直升機(jī)變轉(zhuǎn)速傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型的設(shè)計(jì)與分析

李晗，楊星光，羅志洋，鮑和云

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

0 引言

從20世紀(jì)末、21世紀(jì)初開(kāi)始，高速旋翼機(jī)技術(shù)得到了飛速發(fā)展[1]。隨著直升機(jī)飛行速度的逐漸提高，懸停狀態(tài)與高速前飛狀態(tài)下旋翼的氣動(dòng)環(huán)境差別越來(lái)越大，傳統(tǒng)固定轉(zhuǎn)速的方式難以兼顧懸停和高速飛行兩種狀態(tài)下的氣動(dòng)性能。采用常規(guī)的固定旋翼轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，將產(chǎn)生巨大的性能損失[2-3]。而變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)具有飛行噪聲低、續(xù)航能力強(qiáng)、安全性和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[4-6]，因此變轉(zhuǎn)速旋翼將成為必然選擇。

目前，旋翼的變轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)方式主要有3種：一是通過(guò)控制系統(tǒng)改變活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，二是通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪仰角或其他幾何參數(shù)，這2種方案分別存在變速范圍受限、技術(shù)難度高等原因，未被廣泛采用。三是改變直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的變速單元，進(jìn)而改變傳動(dòng)比。該方案的可行性受到廣泛認(rèn)可且易于實(shí)現(xiàn)[7]，性?xún)r(jià)比最高。

空客直升機(jī)公司在其研制的EC135機(jī)型中，利用變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)使得懸停轉(zhuǎn)速比前進(jìn)速度提升3%左右。美國(guó)Frontier公司設(shè)計(jì)研究的A160T“蜂鳥(niǎo)”無(wú)人直升機(jī)，根據(jù)高度、巡航速度和總重調(diào)整其轉(zhuǎn)速[8]。該機(jī)采用了轉(zhuǎn)速優(yōu)化旋翼，其剛性旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)比可達(dá)2∶1，實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)在空中換擋變速，續(xù)航能力大幅提升。NASA開(kāi)發(fā)的LCTR2基線方案中[9]，懸停與前進(jìn)轉(zhuǎn)速分別為627 r/min和338 r/min。國(guó)內(nèi)目前對(duì)變轉(zhuǎn)速直升機(jī)的研究還處于剛剛起步階段，其研究方向主要在氣動(dòng)配平、需用功率等飛行性能方面[10]，針對(duì)變轉(zhuǎn)速直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)型設(shè)計(jì)的相關(guān)研究鮮見(jiàn)于文獻(xiàn)。

綜合分析國(guó)內(nèi)外目前變速構(gòu)型的研究，存在著以下不足：功率不連續(xù)，變速不平穩(wěn)；使用多個(gè)離合器，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；高速級(jí)有離合器，對(duì)整體可靠性要求高。因此，研究出一種功率連續(xù)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的變速構(gòu)型，對(duì)變速直升機(jī)的發(fā)展有著重要意義。

本文提出一種直升機(jī)變轉(zhuǎn)速傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)與分析，實(shí)現(xiàn)在一定轉(zhuǎn)速輸入下有兩級(jí)轉(zhuǎn)速輸出，實(shí)現(xiàn)功率連續(xù)和變速平穩(wěn)，兼顧兩種飛行模式下的氣動(dòng)性能，使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。

1 變轉(zhuǎn)速傳動(dòng)構(gòu)型的設(shè)計(jì)原理

1.1 構(gòu)型方案設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

本設(shè)計(jì)采用兩級(jí)行星輪系，配合摩擦離合器與制動(dòng)器聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)變速傳動(dòng)。傳動(dòng)路徑如圖1所示。

圖1 變速構(gòu)型傳動(dòng)路徑圖

當(dāng)處于低速路徑（虛線）時(shí)，摩擦離合器接合，制動(dòng)器不起效。一方面，動(dòng)力從太陽(yáng)輪1經(jīng)摩擦離合器到太陽(yáng)輪5，再傳給行星輪4；與此同時(shí)，另一方面，動(dòng)力從太陽(yáng)輪1經(jīng)行星輪2、齒圈3傳給右側(cè)行星輪4。上述兩路動(dòng)力傳遞過(guò)程中使右側(cè)行星輪系成為差動(dòng)輪系，最后動(dòng)力由右側(cè)行星架匯流輸出。

