重型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀分析

摘 要：傳動(dòng)系統(tǒng)是重型直升機(jī)的關(guān)鍵組件，對(duì)直升機(jī)的整體性能有重大影響。文章分析了重型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)了主要的傳動(dòng)系統(tǒng)類型，并介紹了傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的發(fā)展，對(duì)重型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：重型直升機(jī)；傳動(dòng)系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)；現(xiàn)狀

引言

重型直升機(jī)是起飛重量大于20噸，內(nèi)載或外掛能力大于8噸的運(yùn)輸直升機(jī)。其特點(diǎn)是具有較快的速度和極大的運(yùn)載能力，能通過內(nèi)部或外部吊掛運(yùn)輸重型施工設(shè)備或大型武器裝備，且無需機(jī)場起降。重型直升機(jī)在軍事活動(dòng)中得到廣泛使用，使得傳統(tǒng)的作戰(zhàn)模式和戰(zhàn)術(shù)發(fā)生變革。在重大搶險(xiǎn)救災(zāi)中，重型直升機(jī)也發(fā)揮著巨大的作用，它能快速運(yùn)送受災(zāi)人員和傷員，運(yùn)輸物資和大型設(shè)備。

傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)和旋翼系統(tǒng)是直升機(jī)上三個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)動(dòng)組件。傳動(dòng)系統(tǒng)的功能是將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力按比例分配給主旋翼、尾旋翼以及其他附件，并將來自發(fā)動(dòng)機(jī)和旋翼的載荷傳遞給機(jī)身[1]。傳動(dòng)系統(tǒng)由主變速箱、主傳動(dòng)軸、尾傳動(dòng)軸、中變速箱和尾變速箱等部件構(gòu)成。直升機(jī)的整體性能很大程度上取決于傳動(dòng)系統(tǒng)的性能，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究是十分必要的。

1 重型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)特征

重型直升機(jī)主要用途是運(yùn)輸大型設(shè)備，與普通直升機(jī)相比，傳動(dòng)系統(tǒng)具有獨(dú)特的技術(shù)特征。

1.1 高輸入轉(zhuǎn)速

目前，大部分的重型直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部都沒有設(shè)計(jì)減速箱，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出速度可以由以前的6000r/min達(dá)到現(xiàn)在的20000r/min[2]。因此，傳動(dòng)系統(tǒng)的主減速器需要針對(duì)高輸入速度進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能滿足直升機(jī)傳動(dòng)的要求。

1.2 高功率密度

重型直升機(jī)的載重量比普通直升機(jī)要高很多，使用高功率密度的傳動(dòng)系統(tǒng)可以減少直升機(jī)的凈重，增加它的有效負(fù)載，提升整體性能。在傳動(dòng)系統(tǒng)中使用高強(qiáng)度材料和高效的潤滑系統(tǒng)有助于提高功率密度。目前，主減速器的質(zhì)量系數(shù)已經(jīng)降到0.06以下，功率密度很高。

1.3 長壽命、高可靠性和良好的可維護(hù)性

重型直升機(jī)的服役時(shí)間比普通直升機(jī)更長，為了降低生命周期成本，傳動(dòng)系統(tǒng)需要有更長的壽命，更高的可靠性和更好的可維護(hù)性。在傳動(dòng)系統(tǒng)中，有相當(dāng)數(shù)量的關(guān)鍵零部件，一旦它們出現(xiàn)故障，就可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，因而高可靠性對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)十分必要。高可靠性也讓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、測試、維護(hù)、檢測變得更加困難。

1.4 高效率

由于直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速之間存在巨大的差異，傳動(dòng)系統(tǒng)的主減速器應(yīng)該包含了多個(gè)復(fù)雜齒輪系，這對(duì)變速箱的傳動(dòng)效率有顯著影響。為了提高運(yùn)輸?shù)男?，在傳?dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用效率更高的傳動(dòng)元件是十分必要的。在先進(jìn)的傳動(dòng)系統(tǒng)中，主減速器的單級(jí)傳動(dòng)效率已可達(dá)到97%。

1.5 高生存能力

重型直升機(jī)可能進(jìn)行長途的運(yùn)輸作業(yè)，途中可能發(fā)生減速箱潤滑油異常泄露的情況。按照適航規(guī)定，傳動(dòng)系統(tǒng)必須在失去潤滑的情況下依然能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間。對(duì)于先進(jìn)的傳動(dòng)系統(tǒng)來說，無潤滑的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間可達(dá)一個(gè)小時(shí)。另外，重型直升機(jī)需要具備一定的防撞性，以提高它在危險(xiǎn)情況下的生存能力。

