共軸對轉雙旋翼直升機主減速器構型分析

■ 嚴岳勝 鄭青春 張志龍 孫炫琪 / 中國航發(fā)動研所

與固定翼飛機相比，直升機存在飛行速度低、航程短等不足，因此高速直升機成為未來發(fā)展的趨勢之一。共軸對轉雙旋翼為高速直升機采用較多的構型，針對其主減速器構型開展研究尤為迫切。

直升機傳動系統(tǒng)按結構形式可分為單旋翼、縱列旋翼、交叉旋翼、共軸對轉雙旋翼等類型（如圖1所示）。近年來，隨著高速直升機技術的不斷發(fā)展，復合高速直升機成為重點研究和發(fā)展的方向，其中較為典型的是SB-1直升機（如圖1（c）所示）。作為一款共軸對轉雙旋翼高速直升機，SB-1的巡航速度高達460km/h，而傳統(tǒng)構型的直升機最大前飛速度通常只有300km/h左右。

共軸對轉雙旋翼直升機的特點

共軸對轉雙旋翼直升機與單旋翼直升機的主要區(qū)別在于，它在相互同心的軸上安裝兩副轉速相等且轉向相反的旋翼。由于旋翼轉速相等、轉向相反，兩副旋翼產(chǎn)生的反作用力矩可以相互平衡，不需要用尾槳來平衡旋翼產(chǎn)生的反作用力矩。

共軸對轉雙旋翼直升機的優(yōu)點

與單旋翼直升機相比，共軸對轉雙旋翼直升機有如下優(yōu)點。

第一，由于采用上、下兩旋翼，與相同質量的單旋翼直升機相比，旋翼長度/旋轉面積減小，旋翼半徑約為單旋翼直升機的70%。由于沒有尾槳，共軸對轉雙旋翼直升機結構更加緊湊，機身較單旋翼直升機短，縱向尺寸也僅為單旋翼直升機的60%左右，適于在艦艇的狹小空間使用。

第二，由于共軸對轉雙旋翼直升機結構質量以及載荷均集中在直升機的重心位置，因此直升機的俯仰、偏航轉動慣量較單旋翼直升機減少。兩副共軸反向旋轉的旋翼具有氣動特性對稱、懸停效率和安全性高、機動性和操縱性好等特點。

第三，由于雙旋翼直升機沒有尾槳，從而提高了其生存率。共軸對轉雙旋翼直升機相較于單旋翼直升機，消除了潛在的尾槳故障隱患以及在飛行中因尾梁的振動、變形引起的尾槳傳動機構的故障隱患。

圖2 卡-28主減速器主傳動鏈簡圖

共軸對轉雙旋翼直升機存在的問題

雖然共軸對轉雙旋翼直升機具有顯著的優(yōu)勢，但也存在以下突出問題。

第一，由于采用上、下兩副旋翼，旋翼之間的氣流會相互干擾，甚至可能發(fā)生碰撞（卡-50直升機曾經(jīng)因上下兩片旋翼碰撞而墜毀），因此兩副旋翼要留有足夠的間距，這就要求共軸對轉雙旋翼直升機的高度要遠高于單旋翼直升機的高度。

卡-28、卡-52（共軸對轉雙旋翼直升機）的高度均為5.4m，與它們質量相當?shù)闹?、米-28（單旋翼直升機）的高度分別為4.01m、3.82m。

第二，由于上、下旋翼槳轂、操縱系統(tǒng)等非流線型部件的數(shù)量、體積均大于單旋翼直升機并曝露在氣流中，所以共軸對轉雙旋翼直升機的氣動阻力較單旋翼直升機要大，會對飛行速度造成較大影響。

