重型直升機主減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘要： 本文針對重型直升機主減速器結(jié)構(gòu)的設(shè)計，提出設(shè)計要求和解決方案，為我國重型直升機制造和發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞： 重型直升機 主減速器 差動行星減速器

當(dāng)今重型直升機越來越多地用于救災(zāi)、軍事運輸?shù)热蝿?wù)，重型直升機是指起飛重量大于20噸的直升機。由于重型直升機運載能力大，有較快的飛行速度，且不需機場起降，是一個較好的空中平臺和運載工具。而我國在這方面的技術(shù)研發(fā)幾乎空白。重型直升機的主要技術(shù)難點在于渦輪軸發(fā)動機、重型減速器、大型寬翼型槳葉和槳轂的研制。其重型減速器的許用功率巨大（如：米-26為14710千瓦），重量又應(yīng)盡可能小（一般為整機重量的1/7～1/9），且必須保證極高的瞬間過載能力、可靠性和使用壽命。通常重型直升機采用齒輪傳動式主減速器，它的輸入形式為2臺甚至更多渦輪軸發(fā)動機多軸并車，可將高轉(zhuǎn)速低扭矩的輸入功率，經(jīng)3～4級的齒輪減速50～150后，轉(zhuǎn)換成低轉(zhuǎn)速大扭矩由主旋翼的中心軸和尾槳傳動軸輸出。主減速器也是機體、旋翼和發(fā)動機連接的橋梁，因此它的箱體對剛度、強度要求極高，且不能影響內(nèi)部齒輪的嚙合性能。綜上所述，筆者提出新型重型直升機主減速器結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求和解決方案如下。

1.設(shè)計要求

1.1減速器的原理與結(jié)構(gòu)具有通用性，可根據(jù)不同功率的主機，按比例有規(guī)律地縮、放，設(shè)計出其衍生機型，降低后續(xù)機型的研發(fā)時間和費用，使設(shè)計一勞永逸。

1.2采用新材料、新技術(shù)，提高減速器的功率重量密度和功率體積密度，降低齒輪齒面的接觸壓強，提高高壓油膜潤滑在齒面滑動接觸的厚度和時間，降低磨損，減少發(fā)熱，延長維護周期和使用壽命。

1.3采用鼓形齒，變位漸開線等新技術(shù)，提高精度和齒面強度，優(yōu)化齒面的接觸區(qū)域，降低對安裝精度的要求，使齒輪在大功率運轉(zhuǎn)時，保持良好的嚙合特性。

1.4主減速器的終極采用差動行星減速，并在其行星架上加入均載機構(gòu)，使各行星的受力情況趨于一致，從而更好地發(fā)揮出虛約束在傳動合力上的增強作用。使承載能力大幅增加，而減速器的總重量幾乎不變。

2.設(shè)計方案

主減速器是將兩個渦輪軸發(fā)動機輸出軸的高轉(zhuǎn)速降至主旋翼所需的低轉(zhuǎn)速，考慮到雙機并車、主軸90度轉(zhuǎn)向和盡量減輕重量等設(shè)計要求，本設(shè)計采用4級減速，減速比約100。

2.1初級為90度轉(zhuǎn)向的準(zhǔn)雙曲面齒輪或者螺旋錐齒輪，主要目的是保證減速比在2～3的前提下，使渦輪軸發(fā)動機輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生90度的轉(zhuǎn)向，并使大錐齒輪的旋轉(zhuǎn)方向與主旋翼的旋轉(zhuǎn)方向一致。

2.2第二級和第三級采用圓柱齒輪與錐齒輪的末端與星型減速機構(gòu)相連，目的在于小幅減速，以減低最大從動齒輪的外徑，從而減輕重量。因為齒輪可以近似看做一個高徑比很小的圓柱，在齒輪的材料一定，密度和齒寬相同的前提下，重量與直徑的2次方成正比。又因為大齒輪的加工難度大，易變形，尤其是斜齒圓柱齒輪的軸向力作用，更易使齒輪產(chǎn)生平面度變形，嚴(yán)重影響精度，惡化軸承的工況。總之，初級寧可多加一級減速，以減少各級齒輪中最大齒輪的外徑，也不用大齒輪單級減速。

2.3終級與主旋翼直接連接，是減速器中扭矩、強度、體積和重量最大的一級，雖然減速器的各級可以近似看成是恒功率的降速增扭，但各級的扭矩是決定尺寸、重量的關(guān)鍵因素。本設(shè)計選用終級差動行星減速器方案，其輸出轉(zhuǎn)速約每秒2～3.2圈，考慮到傳動效率、減輕重量和高轉(zhuǎn)速對行星架的影響，取10倍左右的減速比為宜，在輸入轉(zhuǎn)速為1200rpm～1920rpm的條件下，是完全可行的。差動行星減速器有如下幾個優(yōu)點：

