淺析AC313直升機主減速器設(shè)計

許鵬

摘 要：介紹了AC313直升機主減速器主體結(jié)構(gòu)以及重要零部件，如機匣、齒輪、軸承的設(shè)計方法、過程和采用的新材料、新工藝；介紹了主減速器為了取得國內(nèi)民航型號合格證需要進行的試驗考核。

關(guān)鍵詞：直升機；減速器；設(shè)計

1 引言

AC313直升機是民用單旋翼帶尾槳直升機，配裝三臺渦軸發(fā)動機，最大起飛重量13.8噸。其主減速器的作用是將三臺發(fā)動機的輸出功率經(jīng)過變速和換向傳遞給主旋翼和尾旋翼；還為一些附件（包括直升機附件和主減速器附件）提供動力傳輸接口，例如：液壓泵、交流發(fā)電機、轉(zhuǎn)速表、冷卻風(fēng)扇和滑油泵等。

2 主減速器性能要求

主減速器主要技術(shù)指標(biāo)及總體設(shè)計要求如下：

2.1 使用環(huán)境

最大飛行高度：不高于7000米； 使用環(huán)境溫度：-40℃～60℃；

最低起動溫度：-40℃； 存放溫度：-55℃～70℃。

2.2 傳遞功率

最大連續(xù)功率2925kW，主旋翼轉(zhuǎn)速212rpm。

2.3 壽命要求

翻修間隔期：≥3000飛行小時

總壽命：≥9000飛行小時或 27000次工作循環(huán)

主要部件壽命：≥9000飛行小時或27000次工作循環(huán)

2.4 干運轉(zhuǎn)

在主減速器內(nèi)潤滑油泄漏完后，主減速器必須有至少30分鐘的繼續(xù)運轉(zhuǎn)能力。

2.5 安裝接口要求

主減速器安裝凸耳與法蘭、自由輪離合器與發(fā)動機輸入法蘭、旋翼剎車安裝座、伺服連接凸耳、自動傾斜儀扭力臂聯(lián)接、潤滑系統(tǒng)、兩個交流發(fā)電機、兩個液壓泵、一個轉(zhuǎn)速交流發(fā)電機。

3 主減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計

民用主減速器需要重點考慮整體的功能、性能、可靠性、維修性、保障性、經(jīng)濟型以及環(huán)保性等要求。

3.1 主體結(jié)構(gòu)方案

采用國際上常用結(jié)構(gòu)，共分為4級減速，即斜齒輪并車減速，螺旋錐齒輪換向減速和兩級行星減速，總減速比為28.6。三臺發(fā)動機通過主減速器實現(xiàn)并車，其功率經(jīng)主減速器傳輸給主旋翼及尾旋翼輸出，主減速器還安裝和驅(qū)動直升機有關(guān)部件和附件。

主減速器主要由機匣、齒輪傳動鏈、旋翼軸、滑油系統(tǒng)及其它輔助設(shè)備組成，包括以下組件、系統(tǒng)：前傳組件、主傳組件、后傳組件、滑油系統(tǒng)。

3.1.1 前傳組件。前傳組件位于主傳組件的前部，由前機匣、左右發(fā)動機輸入齒輪、并車主動齒輪、超越離合器、液壓泵傳動軸、風(fēng)扇傳動軸及其它連接件組成，并為伺服系統(tǒng)和風(fēng)扇提供安裝座。

左右發(fā)動機輸入齒輪、并車主動齒輪均選用圓柱斜齒輪，減速比為1.1。

3.1.2 主傳組件。主傳組件是主減速器的主體，由并車從動齒輪，換向錐齒輪傳動，Ⅰ、Ⅱ級行星傳動，旋翼軸，主機匣，上機匣和下機匣等組成。主機匣上安裝有滑油泵、滑油濾、溫度傳感器、壓力傳感器等輔助設(shè)備，并提供了與飛機平臺及前、后傳組件的接口和伺服機構(gòu)的安裝座。上機匣上還設(shè)有主減撐桿安裝凸耳。

主傳組件采用一級螺旋錐齒輪換向減速，減速比為2.1；兩級行星傳動減速，總減速比為8.1。

3.1.3 后傳組件。后傳組件由后機匣、后發(fā)動機輸入齒輪、尾輸出齒輪、旋翼剎車傳動軸、液壓泵傳動、交流發(fā)電機傳動、轉(zhuǎn)速表發(fā)電機傳動及其它連接件組成。在后機匣上還設(shè)有液壓泵、交流發(fā)電機、轉(zhuǎn)速表發(fā)電機和剎車裝置的安裝座。

