面齒輪在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用前景分析

譚武中，王祁波

(1. 中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002； 2. 直升機(jī)傳動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412002)

0 引言

面齒輪傳動(dòng)[1](圖1)是圓柱齒輪與平面齒輪嚙合的角度傳動(dòng)，可滿足兩齒輪軸線正交、非正交或偏置等不同傳動(dòng)要求。面齒輪相比于錐齒輪的最大優(yōu)點(diǎn)在于其嚙合的主動(dòng)圓柱齒輪軸向位置精度要求低，不需要對(duì)主動(dòng)齒輪進(jìn)行精確的定位，可適應(yīng)航空齒輪箱機(jī)匣變形引起小齒輪的移位；同時(shí)面齒輪傳動(dòng)還具有單級(jí)傳動(dòng)比大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。面齒輪分扭傳動(dòng)應(yīng)用在航空動(dòng)力傳輸系統(tǒng)中，可以簡化動(dòng)力傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高可靠性。

圖1 面齒輪傳動(dòng)

1 面齒輪傳動(dòng)技術(shù)研究進(jìn)展

EARL最早對(duì)面齒輪齒形與承載能力做了近似計(jì)算[2]。20世紀(jì)90年代初，由于CAD和CAE發(fā)展的促進(jìn)作用，面齒輪傳動(dòng)在直升機(jī)分扭傳動(dòng)中獨(dú)特的分流特性引起世人的關(guān)注。因此，歐美等先進(jìn)工業(yè)國家逐步加大了面齒輪傳動(dòng)的研究力度，在面齒輪嚙合理論和面齒輪加工等方面開展了相關(guān)研究。

1.1 面齒輪理論研究

美國LITVIN教授運(yùn)用幾何學(xué)嚙合原理解決了根切和齒頂變尖的計(jì)算問題，由接觸區(qū)域的局部綜合理論發(fā)展了點(diǎn)接觸面齒輪，對(duì)兩齒面嚙合接觸進(jìn)行了幾何仿真分析TCA，應(yīng)用有限元和承載接觸分析LTCA技術(shù)對(duì)輪齒強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算[3]，如圖2所示。

圖2 面齒輪理論研究

MICHELE等人對(duì)面齒輪的各種嚙合情況進(jìn)行了初步的應(yīng)力和扭力分析[4]，考慮了直齒和斜齒面齒輪傳動(dòng)裝置不同軸交角和交錯(cuò)角、各種加工誤差和安裝誤差的情況。

1992年，HANDSCHUH等將面齒輪傳動(dòng)應(yīng)用于高速(19100r/min)、重載(271kW)的可行性進(jìn)行了1∶2縮比試驗(yàn)研究[5]。隨后，LITVIN等和麥道直升機(jī)公司對(duì)面齒輪傳動(dòng)的輪齒極限半徑、邊緣接觸、重合度、傳動(dòng)誤差和分扭傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，得出了一種避免邊緣接觸的方案。

在LITVIN等人對(duì)面齒輪傳動(dòng)幾何設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)上，HANDSCHUH等人開展了面齒輪應(yīng)用于高速重載的可行性實(shí)驗(yàn)[5]。試驗(yàn)表明轉(zhuǎn)速在第1階固有頻率附近工作時(shí)，并沒有出現(xiàn)共振現(xiàn)象。試驗(yàn)證明了面齒輪傳動(dòng)用于高速大功率傳動(dòng)是可行的，且動(dòng)力學(xué)性能和力矩分流的精度都相當(dāng)出色。

1.2 面齒輪加工研究

LITVIN最先發(fā)明了磨削面齒輪的蝸桿砂輪[6]。AUGUSTINUS F. H.等人發(fā)明了一種磨齒加工方法[7]，如圖3所示。修整工具安裝在磨齒機(jī)的工件主軸上與蝸桿砂輪做展成運(yùn)動(dòng)后砂輪就具有了正確的齒面，再用砂輪磨削待加工的面齒輪。由于需要經(jīng)常拆卸修整工具和工件，該方法和技術(shù)沒有得到工程應(yīng)用和推廣。

圖3 齒輪式修整器方法

LITVIN在NASA報(bào)告中提出了分度展成磨削方法[8]，如圖4所示。原理是利用漸開線碟形砂輪模擬圓柱齒輪的一個(gè)輪齒，與面齒輪做相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)從而模擬了小輪與面齒輪的嚙合，完成展成運(yùn)動(dòng)。該方法原理簡單且容易實(shí)現(xiàn)，但加工效率較低，且齒距的精度不易控制。

圖4 漸開線碟形砂輪磨削面齒輪方法

HERMANN提出了一種新型的CONIFACE方法[9]，如圖5所示，它是利用帶傾角內(nèi)凹漸開線截形的盤形砂輪展成磨削面齒輪。該方法加工效率較高，但其需要進(jìn)行復(fù)雜的參數(shù)調(diào)整才能得到良好的嚙合印痕，且齒距精度也不易控制。