2.3.1單級減速比大，約8～20，且不同的減速比，僅僅是雙聯(lián)圓柱齒輪的分度圓直徑之差略有不同，整體形狀和體積沒有太大改變，故機殼通用性好。由于減速比和齒輪的絕對直徑?jīng)]有直接關(guān)系，可采用小的行星雙聯(lián)齒輪，以減輕重量。

2.3.2單位重量承載力大，差動行星減速的輸入部件為行星架，其全部行星齒輪都安裝在行星架半徑的外端，為了更好地實現(xiàn)均勻嚙合，本方案增設(shè)了均載機構(gòu)，雖在重量上略有增加。但對行星架動力性益處極大，因為輸出的扭矩是輸入扭矩的N倍，N為減速比。差動行星減速比大，在輸出扭矩一定的條件下，行星架所受力矩和強度大大降低了，原理性減輕了行星架的總重量。

2.3.3減輕了推力軸承的負(fù)擔(dān)，由于外嚙合式差動行星減速機構(gòu)的輸出端，為單一外齒輪-斜齒圓柱齒輪，且旋翼為單一旋轉(zhuǎn)方向。利用這個特點，結(jié)合斜齒輪的嚙合軸向力，可以部分抵消主旋翼的升力所產(chǎn)生的拉力，減輕主推力軸承的負(fù)擔(dān)。其余負(fù)載會均勻地分布到行星架中的雙聯(lián)齒輪，使之產(chǎn)生互相分離的力量，而雙聯(lián)齒輪是一個整體零件，故上下大圓柱齒輪，軸向力可以抵消。減輕了推力軸承的負(fù)擔(dān)。

3.加工工藝與潤滑

3.1雙聯(lián)的圓柱齒輪中小齒輪的工藝性較差，如果將大小齒輪的軸向距離適當(dāng)拉長，問題則得到解決，否則小齒輪只能采用插齒工藝進行加工，而在熱處理之后，因砂輪會干涉下面的大齒輪而無法實現(xiàn)精磨，故精度無法得到本質(zhì)提高而影響承載力。

3.2各行星的雙聯(lián)齒輪，要求外形完全一致，且上下齒輪的某個齒的相位差也相同，確保全部行星在裝配時實現(xiàn)圓周均布。這些是通過切齒和磨齒時一次裝夾定位完成此精度。并在對應(yīng)的齒上面打標(biāo)記。大小齒輪均采用鼓形齒修型和新型的壓力角負(fù)變位修型工藝，保證在大力承載時，齒面形狀亦為標(biāo)準(zhǔn)的漸開線齒形。

3.3傳統(tǒng)的行星減速器的內(nèi)齒圈，由于定位要求難以得到滿足，故在旋轉(zhuǎn)時經(jīng)常出現(xiàn)偏載和偏磨損等現(xiàn)象，且熱處理后，變形和共軛磨齒等精加工問題難以解決，一般內(nèi)齒圈多采用如38CrMoAl等滲氮鋼制造，因為滲氮后變形較小，表面硬度較高，但這依然不能作為重型直升機主減速器的終極傳動齒輪。因為滲氮的氮化層很薄，約為滲碳層厚度的十分之一甚至幾十分之一，另外齒面一定要經(jīng)過磨齒才能有效進行修型等精密加工，僅僅依靠插齒的精度，難以獲得高品質(zhì)的內(nèi)齒輪。因此本行星減速器全部齒輪均采用外圓柱斜齒輪，具有加工工藝性好，精度易于通過齒面精磨而提高。同時由于其原理的差動性，也易于制造帶有均載機構(gòu)的行星架。

3.4減速器采用單獨噴油的方式強制潤滑，使嚙合的齒輪間產(chǎn)生類似齒輪泵“困油”的效果，在齒隙間將滑油擠出，增加油膜的厚度和作用時間，降低摩擦與溫度。

4.結(jié)語

國外上世紀(jì)八十年代就可以生產(chǎn)重型直升機，而我國至今還不能。我國的飛機制造業(yè)相對落后，應(yīng)抓住關(guān)鍵技術(shù)不斷發(fā)展，努力發(fā)展自己的先進技術(shù)，縮短與發(fā)達(dá)國家之間的差距，力爭早日實現(xiàn)從低端到高端的轉(zhuǎn)變。實現(xiàn)從中國制造到中國創(chuàng)造、從制造大國到制造強國的轉(zhuǎn)變。

參考文獻：

[1]路錄祥.直升機結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2009.

[2]饒振綱.微型行星齒輪傳動設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[3]廖少英，趙金才.航空航天飛行器推進增壓輸送系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：中國宇航出版社，2012.

[4]朱孝錄.齒輪傳動設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.