齒輪，以減輕重量。

2.3.2單位重量承載力大，差動(dòng)行星減速的輸入部件為行星架，其全部行星齒輪都安裝在行星架半徑的外端，為了更好地實(shí)現(xiàn)均勻嚙合，本方案增設(shè)了均載機(jī)構(gòu)，雖在重量上略有增加。但對(duì)行星架動(dòng)力性益處極大，因?yàn)檩敵龅呐ぞ厥禽斎肱ぞ氐腘倍，N為減速比。差動(dòng)行星減速比大，在輸出扭矩一定的條件下，行星架所受力矩和強(qiáng)度大大降低了，原理性減輕了行星架的總重量。

2.3.3減輕了推力軸承的負(fù)擔(dān)，由于外嚙合式差動(dòng)行星減速機(jī)構(gòu)的輸出端，為單一外齒輪-斜齒圓柱齒輪，且旋翼為單一旋轉(zhuǎn)方向。利用這個(gè)特點(diǎn)，結(jié)合斜齒輪的嚙合軸向力，可以部分抵消主旋翼的升力所產(chǎn)生的拉力，減輕主推力軸承的負(fù)擔(dān)。其余負(fù)載會(huì)均勻地分布到行星架中的雙聯(lián)齒輪，使之產(chǎn)生互相分離的力量，而雙聯(lián)齒輪是一個(gè)整體零件，故上下大圓柱齒輪，軸向力可以抵消。減輕了推力軸承的負(fù)擔(dān)。

3.加工工藝與潤(rùn)滑

3.1雙聯(lián)的圓柱齒輪中小齒輪的工藝性較差，如果將大小齒輪的軸向距離適當(dāng)拉長(zhǎng)，問(wèn)題則得到解決，否則小齒輪只能采用插齒工藝進(jìn)行加工，而在熱處理之后，因砂輪會(huì)干涉下面的大齒輪而無(wú)法實(shí)現(xiàn)精磨，故精度無(wú)法得到本質(zhì)提高而影響承載力。

3.2各行星的雙聯(lián)齒輪，要求外形完全一致，且上下齒輪的某個(gè)齒的相位差也相同，確保全部行星在裝配時(shí)實(shí)現(xiàn)圓周均布。這些是通過(guò)切齒和磨齒時(shí)一次裝夾定位完成此精度。并在對(duì)應(yīng)的齒上面打標(biāo)記。大小齒輪均采用鼓形齒修型和新型的壓力角負(fù)變位修型工藝，保證在大力承載時(shí)，齒面形狀亦為標(biāo)準(zhǔn)的漸開(kāi)線齒形。

3.3傳統(tǒng)的行星減速器的內(nèi)齒圈，由于定位要求難以得到滿足，故在旋轉(zhuǎn)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)偏載和偏磨損等現(xiàn)象，且熱處理后，變形和共軛磨齒等精加工問(wèn)題難以解決，一般內(nèi)齒圈多采用如38CrMoAl等滲氮鋼制造，因?yàn)闈B氮后變形較小，表面硬度較高，但這依然不能作為重型直升機(jī)主減速器的終極傳動(dòng)齒輪。因?yàn)闈B氮的氮化層很薄，約為滲碳層厚度的十分之一甚至幾十分之一，另外齒面一定要經(jīng)過(guò)磨齒才能有效進(jìn)行修型等精密加工，僅僅依靠插齒的精度，難以獲得高品質(zhì)的內(nèi)齒輪。因此本行星減速器全部齒輪均采用外圓柱斜齒輪，具有加工工藝性好，精度易于通過(guò)齒面精磨而提高。同時(shí)由于其原理的差動(dòng)性，也易于制造帶有均載機(jī)構(gòu)的行星架。

3.4減速器采用單獨(dú)噴油的方式強(qiáng)制潤(rùn)滑，使嚙合的齒輪間產(chǎn)生類似齒輪泵“困油”的效果，在齒隙間將滑油擠出，增加油膜的厚度和作用時(shí)間，降低摩擦與溫度。

4.結(jié)語(yǔ)

國(guó)外上世紀(jì)八十年代就可以生產(chǎn)重型直升機(jī)，而我國(guó)至今還不能。我國(guó)的飛機(jī)制造業(yè)相對(duì)落后，應(yīng)抓住關(guān)鍵技術(shù)不斷發(fā)展，努力發(fā)展自己的先進(jìn)技術(shù)，縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距，力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)從低端到高端的轉(zhuǎn)變。實(shí)現(xiàn)從中國(guó)制造到中國(guó)創(chuàng)造、從制造大國(guó)到制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變。

參考文獻(xiàn)：

[1]路錄祥.直升機(jī)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2009.

[2]饒振綱.微型行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

[3]廖少英，趙金才.航空航天飛行器推進(jìn)增壓輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)宇航出版社，2012.

[4]朱孝錄.齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.