共軸反轉(zhuǎn)直升機傳動系統(tǒng)構(gòu)型現(xiàn)狀

倪 德，李苗苗，胡志安，張棟林，張根苗，朱如鵬

（1.中國航發(fā)湖南動力機械研究所，株洲412002；2.南京航空航天大學直升機傳動技術(shù)國家級重點實驗室，南京210016）

直升機以其出色的超低空快速機動能力、戰(zhàn)場后勤保障能力、低空縱深突防能力，奠定了它在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的重要地位與作用，受到世界各國軍事部門的高度重視。

受構(gòu)型的限制（前行槳葉激波），常規(guī)構(gòu)型直升機平飛速度一般不超過300 km/h[1]。由于飛行速度慢、飛行高度低、機動性差等問題，常規(guī)構(gòu)型直升機面臨嚴重的生存挑戰(zhàn)。

共軸式直升機采用上、下共軸對轉(zhuǎn)的兩組旋翼用來平衡旋翼扭矩，不需要尾槳。常規(guī)共軸式直升機的主要代表機型有俄羅斯卡莫夫設(shè)計局研制的卡-28、卡-32、卡-52 等，其傳動系統(tǒng)采用共軸反轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)。20 世紀70 年代以來，在常規(guī)共軸式直升機基礎(chǔ)上，美國西科斯基公司發(fā)展了一種復(fù)合推進式高速直升機，采用共軸反轉(zhuǎn)剛性雙旋翼帶尾推進槳構(gòu)型，主要代表機型有X2、S-97 等。共軸剛性旋翼高速直升機（以下簡稱“高速直升機”）能突破常規(guī)構(gòu)型直升機的速度限制，實現(xiàn)400 km/h 以上的高速平飛，已經(jīng)成為當前直升機技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的制高點[2]。

高速直升機傳動系統(tǒng)包括共軸反轉(zhuǎn)主傳動系統(tǒng)（主減速器）和尾推傳動軸系兩部分（見圖1）[3]，負責將發(fā)動機的功率和轉(zhuǎn)速按一定比例傳遞給主旋翼、尾推進槳以及液壓泵等附件，同時負責將旋翼及尾推進槳載荷傳遞至機身，其性能的優(yōu)劣直接影響高速直升機研制的成敗，其壽命、重量、可靠性等指標能否實現(xiàn)對全機研制和使用均有重大影 響[4-6]。

圖1 共軸剛性旋翼高速直升機傳動系統(tǒng)布局[3]Fig.1 Coaxial rigid rotor high-speed helicopter transmission system layout[3]

1 共軸反轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)構(gòu)型原理

高速直升機有垂直起降/懸停、低速飛行、高速前飛等多種工作模式[7]。由共軸反轉(zhuǎn)的兩幅旋翼實現(xiàn)懸停和爬升，由尾推進槳實現(xiàn)高速前飛，旋翼不需要傾轉(zhuǎn)，相對傾轉(zhuǎn)式旋翼機可靠性更高。如圖2 所示，懸停/爬升狀態(tài)，發(fā)動機主要功率傳遞給主旋翼軸，高速前飛狀態(tài)，發(fā)動機主要功率傳遞給尾推進槳。為了降低重量和成本，旋翼和尾推進槳一般共用發(fā)動機。起飛、降落、懸停和低速飛行時，只有旋翼必須由發(fā)動機提供動力驅(qū)動，為直升機提供垂直方向的升力，低速飛行時還提供水平方向的推進力；高速前飛時，只有尾推進槳必須由發(fā)動機提供動力驅(qū)動，為直升機提供水平方向的推進力，直升機的升力主要來自機翼，旋翼提供的升力不再占主導(dǎo)地位，并且旋翼提供的升力可直接在動力驅(qū)動下提供，也可間接在飛行風力作用下自轉(zhuǎn)提供，后者的升力效率更高。因此，旋翼和尾推進槳均不需要進行連續(xù)驅(qū)動，只需要進行斷續(xù)驅(qū)動，如果低速飛行時推進槳不驅(qū)動，則整個直升機飛行期間，發(fā)動機在旋翼和尾推進槳兩者之間進行交替驅(qū)動即可。因此，相對于常規(guī)直升機的傳動系統(tǒng)，高速直升機的共軸反轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計更加復(fù)雜。