當(dāng)處于高速路徑（點(diǎn)劃線）時(shí)，摩擦離合器脫離，動(dòng)力僅從太陽(yáng)輪1經(jīng)行星輪2、齒圈3傳給右側(cè)行星輪4；此時(shí)，由于摩擦離合器與制動(dòng)器的聯(lián)動(dòng)作用，摩擦離合器脫離的同時(shí)，制動(dòng)器接合，太陽(yáng)輪5固定，轉(zhuǎn)速為0。此時(shí)右側(cè)行星輪系處于齒圈3輸入、行星架輸出動(dòng)力的狀態(tài)。該變速構(gòu)型具有以下4個(gè)特點(diǎn)：1）實(shí)現(xiàn)一定轉(zhuǎn)速輸入下，通過(guò)離合器、制動(dòng)器配合，輸出端有兩級(jí)轉(zhuǎn)速輸出；2）始終有動(dòng)力從齒圈3傳遞到輸出端，變速時(shí)沒(méi)有動(dòng)力中斷，功率連續(xù)，變速平穩(wěn)；3）高速路徑中離合器脫開(kāi)，動(dòng)力不經(jīng)過(guò)離合器，對(duì)航空摩擦離合器性能要求降低，同時(shí)降低了高速狀態(tài)下可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)；4）采用雙行星輪系，具有行星輪系的特有優(yōu)勢(shì)，如結(jié)構(gòu)緊湊、沖擊性能好、可靠性高。

1.2 變速原理

設(shè)輸入端轉(zhuǎn)速為ni，輸出端轉(zhuǎn)速為no。太陽(yáng)輪1齒數(shù)為Z1，行星輪2齒數(shù)為Z2，齒圈3齒數(shù)為Z3，行星輪4齒數(shù)為Z4，太陽(yáng)輪5齒數(shù)為Z5。太陽(yáng)輪1轉(zhuǎn)速為n1，左側(cè)行星架轉(zhuǎn)速為n1H，齒圈轉(zhuǎn)速為n3，行星輪4轉(zhuǎn)速為n4，右側(cè)行星架轉(zhuǎn)速為n2H。。

1）當(dāng)摩擦離合器接合時(shí)，制動(dòng)器松開(kāi)。

由于左側(cè)行星架被固定，故n1H=0，此時(shí)：

由式（3）可知，選取不同的Z1、Z5，可以獲得不同的變速比μ，可以實(shí)現(xiàn)直升機(jī)高速和低速之間的變速。

2 變速構(gòu)型的參數(shù)計(jì)算與分析

工況參數(shù)及要求如表1所示。

表1 工況參數(shù)及要求

2.1 行星輪系參數(shù)計(jì)算與校核

2.1.1 確定行星輪系傳動(dòng)比

選擇2Z-X（A）型傳動(dòng)。設(shè)輸入端轉(zhuǎn)速為ni，行星架輸出端轉(zhuǎn)速為nx。太陽(yáng)輪齒數(shù)為za，齒圈齒數(shù)為zb，行星輪齒數(shù)為zc。p和p′是行星輪的特性參數(shù)。

2.1.1.1 左側(cè)行星輪系

2.1.3 確定幾何尺寸及強(qiáng)度校核（左側(cè)）

2.1.3.1 選齒輪類(lèi)型、強(qiáng)度等級(jí)、材料及齒數(shù)

直齒輪傳動(dòng)，7級(jí)精度，za=47，zc=37，zb=121。太陽(yáng)輪a材料為20CrMnTi，滲碳淬火回火，硬度為56 HRC；行星輪c材料為20CrMnTi，滲碳淬火回火，硬度為57 HRC；內(nèi)齒輪b材料為20CrNi3，滲碳淬火回火，硬度為58 HRC。

2.1.3.2 齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)