2 重型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)架類型

目前普遍使用在重型直升機(jī)上的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有以下兩種（如圖1所示），它們不僅滿足傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，而且設(shè)計(jì)和制造相對(duì)簡單，可靠性較高。

2.1 A型傳動(dòng)構(gòu)架

這是目前應(yīng)用最廣泛的主齒輪箱結(jié)構(gòu)，它的結(jié)合方式分成三個(gè)階段，分別是圓柱齒輪結(jié)合階段、錐齒輪角轉(zhuǎn)階段和行星齒輪階段。它適用于中型重型直升機(jī)，有大量設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)例做論證，而且行星輪系的減速比較大，可以適用于較高的輸入轉(zhuǎn)速。但是這種類型的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)體積和質(zhì)量都比較大，而且錐齒輪所受的載荷較大，噪聲和振動(dòng)較大。

CH-47支奴干運(yùn)輸機(jī)[3]采用A型傳動(dòng)構(gòu)架，它是由美國波音公司研發(fā)并制造的多功能、雙引擎，雙螺旋槳的中型運(yùn)輸直升機(jī)。CH-47采用典型的串聯(lián)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，前旋翼和后旋翼都有發(fā)動(dòng)機(jī)和并車傳動(dòng)系統(tǒng)，并車傳動(dòng)系統(tǒng)將兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸入，并傳入前后旋翼。其主減速箱結(jié)構(gòu)第一級(jí)是錐齒輪傳動(dòng)，第二級(jí)是簡單的行星輪系傳動(dòng)，前后的減速比可達(dá)30.73：1。

2.2 B型傳動(dòng)構(gòu)架

相對(duì)于A型，這種傳動(dòng)方式較為新穎，它的結(jié)合方式也分成三個(gè)階段，分別是錐齒輪角轉(zhuǎn)階段、圓柱齒輪嚙合階段和行星齒輪階段。其適用于大型直升機(jī)，兩個(gè)距離較遠(yuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠很好地實(shí)現(xiàn)并車；行星輪系和螺旋錐齒輪相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比的減速；并且通過分路傳動(dòng)，避載荷集中。但是這種方式只適用于大型直升機(jī)，而且造價(jià)高，要求加工精度高。

MI-26重型直升機(jī)[4]的傳動(dòng)系統(tǒng)是較為特殊的B型傳動(dòng)構(gòu)架，其無行星輪系分扭傳動(dòng)，第一階段是發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩被直接分配在四個(gè)螺旋錐齒輪上，實(shí)現(xiàn)變向和一級(jí)減速；第二階段是由斜齒輪傳動(dòng)，將扭矩傳出；第三階段是由8個(gè)正齒輪對(duì)進(jìn)行傳動(dòng)，中心兩個(gè)主齒輪實(shí)現(xiàn)并車。這樣的結(jié)構(gòu)保證了旋翼輸出足夠的力矩，且整個(gè)主齒輪的受力較為分散，對(duì)齒輪磨損較小。

3 重型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件

3.1 齒輪

除了傳統(tǒng)的漸開線齒輪，橫向接觸率超過2的螺旋錐齒輪也被用在了傳動(dòng)系統(tǒng)中[5]。螺旋錐齒輪是基于齒面接觸分析（TCA）和負(fù)載齒面接觸分析（LTCA）設(shè)計(jì)開發(fā)的。運(yùn)用這種分析方法設(shè)計(jì)螺旋錐齒輪，能夠考慮到載荷作用下的結(jié)構(gòu)變形的影響，并且得到齒輪實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的最好的接觸模式。

一些傳動(dòng)系統(tǒng)中也開始使用面齒輪傳動(dòng)，其最大優(yōu)點(diǎn)是小齒輪的橫向位置誤差對(duì)嚙合性能沒有影響[6]。但是由于齒輪嚙合時(shí)接觸寬度的微小變動(dòng)，齒寬測定、強(qiáng)度計(jì)算、齒面磨損成了面齒輪研究的難點(diǎn)。

在齒輪系的結(jié)構(gòu)方面，除了改進(jìn)傳統(tǒng)的簡單行星輪系外，傳動(dòng)系統(tǒng)也采用了各種其他類型的行星輪系，如高重合度行星輪系和無軸承行星輪系。無軸承行星輪系具有重量輕、高可靠性和同軸輸出的特點(diǎn)，在未來的傳動(dòng)系統(tǒng)中很有發(fā)展?jié)摿Α?