后發(fā)動機輸入齒輪也采用圓柱斜齒輪，減速比為1，從動齒輪通過一根彈性軸與前傳組件左發(fā)動機輸入齒輪相連接，將功率傳遞到前傳組件。

3.1.4 滑油系統(tǒng)。滑油系統(tǒng)包括滑油潤滑系統(tǒng)和滑油冷卻系統(tǒng)，滑油潤滑系統(tǒng)由滑油泵、油池、潤滑油路、滑油噴嘴、滑油濾、溫度傳感器、壓力傳感器等組成，滑油冷卻系統(tǒng)由外部管路、散熱器和風(fēng)扇等組成。

滑油散熱系統(tǒng)包括2臺冷卻風(fēng)扇、2臺散熱器和管路。冷卻風(fēng)扇由主減速器驅(qū)動，以確保通過散熱器的空氣流通來達到冷卻滑油的目的。

3.2 機匣設(shè)計

機匣是直升機減速器最重要零件之一，其功能是在機匣內(nèi)安裝傳動齒輪、軸、軸承、潤滑冷卻、密封裝置并提供支撐，在機匣外提供各種類型附件的接口。機匣采用鑄造鎂合金AMS4439 RZ5制造，使用防腐涂層（例如樹脂等）可以保證鎂合金在惡劣環(huán)境條件下有最大的防護能力。

機匣設(shè)計采用UG軟件進行三維建模，完成設(shè)計后，需要應(yīng)用有限元軟件進行強度分析。根據(jù)分析結(jié)果找出載荷較大部位，然后加強局部結(jié)構(gòu)后再進行有限元強度校核，直到滿足設(shè)計要求為止。機匣模型確定后，應(yīng)用VERICUT軟件進行仿真加工，能夠大大加快設(shè)計及加工進度。

3.3 齒輪設(shè)計

主減速器中有直齒輪、斜齒輪和螺旋錐齒輪，分為動力齒輪、附件齒輪。齒輪材料選用國際上通用的高強度航空齒輪滲碳鋼AMS6308 X-53和AMS6265 AISI 9310。X-53目前國內(nèi)還未有使用先例。

航空齒輪的設(shè)計難點是保證承載能力的基礎(chǔ)上具有最小的重量和尺寸。齒輪的的尺寸由彎曲疲勞、表面接觸應(yīng)力（赫茲應(yīng)力）和擦傷（膠合）承載能力共同確定，齒輪必須具有抵抗上述三種失效的能力。齒輪強度分析方法分別采用ANSI/AGMA 2001-D04《漸開線直齒輪和斜齒輪輪齒基本承載能力系數(shù)和計算方法》和ANSI/AGMA 2003-C10《直齒錐齒輪、零度錐齒輪和螺旋錐齒輪抗點蝕能力和彎曲強度》。確定齒輪的尺寸是一個反復(fù)計算的過程，選定尺寸后，還需要對齒頂和齒厚修形，以達到均衡齒輪印痕、平衡輪齒強度、避免齒頂太薄等問題出現(xiàn)。

3.4 軸承設(shè)計

3.4.1 主傳動鏈軸承。主傳動鏈載荷大，軸承要選擇承載能力大、精度高、可靠性高的種類。

行星齒輪軸承選擇雙排調(diào)心滾子軸承，具有自身的定位能力及最大的徑向承載能力。

3.4.2 附件軸承。一般附件傳動載荷較小，因此選用球軸承來承受較輕的徑向和軸向載荷。對于有斜齒輪及螺旋錐齒輪的附件傳動，選用球軸承和滾子軸承混合使用。

3.4.3 軸承的潤滑。要在盡可能的地方對軸承通過旋轉(zhuǎn)軸、軸承內(nèi)環(huán)與軸徑上的機加孔以噴油形式進行潤滑，不能滿足此要求時要使用外部滑油噴嘴對軸承進行潤滑。

4 試驗考核

AC313/GL主減速器為滿足研制、鑒定及適航取證的需要，必須對部分關(guān)鍵零部件、系統(tǒng)及整機進行試驗及測試。

4.1 零部件試驗

試驗的目的是驗證零部件的靜強度、疲勞強度，以及對零部件的使用壽命進行確定。因此，零部件試驗分為靜強度試驗及疲勞強度試驗。

4.2 整機試驗

包括靜力試驗、調(diào)整試驗、潤滑試驗、齒輪接觸印痕試驗、溫度場試驗、驗收試驗、飛行前臺架試驗、整機疲勞試驗、持久試驗、干運轉(zhuǎn)試驗、“鐵鳥”試驗、地面系留試驗等。

5 結(jié)束語

AC313主減速器采用了許多當(dāng)前國際上先進的設(shè)計方法、設(shè)計理念以及航空材料，將為國內(nèi)的直升機主減速設(shè)計提供借鑒經(jīng)驗。

參考文獻

[1]航空發(fā)動機設(shè)計手冊第13冊減速器設(shè)計.航空工業(yè)出版社.

[2]飛機設(shè)計手冊第19冊直升機設(shè)計.航空工業(yè)出版社.