小齒輪分度圓直徑計(jì)算公式為

代入相關(guān)數(shù)據(jù)得da1=110.5 mm。由d=mz，得m=2.98 mm，取m=3.5 mm。

2.1.3.3 按彎曲疲勞強(qiáng)度校核齒根應(yīng)力計(jì)算公式為

代入相關(guān)數(shù)據(jù)得σF=205.4 MPa。

2）計(jì)算許用齒根應(yīng)力。?。害褾lim=500 MPa，YST=2.0，YNT=2.5，Yx=1.015，YδrelT=1.0，YRrelT=1.120，SFmin=2.00。代入相關(guān)數(shù)據(jù)得σFp=1421 MPa。

3）強(qiáng)度校核。強(qiáng)度條件為σF<σFp，強(qiáng)度條件滿足。

左側(cè)行星輪系尺寸參數(shù)如表2所示。右側(cè)行星輪系分析與左側(cè)類(lèi)似，可仿照左側(cè)行星輪系分析過(guò)程，得到右側(cè)行星輪系尺寸參數(shù)。

表2 左側(cè)行星輪系尺寸參數(shù)

2.2 變速構(gòu)型三維建模與仿真分析

根據(jù)變速構(gòu)型運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖與相關(guān)零件尺寸，基于SolidWorks三維建模軟件，搭建出設(shè)計(jì)的變速構(gòu)型整體裝配圖、截面圖，如圖2、圖3所示。

圖2 變速構(gòu)型裝配圖

圖3 變速構(gòu)型截面圖

利用SolidWorks中運(yùn)動(dòng)算例進(jìn)行仿真分析，在左側(cè)輸入端給定輸入轉(zhuǎn)速6300 r/min，分別測(cè)出輸出端行星架轉(zhuǎn)速，并在MATLAB中擬合轉(zhuǎn)速與時(shí)間關(guān)系曲線。當(dāng)離合器接合，制動(dòng)器不起效，測(cè)得輸出端轉(zhuǎn)速為839 r/min；當(dāng)離合器脫開(kāi)，制動(dòng)器起效，測(cè)得輸出轉(zhuǎn)速為1643 r/min。

根據(jù)設(shè)計(jì)的構(gòu)型及參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)直升機(jī)在固定轉(zhuǎn)速輸入下有兩級(jí)轉(zhuǎn)速輸出，高低速之比約為2∶1。通過(guò)三維建模及仿真分析，為該構(gòu)型的實(shí)際可行性提供了理論支撐，提升了變速傳動(dòng)性能的設(shè)計(jì)分析能力。

3 結(jié)論

本文針對(duì)直升機(jī)變轉(zhuǎn)速傳動(dòng)系統(tǒng)，開(kāi)展了直升機(jī)變轉(zhuǎn)速傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型的方案設(shè)計(jì)、參數(shù)分析及仿真驗(yàn)證研究，結(jié)論如下：1）針對(duì)目前高速直升機(jī)無(wú)法兼顧懸停與巡航兩種不同狀態(tài)下的氣動(dòng)性能，提出直升機(jī)變轉(zhuǎn)速傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)方案，使直升機(jī)旋翼可獲得不同轉(zhuǎn)速以滿足不同的氣動(dòng)環(huán)境。2）基于兩級(jí)行星輪系配合離合器、制動(dòng)器聯(lián)動(dòng)，設(shè)計(jì)出變速構(gòu)型。該構(gòu)型具有兩級(jí)輸出、功率連續(xù)、變速平穩(wěn)、風(fēng)險(xiǎn)降低等優(yōu)勢(shì)。3）給出了一種變速構(gòu)型參數(shù)匹配的設(shè)計(jì)方案與分析過(guò)程，并通過(guò)仿真等方法對(duì)理論設(shè)計(jì)進(jìn)行了參數(shù)合理性分析，進(jìn)一步為該方案的可行性提供理論依據(jù)。

研究成果可以運(yùn)用到變速直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)和改型，可以提升變速傳動(dòng)性能的設(shè)計(jì)分析能力，直接服務(wù)于我國(guó)變速傳動(dòng)行業(yè)。