第三，由于采用共軸對轉雙旋翼構型，直升機的傳動機構、操縱系統(tǒng)要比單旋翼的復雜得多，質量增大，可靠性也會有所降低。

由于存在上述問題，俄羅斯的卡-92目前僅為概念機，卡-50/52也在競爭中不敵米-28N。共軸對轉雙旋翼直升機僅在俄羅斯海軍和各國無人機領域有較多的應用。

然而，隨著剛性旋翼技術的發(fā)展，出現(xiàn)了SB-1這種采用剛性共軸雙旋翼加尾槳構型的復合式直升機，其剛性旋翼縮短了兩副旋翼之間的距離，同時，尾槳推進器可以明顯提升飛行速度，傳統(tǒng)共軸對轉雙旋翼直升機的性能限制被打破，這也成為高速直升機的一個新的發(fā)展方向。

共軸對轉雙旋翼主減速器的典型構型分析

直升機傳動系統(tǒng)是連接動力系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)，傳遞運動和動力，且能改變運動的速度和方向的裝置，它與發(fā)動機、旋翼系統(tǒng)一起并稱為直升機的三大關鍵動部件。其中，主減速器是直升機上主要傳動部件之一，也是傳動裝置中最復雜、最大、最重要的一個部件。與單旋翼主減速器相比，共軸對轉雙旋翼主減速器結構更為復雜。

封閉差動行星輪系共軸構型

封閉差動行星輪系共軸構型主減速器，不論前面幾級采用“先并車后換向”“先換向后并車”，還是“同時換向并車”，最后一級都是采用封閉差動行星輪系。該構型在俄羅斯卡系列直升機的主減速器中被廣泛應用，如卡-28、卡-50等直升機主減速器。

本文以卡-28直升機主減速器的封閉差動行星輪系為例對該結構進行說明。從卡-28主速器減主傳動鏈（如圖2所示）可以看出，其第一級為圓柱齒輪減速并車，第二級為錐齒輪減速換向，第三級采用封閉差動行星輪系——以差動輪系為基礎，采用星形定軸輪系來封閉差動輪系，形成自由度為1的輪系，以星形定軸輪系的太陽齒輪為輸入，通過差動輪系的行星架和內齒圈實現(xiàn)兩路輸出。

該結構的主要特點是：主減工作時星形定軸輪系的內齒圈驅動差動輪系的內齒圈，相對于差動輪系反向旋轉，降低了差動輪系的相對傳動比（卡-28主減速器星形定軸輪系的減速比為6.273∶1，差動輪系減速比為3.636∶1），使差動輪系可布置更多行星齒輪且結構尺寸緊湊。

封閉差動行星輪系具有體積小、傳動比范圍大、效率高、承載能力強和工作平穩(wěn)等優(yōu)點，同時差動輪系還可以用于速度的合成與分解或用于變速傳動。但其配齒困難、結構較復雜、制造精度要求較高、制造安裝較困難。

圖3 定軸內外嚙合共軸構型

圖4 西科斯基專利號為US 7413142B2的主減速器傳動結構

圖5 西科斯基專利號為US 8870538B2的主減速器傳動結構

定軸內外嚙合共軸構型

定軸內外嚙合共軸構型主減速器的最后一級是通過定軸輪系分別與共軸的圓柱齒輪和內齒圈進行嚙合，實現(xiàn)轉速相等、轉向相反的共軸輸出，其結構如圖3所示。該結構在卡-26主減速器和西科斯基專利號為US 7413142B2的主減速器（如圖4所示）中有所應用。

本文以西科斯基專利為例，對該結構進行說明。該專利為高速復合直升機用主減速器構型，雙發(fā)輸入，主傳動鏈為3級傳動。同時，通過兩級圓柱齒輪減速傳動，將功率由圓柱齒輪傳輸給尾槳推進器。與傳統(tǒng)復合行星輪系結構布局相比，該結構更簡單，齒輪數(shù)量少，所需的軸承數(shù)量也少，主減速器的質量更輕。另外，該結構的主減速器的高度較低，安裝平臺能布置在更高位置，可增大直升機的艙內空間。