3.2 軸承

軸承是傳動(dòng)系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)部件（軸、齒輪）的重要支承部件。各種類型的軸承被用在傳動(dòng)系統(tǒng)中，如滾珠軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、調(diào)心滾子軸承等[6]。直升機(jī)軸承采用集成化設(shè)計(jì)，保證了其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。在實(shí)際工作中，軸承需要承受的軸向載荷很大，甚至達(dá)到13噸，因此超高載荷的軸承采用多列軸承配對(duì)結(jié)構(gòu)，并合理配置軸承支承，實(shí)現(xiàn)均載。另外，主減速器的輸入轉(zhuǎn)速最大達(dá)到20000r/min，導(dǎo)致軸承的工作轉(zhuǎn)速極高，因而采用高精度軸承，并使用陶瓷滾動(dòng)體和鍍銀的鋼制保持架來降低其摩擦系數(shù)。

目前，大量研究集中在軸承材料、熱處理、表面處理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和檢測方面，M50NiL、陶瓷滾動(dòng)體等新材料以及二次淬硬等新技術(shù)有效提高了軸承的疲勞極限和承受高速、高載荷的性能。軸承帶安裝邊設(shè)計(jì)、軸承-軸一體化設(shè)計(jì)，有效地避免了軸承配合面的微動(dòng)磨損。在軸承壽命方面，由于使用了新材料并提高了安裝精度，軸承的壽命增加了4到6倍[6]。

3.3 超越離合器

超越離合器是保證發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)主減速器之間按要求及時(shí)接合、脫開的關(guān)鍵動(dòng)部件[2]。傳動(dòng)系統(tǒng)一般采用滾柱離合器、斜撐離合器和高速彈簧離合器。滾柱離合器已經(jīng)應(yīng)用在輸入轉(zhuǎn)速6000r/min以內(nèi)的主減速器中；斜撐離合器能夠承受更大的轉(zhuǎn)速，但也不超過12000r/min。高速彈簧離合器能夠適用于轉(zhuǎn)速超過20000r/min的主減速器，其組件只有斜撐離合器的一半，具有重量輕、高可靠性的特點(diǎn)。然而，它的運(yùn)轉(zhuǎn)條件比較嚴(yán)苛，對(duì)彈簧的要求很高，而且難以加工制造。

4 結(jié)束語

總的來說，重型直升機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)向著高功率密度、高效率、高可靠性、長壽命的方向發(fā)展，這就導(dǎo)致了傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷進(jìn)步來滿足高性能的要求。在關(guān)鍵零部件方面，螺旋錐齒輪、無軸承行星輪系、高精度軸承、高速彈簧離合器等新型的零部件在傳動(dòng)系統(tǒng)中得以利用，使得傳動(dòng)結(jié)構(gòu)零件減少，重量減輕，可靠性增強(qiáng)。隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，重型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)不在局限于傳統(tǒng)的定傳動(dòng)比、定軸傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等結(jié)構(gòu)形式，變速比傳動(dòng)、傾斜傳動(dòng)、電傳動(dòng)等新型傳動(dòng)形式將逐步進(jìn)入工程應(yīng)用。今后，傳動(dòng)系統(tǒng)的研究應(yīng)在優(yōu)化改進(jìn)傳統(tǒng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，探尋新型的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

[1]John J.Coy，Robert C.Bill： Advanced transmission studies[C].44th Annual Forum of the American helicopter Society，1988.

[2]G White. Design study of a split-torque helicopter transmission[J].IMechE，1998：158-165.

[3]Zachary S. Henry： Bell helicopter advanced rotorcraft transmission （ART） program[R].NASA contractor report 195479，1992.

[4]丁文強(qiáng).國外先進(jìn)的直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)研究[C].北京：中國國防科學(xué)技術(shù)報(bào)告，2002：34-37.

[5]Joseph W. Lenski. Boeing helicopters advanced rotorcraft transmission（ART） program summary of component tests[C]. AIAA/SAE/ASME/ASEE 28th Joint Propulsion conference and exhibit，1992.

[6]Robert F. Handschuh， James J. Zakrajsek. Current research activities in drive system technology in support of the NASA rotorcraft program[C]. The vertical lift aircraft design conference，2006.

作者簡介：陳博（1992-），男，四川成都人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。