圖2 不同飛行狀態(tài)下傳動系統(tǒng)的功率流[7]Fig.2 Power flow of the transmission system in different flight conditions[7]

實現(xiàn)共軸反轉(zhuǎn)輸出是高速直升機對傳動系統(tǒng)最基本的功能需求。實現(xiàn)共軸反轉(zhuǎn)輸出的主傳動系統(tǒng)構(gòu)型分可為4 類（見圖3）：以圓柱齒輪為基礎(chǔ)實現(xiàn)共軸反轉(zhuǎn)輸出的傳動構(gòu)型，以錐齒輪為基礎(chǔ)實現(xiàn)共軸反轉(zhuǎn)輸出的傳動構(gòu)型，以差動輪系為基礎(chǔ)實現(xiàn)共軸反轉(zhuǎn)輸出的傳動構(gòu)型，以及以面齒輪為基礎(chǔ)實現(xiàn)共軸反轉(zhuǎn)輸出的傳動構(gòu)型。

圖3（a）所示傳動系統(tǒng)構(gòu)型的傳動原理是通過一對圓柱齒輪嚙合驅(qū)動內(nèi)旋翼軸支路，另一對圓柱齒輪嚙合驅(qū)動外旋翼軸支路，即通過圓柱齒輪嚙合（可能為最后一級傳動，也可能在后面再增加一級以適用更高的減速、傳遞功率需求）實現(xiàn)內(nèi)、外旋翼軸共軸反轉(zhuǎn)輸出。

圖3（b）所示傳動系統(tǒng)構(gòu)型的傳動原理是通過一對錐齒輪嚙合驅(qū)動內(nèi)旋翼軸支路，另一對錐齒輪嚙合驅(qū)動外旋翼軸支路，即通過錐齒輪嚙合（可能為最后一級傳動，也可能在后面再增加一級以適用更高的減速、傳遞功率需求）實現(xiàn)內(nèi)、外旋翼軸共軸反轉(zhuǎn)輸出。

圖3（c）所示傳動系統(tǒng)構(gòu)型的傳動原理是通過行星架驅(qū)動內(nèi)旋翼軸（或外旋翼軸），內(nèi)齒圈驅(qū)動外旋翼軸（或內(nèi)旋翼軸），即通過差動輪系實現(xiàn)內(nèi)、外旋翼軸共軸反轉(zhuǎn)輸出。

圖3（d）所示傳動系統(tǒng)構(gòu)型的傳動原理是通過一對面齒輪嚙合驅(qū)動內(nèi)旋翼軸支路，另一對面齒輪嚙合驅(qū)動外旋翼軸支路，即通過面齒輪嚙合（可能為最后一級傳動，也可能在后面再增加一級以適用更高的減速、傳遞功率需求）實現(xiàn)內(nèi)、外旋翼軸共軸反轉(zhuǎn)輸出。

圖3 所示的4 種共軸反轉(zhuǎn)構(gòu)型的優(yōu)缺點比較如表1 所示。

圖3 4 種共軸反轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)主要構(gòu)型原理Fig.3 Main configuration principles of four coaxial reversal transmission systems

表1 4 種構(gòu)型的優(yōu)缺點比較Table 1 Comparison of four coaxial reversal transmission systems

2 以圓柱齒輪為基礎(chǔ)實現(xiàn)共軸反轉(zhuǎn)輸出的傳動系統(tǒng)構(gòu)型現(xiàn)狀

卡莫夫設(shè)計局設(shè)計的多用途直升機Ka-26 的共軸反轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)采用了以圓柱齒輪為基礎(chǔ)實現(xiàn)共軸反轉(zhuǎn)的傳動方式[9]，如圖4 所示，采用三級減速傳動，第一級通過螺旋錐齒輪實現(xiàn)減速換向，第二級和第三級是圓柱齒輪和星形輪系實現(xiàn)共軸反轉(zhuǎn)輸出。

圖4 Ka-26 共軸直升機主減速器結(jié)構(gòu)與實物圖[9]Fig.4 Structure and physical diagram of Ka-26 coaxial heli-copter main reducer[9]