圖5 CONIFACE面齒輪磨削方法與設(shè)備

通過多年的研究和積累，美國UIC、Boeing、加拿大North-Star等公司研制出了8-9軸高精度面齒輪蝸桿砂輪磨齒機(jī)床[10]，能夠磨削不同錐角、尺寸范圍較大、滿足航空使用要求的面齒輪，目前已生產(chǎn)出精度達(dá)AGMA12級(jí)的面齒輪，面齒輪的外半徑尺寸為200mm～500mm。

2 面齒輪在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究與進(jìn)展

面齒輪傳動(dòng)逐漸成為航空領(lǐng)域較先進(jìn)的傳動(dòng)方式，目前除美國軍方與NASA外，該技術(shù)為少數(shù)單位與公司所掌握。美國NASA經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)研究，已將面齒輪副應(yīng)用在直升機(jī)主減速器分扭傳動(dòng)中，并發(fā)揮了獨(dú)特的優(yōu)越性，在航空領(lǐng)域的應(yīng)用中表現(xiàn)出了相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。

1992年，在美國ART計(jì)劃中，開展了高速重載下的面齒輪傳動(dòng)研究，設(shè)計(jì)了使用面齒輪傳動(dòng)的新型航空動(dòng)力傳動(dòng)裝置的分扭傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖6所示。1個(gè)圓柱齒輪作為主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)上下2個(gè)面齒輪，分扭傳輸發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，然后通過圓柱齒輪合并動(dòng)力傳輸。這樣的分扭結(jié)構(gòu)對(duì)稱配置于中央大齒輪的兩側(cè)，合并傳輸雙發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力。相比當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案，該方案質(zhì)量減輕約40%，并節(jié)省了大量空間[11]。

圖6 ART計(jì)劃的面齒輪分扭傳動(dòng)

1998年，一種比ART設(shè)計(jì)更先進(jìn)的分扭傳動(dòng)裝置由TRP計(jì)劃研制成功，該裝置如圖7所示。2個(gè)輸入動(dòng)力的圓柱齒輪與2個(gè)惰輪分別對(duì)稱布置，動(dòng)力由主動(dòng)小圓柱齒輪分流給上下2個(gè)面齒輪，惰輪把下部面齒輪分流的動(dòng)力合并傳輸給上部的面齒輪。該設(shè)計(jì)與應(yīng)用當(dāng)代先進(jìn)設(shè)計(jì)方法的傳統(tǒng)構(gòu)型相比，質(zhì)量減輕約25%[13]。

圖7 TRP計(jì)劃中的面齒輪分流傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

進(jìn)入21世紀(jì)后，美國推動(dòng)RDS-21計(jì)劃繼續(xù)開展面齒輪分扭傳動(dòng)技術(shù)研究，其中主要對(duì)面齒輪功率分流傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)和均載設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，研究的直接目的是對(duì)AH-64改進(jìn)。其主要研究方向涵蓋了面齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度、傳動(dòng)比的適合范圍以及5100馬力的面齒輪分扭傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。研究成果用于阿帕奇最新改進(jìn)型AH-64E，如圖8所示。改進(jìn)設(shè)計(jì)后的主減速器由三級(jí)變?yōu)閮杉?jí)，體積和質(zhì)量皆明顯減小。應(yīng)用面齒輪功率分流傳動(dòng)技術(shù)的AH-64E直升機(jī)已試飛成功。

圖8 阿帕奇“AH-64E”主減速器結(jié)構(gòu)

3 面齒輪在航空領(lǐng)域的應(yīng)用前景及其面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

3.1 面齒輪在航空領(lǐng)域的應(yīng)用前景

因面齒輪對(duì)安裝誤差不敏感、安裝與調(diào)整簡單等特點(diǎn)，因此在共軸對(duì)轉(zhuǎn)傳動(dòng)、功率分扭傳動(dòng)等航空動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。

1) 在共軸對(duì)轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，采用上、下面齒輪和圓柱齒輪換向惰輪的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外輸出軸共軸對(duì)轉(zhuǎn)，如圖9所示。該傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)量少，質(zhì)量輕，圓柱齒輪無軸向力，支撐與安裝簡便，相比復(fù)合行星對(duì)轉(zhuǎn)傳動(dòng)和螺旋錐齒輪對(duì)轉(zhuǎn)傳動(dòng)，具有質(zhì)量、可靠性等方面的優(yōu)勢(shì)。

2) 在功率分扭傳動(dòng)中，采用面齒輪同軸分扭或面齒輪分扭-圓柱齒輪并車的結(jié)構(gòu)，分別如圖10和圖11所示。相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可明顯減少并車齒輪的徑向尺寸，并可利用面齒輪傳動(dòng)較大的傳動(dòng)比，減小高速級(jí)的轉(zhuǎn)矩，減輕質(zhì)量，在大功率傳動(dòng)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖9 面齒輪共軸對(duì)轉(zhuǎn)傳動(dòng)

