重型直升機傳動系統結構的現狀分析

摘 要：傳動系統是重型直升機的關鍵組件，對直升機的整體性能有重大影響。文章分析了重型直升機傳動系統的技術特點，總結了主要的傳動系統類型，并介紹了傳動系統關鍵零部件的發展，對重型直升機傳動系統的結構設計有一定參考價值。

關鍵詞：重型直升機；傳動系統；結構；現狀

引言

重型直升機是起飛重量大于20噸，內載或外掛能力大于8噸的運輸直升機。其特點是具有較快的速度和極大的運載能力，能通過內部或外部吊掛運輸重型施工設備或大型武器裝備，且無需機場起降。重型直升機在軍事活動中得到廣泛使用，使得傳統的作戰模式和戰術發生變革。在重大搶險救災中，重型直升機也發揮著巨大的作用，它能快速運送受災人員和傷員，運輸物資和大型設備。

傳動系統、發動機和旋翼系統是直升機上三個關鍵的轉動組件。傳動系統的功能是將發動機的動力按比例分配給主旋翼、尾旋翼以及其他附件，并將來自發動機和旋翼的載荷傳遞給機身[1]。傳動系統由主變速箱、主傳動軸、尾傳動軸、中變速箱和尾變速箱等部件構成。直升機的整體性能很大程度上取決于傳動系統的性能，對傳動系統結構的研究是十分必要的。

1 重型直升機傳動系統技術特征

重型直升機主要用途是運輸大型設備，與普通直升機相比，傳動系統具有獨特的技術特征。

1.1 高輸入轉速

目前，大部分的重型直升機發動機的內部都沒有設計減速箱，發動機的輸出速度可以由以前的6000r/min達到現在的20000r/min[2]。因此，傳動系統的主減速器需要針對高輸入速度進行結構設計，才能滿足直升機傳動的要求。

1.2 高功率密度

重型直升機的載重量比普通直升機要高很多，使用高功率密度的傳動系統可以減少直升機的凈重，增加它的有效負載，提升整體性能。在傳動系統中使用高強度材料和高效的潤滑系統有助于提高功率密度。目前，主減速器的質量系數已經降到0.06以下，功率密度很高。

1.3 長壽命、高可靠性和良好的可維護性

重型直升機的服役時間比普通直升機更長，為了降低生命周期成本，傳動系統需要有更長的壽命，更高的可靠性和更好的可維護性。在傳動系統中，有相當數量的關鍵零部件，一旦它們出現故障，就可能導致災難性的后果，因而高可靠性對于傳動系統十分必要。高可靠性也讓傳動系統的設計、制造、測試、維護、檢測變得更加困難。

1.4 高效率

由于直升機旋翼轉速和發動機輸出轉速之間存在巨大的差異，傳動系統的主減速器應該包含了多個復雜齒輪系，這對變速箱的傳動效率有顯著影響。為了提高運輸的效率，在傳動系統中應用效率更高的傳動元件是十分必要的。在先進的傳動系統中，主減速器的單級傳動效率已可達到97%。

1.5 高生存能力

重型直升機可能進行長途的運輸作業，途中可能發生減速箱潤滑油異常泄露的情況。按照適航規定，傳動系統必須在失去潤滑的情況下依然能夠正常運轉一段時間。對于先進的傳動系統來說，無潤滑的運轉時間可達一個小時。另外，重型直升機需要具備一定的防撞性，以提高它在危險情況下的生存能力。

2 重型直升機傳動系統構架類型

目前普遍使用在重型直升機上的傳動系統結構有以下兩種（如圖1所示），它們不僅滿足傳動系統的技術特點，而且設計和制造相對簡單，可靠性較高。

2.1 A型傳動構架

這是目前應用最廣泛的主齒輪箱結構，它的結合方式分成三個階段，分別是圓柱齒輪結合階段、錐齒輪角轉階段和行星齒輪階段。它適用于中型重型直升機，有大量設計的經驗和實例做論證，而且行星輪系的減速比較大，可以適用于較高的輸入轉速。但是這種類型的傳動結構體積和質量都比較大，而且錐齒輪所受的載荷較大，噪聲和振動較大。

CH-47支奴干運輸機[3]采用A型傳動構架，它是由美國波音公司研發并制造的多功能、雙引擎，雙螺旋槳的中型運輸直升機。CH-47采用典型的串聯傳動系統設計，前旋翼和后旋翼都有發動機和并車傳動系統，并車傳動系統將兩臺發動機的動力輸入，并傳入前后旋翼。其主減速箱結構第一級是錐齒輪傳動，第二級是簡單的行星輪系傳動，前后的減速比可達30.73：1。

2.2 B型傳動構架

相對于A型，這種傳動方式較為新穎，它的結合方式也分成三個階段，分別是錐齒輪角轉階段、圓柱齒輪嚙合階段和行星齒輪階段。其適用于大型直升機，兩個距離較遠的發動機能夠很好地實現并車；行星輪系和螺旋錐齒輪相結合可以實現大傳動比的減速；并且通過分路傳動，避載荷集中。但是這種方式只適用于大型直升機，而且造價高，要求加工精度高。