面齒輪共軸構型

面齒輪共軸構型主減速器最后一級為兩個共軸反向旋轉的面齒輪副，實現(xiàn)轉速相等、轉向相反的共軸輸出。本文以西科斯基專利號為US 8870538B2的主減速器傳動結構為例，其結構如圖5所示。一般主減速器的最后一級齒輪的輸出轉速低、扭矩大，為了承受大的扭矩，與內外旋翼軸相連的從動大齒輪的尺寸都較大。該專利為3級傳動，其結構的最后一級為面齒輪輸出，并使用了功率分流，可以有效地減小主減速器的外廓尺寸和質量。同時，該結構的另一個特點就是在兩個面齒輪之間使用了一個大的推力軸承，使其高度方向的結構更緊湊，減小了主減速器的高度。

簡單傳動共軸構型

簡單傳動共軸構型主減速器（如圖6所示）分無功率分流和功率分流兩種類型，其中功率分流型傳動一般有均扭機構。該結構在“海鷗”無人機的主減速器（如圖7所示）、西科斯基專利號為US 20150060596A1的主減速器（如圖8所示）中有所應用。

當前美國西科斯基公司研制的輕型武裝偵察直升機S-97（最大起飛質量為5t）的主減速器就是使用了簡單傳動構型。該構型主減速器的主傳動鏈采用3級傳動：第一級為錐齒輪減速換向；第二級為圓柱齒輪減速并進行功率分流；第三級為圓柱齒輪減速并車。

該類型主減速器結構簡單、齒輪軸承等構件數(shù)量較少，維修較方便、可靠性較高，如設計得當，質量不一定比行星齒輪傳動的主減速器大。對大功率主減速器，可以采用功率分流傳動或采用圓弧齒輪、高重合度齒輪等，以顯著提高減速器的強度和疲勞壽命。

圖6 簡單傳動共軸構型

圖7 "海鷗"無人機主減速器傳動簡圖

圖8 西科斯基專利號為US 20150060596A1的主減速器傳動結構

各種構型的特點和差異

在目前收集到的共軸對轉雙旋翼主減速器相關資料中，除采用1級或2級的簡單傳動構型用于無人機或輕型直升機的主減速器外，其他主要為俄羅斯的卡莫夫設計局的封閉差動行星輪系構型和美國西科斯基公司的3種專利構型。從上面對這幾種構型的分析可以看出，西科斯基的3項專利與俄羅斯的封閉差動行星輪系構型在結構上有顯著的區(qū)別，體現(xiàn)了兩種不同的設計風格，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

第一，封閉差動行星輪系構型與西科斯基的3項專利相比，結構更復雜，要實現(xiàn)內外旋翼軸的轉速完全相等，配齒非常困難；同時，該構型因為有多個行星輪和星輪，所以其零件數(shù)量也比西科斯基的3項專利構型更多，但因缺少相關數(shù)據(jù)，對于不同構型主減速器的質量系數(shù)的優(yōu)劣目前尚無法進行評估。

第二，從主減速器的外廓尺寸上看，封閉差動行星結構主減速器外廓比較細長，而西科斯基的3項專利結構主減速器的外廓比較扁平。扁平的主減速器可提高其安裝平臺的高度位置，增大直升機的艙內空間。

第三，西科斯基的3項專利最后一級都使用尺寸較大的從動齒輪，所以其內外軸的直徑可以設計得比較大，而封閉差動行星輪系因受太陽齒輪的尺寸限制，內軸直徑尺寸不可能設計得很大（卡-28的主減速器內軸的內徑最小處僅為105mm）。所以西科斯基的3項專利構型更容易在內軸布置相關裝置，如內操縱裝置、防除冰裝置和測試設備等。

第四，封閉差動行星輪系結構復雜，該結構的核心技術、專利等均為俄羅斯卡莫夫設計局掌握。從西科斯基的3項專利可以看出其對共軸對轉雙旋翼構型的直升機和主減速器進行了大量研究，但這些專利僅描述了結構布局，具體參數(shù)匹配、如何實現(xiàn)等細節(jié)并未公開。

結束語

主減速器的不同構型是為適應各種直升機的不同需求而產(chǎn)生的，受諸多因素限制，理論上并沒有最優(yōu)的構型，需要根據(jù)主機的需求，對各種構型進行對比分析，最終選出使主減速器結構緊湊、質量輕、可靠性高的構型。