小型無人直升機行星減速器設計

蔣國春

摘 要：無人直升機因其具有獨特的性能，有著廣泛的應用市場。為了滿足易加工、低成本、傳動平穩、低噪音的設計要求，本文設計了一種小型無人直升機行星減速器，采用圓錐齒輪與行星減速機構組合設計。經過產品加工、地面和飛行試驗，此減速器完全滿足設計要求，很好地解決了傳統無人直升機傳動系統設計的各種難點。

關鍵詞：無人直升機；行星減速器；使用效果

中圖分類號：TH132 文獻標識碼：A

直升機是旋翼飛行器的一種，是以旋翼作為其主要升力來源的垂直起落機。由于直升機具有獨特的飛行能力，是唯一能夠抵達任何地形區域的運輸工具。它的應用已日益廣泛地遍及軍事和民用的各個領域。隨著生產力的發展和科學技術的進步，智能化技術成為當今這個信息化時代的主要特征。直升機也逐漸向智能化方向發展，無人直升機繼承了傳統直升機獨特的垂直起落和空中懸停等飛行性能，以及其本身具備的低成本、零傷亡的優勢已經成為了直升機領域的新星。

直升機減速器是傳動系統的核心，其作用是將一臺或多臺發動機功率合并在一起并按需要分別傳給主旋翼、尾槳和各個附件，以保證直升機正常工作，特點是傳遞功率大和減速比大。目前的無人直升機減速機構均采用圓弧錐齒輪和皮帶傳動等結構。圓弧齒輪接觸和彎曲強度高、重合度大、尺寸小。皮帶傳動可以降低發動機振動對減速器的影響。但圓弧錐齒輪加工難度大，生產廠家少，導致生產周期長，成本高，不適合新產品的研制試驗用。若采用一般的多級直齒輪傳動，則為了滿足大傳動比和高安全系數的要求，齒輪必須設計成大模數、大尺寸，減速器重量必然增加。而皮帶傳動效率低，占用空間大，皮帶使用壽命短，耐熱性差，傳動不平穩。

一、行星減速器總體方案

為了克服上述不足問題，本文提供一種新型無人直升機減速器。減速器為兩級傳動，第一級為一對圓錐直齒輪傳動，結構簡單，易加工，成本低。第二級為NGW型行星齒輪傳動，傳動比大、效率高、體積小。動力傳遞路線是：發動機輸出軸與減速器輸入軸通過聯軸器連接，減速器功率向上通過旋翼軸輸出到旋翼，向后通過尾傳動軸輸出到尾槳。

二、行星減速器設計原理

行星減速器的設計原理如圖1所示。減速器輸入端安裝聯軸器1，用于隔離發動機振動對減速器的影響，同時消除發動機與減速器之間的安裝誤差。根據總體供電要求，在輸入軸2上安裝一個發電機皮帶輪3，將高輸入轉速傳遞到發電機中，結構簡單實用。根據總體設計要求，發動機輸出軸與尾傳動軸同軸，所以減速器輸入軸穿過減速器箱體，將轉速向后傳遞到尾傳動軸上，兩端用相同規格的圓錐滾子軸承支撐，用相同的旋轉唇型密封圈和端蓋密封，這種對稱結構便于加工、裝配，縮短了設計、生產周期。由于減速器尺寸小，所以采用輸入軸上安裝甩油盤4用于齒輪潤滑，簡單可靠。輸入圓錐齒輪5安裝到輸入軸上，輸出圓錐齒輪6與行星減速機構的太陽輪7之間通過太陽輪的齒輪聯軸器連接，由于圓錐齒輪輸出軸軸向固定，浮動的太陽輪偏轉角度很小，會引起載荷沿齒寬方向分布不均勻，所以太陽輪軸設計較長。為了防止太陽輪沿垂向移動，齒輪聯軸器處安裝一個擋圈8。行星輪采用3個圓柱直齒輪9，中間通過銷軸10與行星架11連接。齒圈12通過螺栓安裝到箱體13上。行星輪帶動行星架旋轉，從而將發動機轉速通過多級減速傳到旋翼軸14上。

三、關鍵件強度計算

首先，對減速器輸入圓錐齒輪和輸出圓錐齒輪進行強度計算。

減速器輸入功率為55kW，根據結構尺寸選擇輸入圓錐齒輪齒數z1=19，輸出圓錐齒輪齒數z2=34，模數為m=5，齒寬中點螺旋角βm=30°。

根據《機械設計手冊》，計算齒面接觸疲勞強度為：

其次，對箱體進行有限元分析。

由于箱體結構復雜，所以采用Solid Works軟件進行建模。再將箱體模型導入ANSYS Workbench軟件進行網格化分和計算。經過分析計算箱體受最大應力為47.756MPa，發生在輸入端口周圍。為了縮短加工周期，降低生產成本，箱體選用鋁合金6061加工而成。屈服變形0.2%時的強度為σp0.2=110MPa，可見計算結果滿足承載要求。

經過計算其他零部件的強度均滿足設計要求，為減速器的生產、試驗提供了安全保證。

四、使用效果

為了減輕重量，箱體材料選用鋁合金，既保證了傳動系統的安全性，同時又減輕了結構重量。齒輪材料選用高強度合金結構鋼，熱處理后強度高、耐磨損。外購標準件品種少，購買容易。產品加工后安裝到無人直升機上，經過長時間地面系留試驗和飛行試驗，工作時表現平穩，噪聲小，安全可靠，完全滿足了總體設計要求。

結論

隨著機械工業的發展，設計和加工水平的不斷進步，無人直升機傳動系統設計方案也會千差萬別，但宗旨不變，就是為了直升機總體提供一種安全、平穩、低成本、易加工的傳動產品。本文的行星減速器采用圓錐齒輪與行星減速機構組合設計方案，很好地解決了傳統無人直升機傳動系統加工周期長、成本高、振動大等問題。為所應用的直升機市場推廣提供了很好的技術支持。

參考文獻

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2002.