MI-26重型直升機[4]的傳動系統是較為特殊的B型傳動構架，其無行星輪系分扭傳動，第一階段是發動機的扭矩被直接分配在四個螺旋錐齒輪上，實現變向和一級減速；第二階段是由斜齒輪傳動，將扭矩傳出；第三階段是由8個正齒輪對進行傳動，中心兩個主齒輪實現并車。這樣的結構保證了旋翼輸出足夠的力矩，且整個主齒輪的受力較為分散，對齒輪磨損較小。

3 重型直升機傳動系統關鍵部件

3.1 齒輪

除了傳統的漸開線齒輪，橫向接觸率超過2的螺旋錐齒輪也被用在了傳動系統中[5]。螺旋錐齒輪是基于齒面接觸分析（TCA）和負載齒面接觸分析（LTCA）設計開發的。運用這種分析方法設計螺旋錐齒輪，能夠考慮到載荷作用下的結構變形的影響，并且得到齒輪實際運轉的最好的接觸模式。

一些傳動系統中也開始使用面齒輪傳動，其最大優點是小齒輪的橫向位置誤差對嚙合性能沒有影響[6]。但是由于齒輪嚙合時接觸寬度的微小變動，齒寬測定、強度計算、齒面磨損成了面齒輪研究的難點。

在齒輪系的結構方面，除了改進傳統的簡單行星輪系外，傳動系統也采用了各種其他類型的行星輪系，如高重合度行星輪系和無軸承行星輪系。無軸承行星輪系具有重量輕、高可靠性和同軸輸出的特點，在未來的傳動系統中很有發展潛力。

3.2 軸承

軸承是傳動系統中旋轉部件（軸、齒輪）的重要支承部件。各種類型的軸承被用在傳動系統中，如滾珠軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、調心滾子軸承等[6]。直升機軸承采用集成化設計，保證了其結構簡單，可靠性高。在實際工作中，軸承需要承受的軸向載荷很大，甚至達到13噸，因此超高載荷的軸承采用多列軸承配對結構，并合理配置軸承支承，實現均載。另外，主減速器的輸入轉速最大達到20000r/min，導致軸承的工作轉速極高，因而采用高精度軸承，并使用陶瓷滾動體和鍍銀的鋼制保持架來降低其摩擦系數。

目前，大量研究集中在軸承材料、熱處理、表面處理、結構設計和檢測方面，M50NiL、陶瓷滾動體等新材料以及二次淬硬等新技術有效提高了軸承的疲勞極限和承受高速、高載荷的性能。軸承帶安裝邊設計、軸承-軸一體化設計，有效地避免了軸承配合面的微動磨損。在軸承壽命方面，由于使用了新材料并提高了安裝精度，軸承的壽命增加了4到6倍[6]。

3.3 超越離合器

超越離合器是保證發動機與傳動系統主減速器之間按要求及時接合、脫開的關鍵動部件[2]。傳動系統一般采用滾柱離合器、斜撐離合器和高速彈簧離合器。滾柱離合器已經應用在輸入轉速6000r/min以內的主減速器中；斜撐離合器能夠承受更大的轉速，但也不超過12000r/min。高速彈簧離合器能夠適用于轉速超過20000r/min的主減速器，其組件只有斜撐離合器的一半，具有重量輕、高可靠性的特點。然而，它的運轉條件比較嚴苛，對彈簧的要求很高，而且難以加工制造。

4 結束語

總的來說，重型直升機動力傳動系統向著高功率密度、高效率、高可靠性、長壽命的方向發展，這就導致了傳動系統結構的不斷進步來滿足高性能的要求。在關鍵零部件方面，螺旋錐齒輪、無軸承行星輪系、高精度軸承、高速彈簧離合器等新型的零部件在傳動系統中得以利用，使得傳動結構零件減少，重量減輕，可靠性增強。隨著科技的發展與進步，重型直升機傳動系統已經不在局限于傳統的定傳動比、定軸傳動、齒輪傳動等結構形式，變速比傳動、傾斜傳動、電傳動等新型傳動形式將逐步進入工程應用。今后，傳動系統的研究應在優化改進傳統傳動結構的基礎上，探尋新型的傳動結構。

參考文獻

[1]John J.Coy，Robert C.Bill： Advanced transmission studies[C].44th Annual Forum of the American helicopter Society，1988.

[2]G White. Design study of a split-torque helicopter transmission[J].IMechE，1998：158-165.

[3]Zachary S. Henry： Bell helicopter advanced rotorcraft transmission （ART） program[R].NASA contractor report 195479，1992.

[4]丁文強.國外先進的直升機傳動系統研究[C].北京：中國國防科學技術報告，2002：34-37.

[5]Joseph W. Lenski. Boeing helicopters advanced rotorcraft transmission（ART） program summary of component tests[C]. AIAA/SAE/ASME/ASEE 28th Joint Propulsion conference and exhibit，1992.

[6]Robert F. Handschuh， James J. Zakrajsek. Current research activities in drive system technology in support of the NASA rotorcraft program[C]. The vertical lift aircraft design conference，2006.

作者簡介：陳博（1992-），男，四川成都人，碩士研究生，主要研究方向為機械設計及理論。