西科斯基公司2006 年申請了如圖5 所示的圓柱齒輪內(nèi)外嚙合共軸反轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)構(gòu)型專利[7]，主傳動鏈為三級減速傳動，第一級為圓柱齒輪減速（由圓柱齒輪54 輸入，圓柱齒輪56 輸出），第二級為錐齒輪減速換向（由錐齒輪60 輸入，錐齒輪62 輸出），第三級為圓柱齒輪內(nèi)、外嚙合減速并車（一路由圓柱齒輪66 輸入，圓柱齒輪72 輸出；另一路由圓柱齒輪68 輸入，內(nèi)齒圈74 輸出），再通過與圓柱齒輪72 和內(nèi)齒圈74 相連的內(nèi)旋翼軸48 和外旋翼軸50 實現(xiàn)兩路共軸反轉(zhuǎn)輸出，圖中Ri為傳動比。同時，通過兩級圓柱齒輪減速傳動，將功率由圓柱齒輪80 傳輸給尾傳動軸組件，經(jīng)尾推減速器之后傳輸給尾推進槳，詳見圖6。

圖5 圓柱齒輪內(nèi)外嚙合共軸輸出構(gòu)型[7]Fig.5 Cylindrical gear internal and external meshing coaxial output configuration[7]

西科斯基公司2013 年申請了如圖7 所示的圓柱齒輪外嚙合的功率分流型共軸反轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)構(gòu)型專利[10]，主傳動鏈采用三級傳動，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（由圓柱齒輪66 分別傳遞給圓柱齒輪78、80），第三級為圓柱齒輪減速并車（一路由圓柱齒輪84 傳遞給圓柱齒輪48，另一路由圓柱齒輪82 傳遞給圓柱齒輪44）實現(xiàn)共軸反轉(zhuǎn)輸出。

3 以錐齒輪為基礎(chǔ)實現(xiàn)共軸反轉(zhuǎn)輸出的傳動系統(tǒng)構(gòu)型現(xiàn)狀

圖6 傳動系統(tǒng)外形圖[7]Fig.6 Outline drawing of transmission system[7]

圖8 錐齒輪傳動共軸輸出構(gòu)型[11]Fig.8 Coaxial output configuration of bevel gear drive[11]

如圖8 所示為采用錐齒輪作為最后一級實現(xiàn)共軸反轉(zhuǎn)輸出的傳動構(gòu)型[11]，該結(jié)構(gòu)零件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡單，適合輕型共軸式直升機。

根據(jù)相關(guān)資料[12-13]，西科斯基公司與波音公司聯(lián)合研制的SB＞1 技術(shù)驗證機傳動系統(tǒng)也采用以錐齒輪為基礎(chǔ)實現(xiàn)共軸反轉(zhuǎn)輸出的傳動系統(tǒng)構(gòu)型，主傳動鏈為五級傳動，前三級均為錐齒輪減速換向，且由第三級錐齒輪傳動實現(xiàn)內(nèi)、外旋翼軸兩路反向輸出，第四級為人字齒輪分扭傳動，第五級為人字齒輪減速并車實現(xiàn)共軸輸出，詳見圖9。尾傳動鏈為兩級傳動，第一級與主傳動鏈共用（圓錐齒輪減速換向），第二級為圓錐齒輪并車輸出。

專利The main gearbox of the helicopter coaxi-al configuration[14]（圖10）提出的傳動系統(tǒng)構(gòu)型采用二級傳動，第一級為一個主動錐齒輪驅(qū)動上下布置的兩個從動錐齒輪反向轉(zhuǎn)動，上從動錐齒輪通過一對圓柱齒輪副驅(qū)動內(nèi)旋翼軸，下從動錐齒輪同樣通過一對圓柱齒輪副驅(qū)動外旋翼軸，最終實現(xiàn)內(nèi)、外旋翼軸共軸反轉(zhuǎn)輸出。專利Coaxial-rotor helicop-ter gearbox（圖11）[15]和北京航空航天大學于研制的“海鷗”共軸式小型無人直升機（圖12）[16-17]傳動原理類似，均是由一個主動錐齒輪驅(qū)動兩個從動錐齒輪，帶動內(nèi)、外軸實現(xiàn)共軸反轉(zhuǎn)輸出。

圖9 SB＞1 技術(shù)驗證機傳動系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)示意圖[12-13]Fig.9 Schematic diagram of part of the transmission system of SB＞1 technical verification machine[12-13]

圖10 錐齒輪換向共軸反轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)[14]Fig.10 Bevel gear commutation coaxial reverse transmis-sion system[14]

