無人直升機多功能離合器設(shè)計與試驗

孫榮哲大連浦州航空科技有限公司

無人直升機多功能離合器設(shè)計與試驗

孫榮哲
大連浦州航空科技有限公司

針對小型無人直升機傳動系統(tǒng)的動力傳遞與斷開要求，設(shè)計了一種具有超越功能的離心式離合器。與原發(fā)動機附帶離合器相比，該離合器結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、重量輕、具有單向傳動功能(超越功能)等優(yōu)點。

離心離合器 超越

0 引言

由于活塞發(fā)動機具有耗油率低、起動方便、加速性好、技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于小型無人機。為保證發(fā)動機在低負載工況下啟動，多在發(fā)動機動力輸出端安裝啟動離合器。當(dāng)發(fā)動機啟動后，啟動離合器按整機要求接合離合器，傳遞轉(zhuǎn)矩。為增加飛機安全性，直升機多在傳動系統(tǒng)中安裝超越離合器，其目的是當(dāng)發(fā)動機在高空發(fā)生故障突然停車時斷開傳動，旋翼不必驅(qū)動已經(jīng)熄火的發(fā)動機，直升機可以依靠旋翼系統(tǒng)的慣性自轉(zhuǎn)下滑著陸，減少傷亡和損失。

啟動離合器以離心式離合器居多，其常用機構(gòu)如圖1所示。內(nèi)環(huán)裝在發(fā)動機輸出主軸上，與發(fā)動機主軸同步轉(zhuǎn)動。離合塊被彈簧緊壓在內(nèi)環(huán)上，可以沿圓柱銷徑向滑動，依靠圓柱銷傳遞轉(zhuǎn)矩。當(dāng)發(fā)動機啟動和怠速時，轉(zhuǎn)速較低，摩擦塊離心力小于彈簧的向心合力，摩擦塊上蹄片與外環(huán)完全分離。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐漸提高，離合塊的離心力逐漸增大，當(dāng)離心力大于彈簧力時，離合塊沿圓柱銷向外移動與外環(huán)接觸，開始傳遞轉(zhuǎn)矩。當(dāng)離合塊與外環(huán)之間的摩擦力(離心力與彈簧向心合力差乘以摩擦系數(shù))乘以外環(huán)的半徑得到的轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動機輸出扭矩時，離合器完全接合。在額定工作轉(zhuǎn)速下應(yīng)保證離合器最大轉(zhuǎn)矩傳遞能力大于發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，安全系數(shù)取n>1.5，防止離合器打滑。

① 內(nèi)環(huán) Inner ring；② 離合塊 Centrifugal block；③ 圓柱銷 Cylindrical pin；④ 彈簧 Spring；⑤ 蹄片 Shoe；⑥ 外環(huán) Outer ring

直升機上使用的超越離合器以楔塊式為主，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。楔塊為實現(xiàn)超越功能的主要零件，其原理見圖3所示。以內(nèi)環(huán)主動順時針旋轉(zhuǎn)為例，當(dāng)內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速大于外環(huán)轉(zhuǎn)速時，楔塊在彈簧力，摩擦力的作用下楔緊內(nèi)外環(huán)并自鎖，離合器為接合狀態(tài)。當(dāng)內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速小于外環(huán)轉(zhuǎn)速，楔塊在摩擦力的作用下克服彈簧力，內(nèi)外環(huán)脫離，離合器為超越狀態(tài)，不能傳動轉(zhuǎn)矩。

① 外環(huán) Outer ring；② 內(nèi)環(huán) Inner ring；③ 楔塊 Wedge；④ 擋銷 Stop pin；⑤ 彈簧 Spring

直升機同時使用了以上兩種離合器來實現(xiàn)不同工況下動力傳動的接合與脫離要求。兩種離合器的結(jié)構(gòu)也比較相近，都使用了內(nèi)環(huán)與外環(huán)，內(nèi)外環(huán)之間為功能元件。由此而產(chǎn)生一個設(shè)計課題：能否使用一種離合器同時得到兩種功能，達到減少重量，簡化結(jié)構(gòu)的目的？

本文闡述了一種離合器的設(shè)計方法，在離心式離合器的基礎(chǔ)上增加了連桿機構(gòu)，利用壓力角原理實現(xiàn)正反向力矩差，實現(xiàn)超越功能。