圖10 面齒輪同軸分扭傳動(dòng)

圖11 面齒輪分扭-圓柱齒輪并車傳動(dòng)

3.2 我國面齒輪傳動(dòng)應(yīng)用中面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

國內(nèi)面齒輪傳動(dòng)技術(shù)的研究起步于20世紀(jì)90年代。南京航空航天大學(xué)、中南大學(xué)等高校針對(duì)面齒輪的齒面生成、強(qiáng)度分析、齒接觸分析以及面齒輪輪齒成形方法等開展了持續(xù)性的研究，促進(jìn)了國內(nèi)面齒輪傳動(dòng)理論的發(fā)展。近年來，磨齒加工技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了φ300mm級(jí)硬齒面直齒面齒輪磨齒，齒面硬度達(dá)HRC58～60，磨齒后齒面精度達(dá)到6級(jí)。

中國航發(fā)608所開展面齒輪傳動(dòng)的應(yīng)用研究，獲取了面齒輪傳動(dòng)特性；同時(shí)開展了正交直齒面齒輪齒形設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算、齒面精加工等技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了輸入轉(zhuǎn)速20000r/min級(jí)、傳遞功率600kW級(jí)的面齒輪傳動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)輪齒強(qiáng)度、接觸印痕及振動(dòng)特性等進(jìn)行了系統(tǒng)研究與驗(yàn)證。

近年來，雖然我國在面齒輪傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域取得了一定的研究進(jìn)展，但在技術(shù)基礎(chǔ)仍然偏弱，面齒輪在我國航空傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用仍面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括：

1) 新齒形面齒輪傳動(dòng)的齒形設(shè)計(jì)方法

國內(nèi)在正交直齒面齒輪傳動(dòng)方面已有一定的研究基礎(chǔ)，功率達(dá)到600kW以上、轉(zhuǎn)速達(dá)到20000r/min以上的直齒面齒輪傳動(dòng)已通過試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證；但在非正交斜齒面齒輪傳動(dòng)方面離工程應(yīng)用仍具有一定的距離。

2) 面齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)已掌握了部分類型面齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算方法，但缺乏足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證；需形成面齒輪彎曲強(qiáng)度、接觸強(qiáng)度以及膠合強(qiáng)度的計(jì)算與評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，為其在輕質(zhì)大功率航空動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

3) 面齒輪傳動(dòng)的接觸分析方法和軟件

國內(nèi)用于直齒面齒輪接觸分析的模型尚難以反映航空面齒輪真實(shí)的工作環(huán)境，亦缺乏足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在接觸分析研究時(shí)需考慮柔性支撐環(huán)境、軸向安裝誤差、系統(tǒng)綜合變形等因素對(duì)面齒輪接觸的影響，形成面齒輪接觸印痕設(shè)計(jì)方法和軟件分析模塊，為載荷多變工況下航空面齒輪傳動(dòng)提供分析工具。

4) 面齒輪高精度磨齒加工方法及檢測標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)僅在正交直齒面齒輪磨齒加工方面取得了一定進(jìn)展，但磨齒直徑和齒面精度離工程應(yīng)用尚具有一定的差距。國外已在直升機(jī)上應(yīng)用了非正交斜齒面齒輪傳動(dòng)和小軸交角面齒輪傳動(dòng)，國內(nèi)尚不具備加工能力。因此需繼續(xù)開展新齒形加工和高精度磨齒研究，制定相應(yīng)的檢測方法與精度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

5) 面齒輪功率分流傳動(dòng)系統(tǒng)的均載設(shè)計(jì)

研究面齒輪功率分流傳動(dòng)系統(tǒng)的建模及分析方法，建立面齒輪功率分流傳動(dòng)系統(tǒng)的功率閉環(huán)變形協(xié)調(diào)條件，形成面齒輪功率分支傳動(dòng)系統(tǒng)及均載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論與方法。

4 結(jié)語

鑒于面齒輪在航空傳動(dòng)系統(tǒng)中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和巨大應(yīng)用前景，近年來國內(nèi)明顯加大了對(duì)面齒輪及其功率分流傳動(dòng)技術(shù)的研究力度，以求有所突破，從而實(shí)現(xiàn)我國航空傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)跨越。但我國面齒輪傳動(dòng)技術(shù)的工程應(yīng)用仍存在諸多的技術(shù)問題亟待解決，主要表現(xiàn)在面齒輪強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)、接觸分析方法、修形設(shè)計(jì)理論、齒面高精度加工方法及機(jī)床、面齒輪功率分流傳動(dòng)的均載設(shè)計(jì)方法等。