圖11 錐齒輪換向共軸反轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)[15]Fig.11 Bevel gear commutation coaxial reverse transmis-sion system[15]

圖12 “海鷗”共軸無人直升機動力傳動原理圖[16-17]Fig.12 “Seagull”coaxial unmanned helicopter power trans-mission principle diagram[16-17]

蘭州交通大學設(shè)計了如圖13 所示的共軸反轉(zhuǎn)齒輪傳動系統(tǒng)[18-19]，采用二級傳動，首先通過錐齒輪傳動實現(xiàn)減速、共軸反轉(zhuǎn)輸出，然后通過行星輪系驅(qū)動內(nèi)、外旋翼軸，實現(xiàn)上、下旋翼以等速共軸反轉(zhuǎn)。

圖13 共軸反轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)簡圖[18-19]Fig.13 Schematic diagram of coaxial reversal transmission system[18-19]

4 以差動輪系為基礎(chǔ)實現(xiàn)共軸反轉(zhuǎn)輸出的傳動系統(tǒng)構(gòu)型現(xiàn)狀

1973 年7 月26 日成功實現(xiàn)首飛的XH-59A 技術(shù)驗證機傳動系統(tǒng)采用復(fù)合行星輪系共軸輸出構(gòu)型[20]，主傳動鏈為兩級傳動（見圖14），第一級為錐齒輪減速（速比為3.84），第二級為差動輪系（速比為5），上旋翼為從動齒圈輸出，下旋翼為行星架輸出。附件傳動由發(fā)動機輸入軸通過圓柱齒輪副傳動。

圖14 差動輪系共軸輸出構(gòu)型（XH-59）[20]Fig.14 Coaxial output configuration of differential gear train (XH-59)[20]

艦載直升機Ka-25、Ka-27、Ka-28、Ka-29、Ka-31、Ka-32 等均采用封閉差動行星輪系實現(xiàn)內(nèi)外軸的等速反向輸出[9]。Ka-25 傳動鏈結(jié)構(gòu)見圖15[9]，Ka-32 傳動鏈結(jié)構(gòu)見圖16[8]。

圖15 Ka-25 共軸直升機主減速器[9]Fig.15 Ka-25 coaxial helicopter main gearbox[9]

中國航發(fā)湖南動力機械研究所設(shè)計了一種封閉差動行星共軸輸出構(gòu)型（圖17）[21]，由定軸輪系和差動行星輪系組成的封閉差動行星構(gòu)型，以太陽輪為輸入端，差動級行星架和齒圈分別連接內(nèi)外輸出軸，實現(xiàn)共軸反轉(zhuǎn)輸出。

黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學院設(shè)計了一種共軸直升機主減速器[22]，共三級傳動，第一級為圓柱齒輪減速，第二級為圓錐齒輪減速換向，第三級為共軸差動行星輪系實現(xiàn)共軸反轉(zhuǎn)輸出，如圖18 所示[22]。共軸差動行星輪系由一級定軸輪系和一級行星結(jié)構(gòu)組成，Ⅰ級為雙聯(lián)行星定軸輪系，齒圈連接外旋翼軸，Ⅱ級為差動輪系，行星架連接內(nèi)旋翼軸，二級齒圈連接外旋翼軸，通過選擇合適的齒輪齒數(shù)，實現(xiàn)內(nèi)、外旋翼軸等速反轉(zhuǎn)。

圖16 Ka-32 主減速器結(jié)構(gòu)與實物圖[8]Fig.16 Structure and physical diagram of Ka-32 main gear-box[8]

圖17 封閉差動共軸反轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)[21]Fig.17 Closed differential coaxial reversal drive system[21]

圖18 含尾推進的共軸反轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)[22]Fig.18 Coaxial reversal drive system with tail propulsion[22]

直升機設(shè)計研究所研究了單輸入雙輸出的定軸輪系與差動輪系組合的Ka-32 共軸直升機傳動系統(tǒng)典型構(gòu)型[23]，研究了影響差動輪系與定軸輪系功率分配的影響因素，得到了傳動系統(tǒng)不存在功率循環(huán)的條件，部分功率流情況如圖19 所示。另外，研究了Ka-32 共軸雙旋翼高速直升機主減輪系的傳動效率計算方法，并分析了效率與內(nèi)外旋翼軸負載之間的關(guān)系，得到了主減輪系方案的最低效率[24]。