1 指標(biāo)要求

根據(jù)某小型直升機總體設(shè)計要求，離合器要求如下：

離合器重量：<3 kg；

發(fā)動機怠速：1900～2100 r/min，此范圍內(nèi)離合器完全脫離；

過渡接合轉(zhuǎn)速：2200～3000 r/min，此范圍內(nèi)離合器逐漸嚙合，要求過渡平穩(wěn)；

額定工作轉(zhuǎn)速：5500 r/min，此時離合器工作儲備系數(shù)1.7～2.2；

超越狀態(tài)轉(zhuǎn)矩：<5 kNm。

2 設(shè)計原理與結(jié)構(gòu)

如圖4所示，利用壓力角的正向增矩與反向卸載原理，正常工作狀態(tài)與發(fā)動機突然停車狀態(tài)的Ft(外環(huán)對離合器塊的摩擦力)方向相反，造成離合器塊與外環(huán)間的壓力不同，導(dǎo)致離合器塊與外環(huán)間的最大摩擦力不同。

圖中及公式中符號含義為：Fr離合塊離心力；Fs彈簧合力；Fp外環(huán)對離合器塊的正壓力；Ft外環(huán)對離合器塊的摩擦力；Fl連接板拉力(或推力)；α壓力角；R離合器半徑；f摩擦系數(shù)；M正向最大轉(zhuǎn)矩；M’反向最大轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)發(fā)動機正常工作驅(qū)動負載時，最大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)力平衡方程為

Fp+Fs-Fr-Fl×sinα=0

M=Ft×R=Fp×f×R

Ft=Fl×cosα

(1)

當(dāng)發(fā)動機突然熄火，被動旋轉(zhuǎn)時，F(xiàn)t與Fl反向，此時力平衡方程為：

Fp+Fs-Fr+Fl×sinα=0

(2)

由(1)、(2)式可以得到結(jié)論：只要tanα足夠大就可以得到足夠大的M和足夠小的M’。在額定轉(zhuǎn)速下，當(dāng)發(fā)動機突然熄火時，旋翼等元件在慣性力的驅(qū)動下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動發(fā)動機。一旦離合器的反向驅(qū)動轉(zhuǎn)矩M’小于發(fā)動機固有的被動轉(zhuǎn)矩，離合器將發(fā)生滑動，發(fā)動機轉(zhuǎn)速將會迅速降低，而離合塊的離心力與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的二次方成正比(Fr=ω2r)，從而導(dǎo)致M’的進一步降低，離合器將徹底分離。

離合器結(jié)構(gòu)圖Structureofthemulti-functionclutch正常工作狀態(tài)離合塊受力分析圖Forceanalysisofcentrifugalblockatnormalstate發(fā)動機突然停車時離合塊受力分析圖Forceanalysisofcentrifugalblockwhenenginglost

3 具體參數(shù)計算選定

已知：發(fā)動機轉(zhuǎn)矩曲線及反向驅(qū)動時的轉(zhuǎn)矩，如圖5所示，額定轉(zhuǎn)速(5500 r/min)下發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩為68 Nm，反向驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為65.5 Nm，取工作儲備系數(shù)為1.88(同原離合器)。得：M=127.84 Nm，M’=65 Nm。再將(1)式與(2)式相除可得：

離合器半徑：R=45 mm

離合塊質(zhì)量：m=0.178 kg

離合塊質(zhì)心半徑：r=34 mm

彈簧合力Fs=430 N；

單個彈簧預(yù)緊力Fs1=248 N。

利用MATLAB函數(shù)計算和繪圖功能將發(fā)動機轉(zhuǎn)矩曲線、發(fā)動機被動轉(zhuǎn)矩曲線、原離合器轉(zhuǎn)矩曲線以及本設(shè)計離合器正向與反向轉(zhuǎn)矩曲線繪制成圖5。從圖5上我們可以看出新設(shè)計的離合器正常工作狀態(tài)與原離合器基本一致，曲線基本重合。而發(fā)動機突然停車時，旋翼等慣性部件反向驅(qū)動發(fā)動機，這時離合器可傳遞轉(zhuǎn)矩小于發(fā)動機被動轉(zhuǎn)矩。從而導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速降低，離合器完全脫離。