圖19 共軸反轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)功率流向[23]Fig.19 Power flow direction of coaxial reversal drive sys-tem[23]

重慶大學機械傳動國家重點實驗室采用鍵合圖分析Ka-32 直升機傳動系統(tǒng)兩輸出軸等速反轉(zhuǎn)的條件，獲得了系統(tǒng)內(nèi)部各變量隨時間變化的規(guī)律[25]。

南京航空航天大學對圖20 所示的共軸反轉(zhuǎn)主減速器封閉差動復(fù)合行星輪系的振動特性進行了深入研究[26-27]，分析得到了系統(tǒng)的4 種模態(tài)及模態(tài)特征。復(fù)合行星齒輪系由兩個不同子系統(tǒng)組成，帶有階梯行星輪的定軸輪系稱為封閉級，由太陽輪s1、階梯行星輪ai、bi和內(nèi)齒圈r1組成；差動行星齒輪系稱為差動級，由太陽輪s2、行星輪pj和內(nèi)齒圈r2組成。輸入功率傳輸?shù)较到y(tǒng)時分成兩條路徑，一部分通過太陽輪s1經(jīng)封閉級傳輸?shù)絻?nèi)齒圈r1，另一部分通過太陽輪s2經(jīng)差動級傳輸?shù)叫行羌躢2和內(nèi)齒圈r2，通過適當?shù)膮?shù)設(shè)計，可實現(xiàn)內(nèi)外輸出軸cs、rs等速反向輸出，其中行星輪p 個數(shù)為N，階梯行星輪a、b 個數(shù)為M。

圖20 共軸反轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)[26-27]Fig.20 Coaxial reversal drive system[26-27]

5 以面齒輪為基礎(chǔ)實現(xiàn)共軸反轉(zhuǎn)輸出的傳動系統(tǒng)構(gòu)型現(xiàn)狀

專利Counter rotating facegear gearbox 提出的面齒輪傳動共軸反轉(zhuǎn)輸出構(gòu)型方案[28]采用三級傳動（見圖21），第一級為錐齒輪換向減速并進行功率分流（由錐齒輪36 輸入到兩路錐齒輪32），第二級為圓柱齒輪減速并進行功率分流（由圓柱齒輪40 輸入到兩路圓柱齒輪42），第三級為面齒輪減速換向并車（一路通過圓柱齒輪50a 與面齒輪52a 驅(qū)動外旋翼軸22；另一路通過圓柱齒輪50b 與面齒輪52b 驅(qū)動內(nèi)旋翼軸20）。該構(gòu)型零件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡單，在兩個面齒輪之間布置大推力軸承58，減小主減速器高度尺寸，可以減輕重量。

圖21 面齒輪傳動共軸輸出構(gòu)型[28]Fig.21 Coaxial output configuration of face gear drive[28]

專利Split-torque gear box[29]也是通過面齒輪減速換向?qū)崿F(xiàn)內(nèi)、外旋翼軸共軸反向輸出，但增加了分扭齒輪，更適合于傳遞大功率（見圖22）。

圖22 面齒輪傳動共軸輸出構(gòu)型[29]Fig.22 Coaxial output configuration of face gear drive[29]

6 結(jié) 論

高速直升機技術(shù)已成為新一代直升機裝備和產(chǎn)品的技術(shù)制高點，世界各國在相應(yīng)領(lǐng)域的技術(shù)競爭也日趨激烈。目前西科斯基飛機公司已完成2噸級、5 噸級和13 噸級驗證機的飛行驗證，實現(xiàn)了400 km/h 以上的高速飛行，取得了高速直升機發(fā)展的巨大成功。配裝于高速直升機的共軸反轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)有多種實現(xiàn)方式，圓柱齒輪傳動布局靈活，結(jié)構(gòu)簡單；錐齒輪傳動承載能力強，但安裝調(diào)整復(fù)雜；面齒輪傳動比大，且安裝調(diào)整方便；差動輪系傳動結(jié)構(gòu)緊湊承載力強，但制造與裝配復(fù)雜。本文分析了不同構(gòu)型的結(jié)構(gòu)特點和適用情況，可為不同需求共軸式直升機的傳動系統(tǒng)構(gòu)型選型設(shè)計提供參考。