圖5

4 產(chǎn)品試驗驗證

按計算結(jié)果設(shè)計離合器，結(jié)構(gòu)如圖4所示。試制產(chǎn)品安裝于無人直升機。發(fā)現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速下發(fā)動機突然停車時，實測離合器脫離轉(zhuǎn)速為5400 r/min，與理論計算(立即脫離)不符，懷疑其原因為摩擦系數(shù)偏小。通過調(diào)整連扳長度(見圖4)調(diào)節(jié)壓力角為53度，調(diào)節(jié)后裝機試驗，實測數(shù)據(jù)繪制工作過程轉(zhuǎn)速圖并與原離合器比較如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 正常工作過程轉(zhuǎn)速曲線(原離合器)

圖7 發(fā)動機突然停車轉(zhuǎn)速圖(原離合器)

圖8 發(fā)動機突然停車轉(zhuǎn)速圖(自研離合器)

圖6所示為安裝原離心離合器，未安裝超越時，發(fā)動機正常工作一個任務(wù)循環(huán)轉(zhuǎn)速實測數(shù)據(jù)曲線。發(fā)動機怠速2600 r/min，此時離合器外環(huán)不轉(zhuǎn)。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2800 r/min時，離合器外殼轉(zhuǎn)速逐漸提高(斜線向上)直至轉(zhuǎn)速一致，完全接合。正常飛行段曲線完全重合，說明離合器接合可靠，沒有打滑現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐漸下降時，兩曲線保持重

合。在3200 r/min轉(zhuǎn)速時，應(yīng)為發(fā)動機被人為設(shè)定怠速，所以曲線出現(xiàn)拐點，發(fā)動機與離合器外環(huán)轉(zhuǎn)速急劇下降，下降至2800 r/min時離心離合器脫離，離合器外環(huán)被旋翼及傳動系統(tǒng)的慣性驅(qū)動逐漸自由降速；發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速降至怠速2400 r/min(熱車怠速比剛啟動時稍低)，然后被停車。

圖7所示為安裝原離心離合器，未安裝超越時，發(fā)動機在額定轉(zhuǎn)速時突然停車時的轉(zhuǎn)速實測數(shù)據(jù)曲線。曲線前半段基本與圖6相同，飛機工作正常。在飛機運行300秒時發(fā)動機突然停車。發(fā)動機與離合器外環(huán)轉(zhuǎn)速急劇下降，下降至2800 r/min時離心離合器脫離，離合器外環(huán)被旋翼及傳動系統(tǒng)的慣性驅(qū)動逐漸自由降速；發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速降至0。

圖8所示為安裝自研的具有超越功能的離合器，發(fā)動機在額定轉(zhuǎn)速時突然停車時的轉(zhuǎn)速實測數(shù)據(jù)曲線。曲線前半段基本與圖6、圖7相同，飛機工作正常。在飛機運行285秒時發(fā)動機突然停車。離合器內(nèi)外環(huán)迅速脫離，離合器外環(huán)被旋翼及傳動系統(tǒng)的慣性驅(qū)動逐漸自由降速；發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速降至0。

結(jié)論：該離合器在發(fā)動機正常工作時，具備了離心式離合器的功能，保證發(fā)動機的正常啟動以及額定工作轉(zhuǎn)速時的飛行可靠。在發(fā)動機突然故障停車時，該離合器能夠迅速脫離，使旋翼處于自由狀態(tài)，以保證直升機自轉(zhuǎn)著陸要求。

自研離合器最終參數(shù)如下：

離合器重量：1.2 kg；比原離心離合器輕0.42 kg；

發(fā)動機怠速時離合器完全脫離；

過渡嚙合轉(zhuǎn)速：2500～2800 r/min，過渡平穩(wěn)；

額定工作轉(zhuǎn)速：5500 r/min，此時離合器工作儲備系數(shù)1.79；

超越扭矩：0 Nm

(完全脫離)。

自研離合器完全達到設(shè)計指標(biāo)要求，滿足整機要求。

[1] 《機械設(shè)計手冊》第二卷，主編 成大先?；瘜W(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2] 《CFL楔塊超越離合器結(jié)構(gòu)及應(yīng)用》朱春梅，孔煒。起重運輸機械，2005.

Multi-function clutch design and test of unmanned helicopter

SunRongzhe
PANWOOAviationTechnologyCo.,Ltd

In order to meet the demand of the Transmission System of Helicopter, I designed a multi-function clutch. The clutch have the function of centrifugal clutch and overrunning clutch. Compared with original clutch which is a accessory of engine, The clutch has following advantage of simple structure, steady performance, light-weight and multi-function.

centrifugal clutch overrunning

1006-8244(2017)01-028-04

孫榮哲，大連浦州航空科技有限公司，

V233.1+2

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