面齒輪在直升機傳動系統(tǒng)中的應用前景分析

譚武中，王祁波

(1. 中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002； 2. 直升機傳動技術重點實驗室，湖南 株洲 412002)

0 引言

面齒輪傳動[1](圖1)是圓柱齒輪與平面齒輪嚙合的角度傳動，可滿足兩齒輪軸線正交、非正交或偏置等不同傳動要求。面齒輪相比于錐齒輪的最大優(yōu)點在于其嚙合的主動圓柱齒輪軸向位置精度要求低，不需要對主動齒輪進行精確的定位，可適應航空齒輪箱機匣變形引起小齒輪的移位；同時面齒輪傳動還具有單級傳動比大、結(jié)構緊湊等優(yōu)點。面齒輪分扭傳動應用在航空動力傳輸系統(tǒng)中，可以簡化動力傳輸系統(tǒng)結(jié)構，提高可靠性。

圖1 面齒輪傳動

1 面齒輪傳動技術研究進展

EARL最早對面齒輪齒形與承載能力做了近似計算[2]。20世紀90年代初，由于CAD和CAE發(fā)展的促進作用，面齒輪傳動在直升機分扭傳動中獨特的分流特性引起世人的關注。因此，歐美等先進工業(yè)國家逐步加大了面齒輪傳動的研究力度，在面齒輪嚙合理論和面齒輪加工等方面開展了相關研究。

1.1 面齒輪理論研究

美國LITVIN教授運用幾何學嚙合原理解決了根切和齒頂變尖的計算問題，由接觸區(qū)域的局部綜合理論發(fā)展了點接觸面齒輪，對兩齒面嚙合接觸進行了幾何仿真分析TCA，應用有限元和承載接觸分析LTCA技術對輪齒強度進行了計算[3]，如圖2所示。

圖2 面齒輪理論研究

MICHELE等人對面齒輪的各種嚙合情況進行了初步的應力和扭力分析[4]，考慮了直齒和斜齒面齒輪傳動裝置不同軸交角和交錯角、各種加工誤差和安裝誤差的情況。

1992年，HANDSCHUH等將面齒輪傳動應用于高速(19100r/min)、重載(271kW)的可行性進行了1∶2縮比試驗研究[5]。隨后，LITVIN等和麥道直升機公司對面齒輪傳動的輪齒極限半徑、邊緣接觸、重合度、傳動誤差和分扭傳動系統(tǒng)進行了詳細的研究，得出了一種避免邊緣接觸的方案。

在LITVIN等人對面齒輪傳動幾何設計研究的基礎上，HANDSCHUH等人開展了面齒輪應用于高速重載的可行性實驗[5]。試驗表明轉(zhuǎn)速在第1階固有頻率附近工作時，并沒有出現(xiàn)共振現(xiàn)象。試驗證明了面齒輪傳動用于高速大功率傳動是可行的，且動力學性能和力矩分流的精度都相當出色。

1.2 面齒輪加工研究

LITVIN最先發(fā)明了磨削面齒輪的蝸桿砂輪[6]。AUGUSTINUS F. H.等人發(fā)明了一種磨齒加工方法[7]，如圖3所示。修整工具安裝在磨齒機的工件主軸上與蝸桿砂輪做展成運動后砂輪就具有了正確的齒面，再用砂輪磨削待加工的面齒輪。由于需要經(jīng)常拆卸修整工具和工件，該方法和技術沒有得到工程應用和推廣。

圖3 齒輪式修整器方法

LITVIN在NASA報告中提出了分度展成磨削方法[8]，如圖4所示。原理是利用漸開線碟形砂輪模擬圓柱齒輪的一個輪齒，與面齒輪做相對轉(zhuǎn)動從而模擬了小輪與面齒輪的嚙合，完成展成運動。該方法原理簡單且容易實現(xiàn)，但加工效率較低，且齒距的精度不易控制。

圖4 漸開線碟形砂輪磨削面齒輪方法

HERMANN提出了一種新型的CONIFACE方法[9]，如圖5所示，它是利用帶傾角內(nèi)凹漸開線截形的盤形砂輪展成磨削面齒輪。該方法加工效率較高，但其需要進行復雜的參數(shù)調(diào)整才能得到良好的嚙合印痕，且齒距精度也不易控制。

圖5 CONIFACE面齒輪磨削方法與設備

通過多年的研究和積累，美國UIC、Boeing、加拿大North-Star等公司研制出了8-9軸高精度面齒輪蝸桿砂輪磨齒機床[10]，能夠磨削不同錐角、尺寸范圍較大、滿足航空使用要求的面齒輪，目前已生產(chǎn)出精度達AGMA12級的面齒輪，面齒輪的外半徑尺寸為200mm～500mm。

2 面齒輪在直升機傳動系統(tǒng)中的應用研究與進展

面齒輪傳動逐漸成為航空領域較先進的傳動方式，目前除美國軍方與NASA外，該技術為少數(shù)單位與公司所掌握。美國NASA經(jīng)過多年的實驗研究，已將面齒輪副應用在直升機主減速器分扭傳動中，并發(fā)揮了獨特的優(yōu)越性，在航空領域的應用中表現(xiàn)出了相當大的優(yōu)勢。

1992年，在美國ART計劃中，開展了高速重載下的面齒輪傳動研究，設計了使用面齒輪傳動的新型航空動力傳動裝置的分扭傳動結(jié)構，如圖6所示。1個圓柱齒輪作為主動輪驅(qū)動上下2個面齒輪，分扭傳輸發(fā)動機的動力，然后通過圓柱齒輪合并動力傳輸。這樣的分扭結(jié)構對稱配置于中央大齒輪的兩側(cè)，合并傳輸雙發(fā)動機動力。相比當時傳統(tǒng)的結(jié)構方案，該方案質(zhì)量減輕約40%，并節(jié)省了大量空間[11]。

圖6 ART計劃的面齒輪分扭傳動

1998年，一種比ART設計更先進的分扭傳動裝置由TRP計劃研制成功，該裝置如圖7所示。2個輸入動力的圓柱齒輪與2個惰輪分別對稱布置，動力由主動小圓柱齒輪分流給上下2個面齒輪，惰輪把下部面齒輪分流的動力合并傳輸給上部的面齒輪。該設計與應用當代先進設計方法的傳統(tǒng)構型相比，質(zhì)量減輕約25%[13]。

圖7 TRP計劃中的面齒輪分流傳動機構

進入21世紀后，美國推動RDS-21計劃繼續(xù)開展面齒輪分扭傳動技術研究，其中主要對面齒輪功率分流傳動的結(jié)構和均載設計進行研究，研究的直接目的是對AH-64改進。其主要研究方向涵蓋了面齒輪傳動的強度、傳動比的適合范圍以及5100馬力的面齒輪分扭傳動結(jié)構的設計。研究成果用于阿帕奇最新改進型AH-64E，如圖8所示。改進設計后的主減速器由三級變?yōu)閮杉墸w積和質(zhì)量皆明顯減小。應用面齒輪功率分流傳動技術的AH-64E直升機已試飛成功。

圖8 阿帕奇“AH-64E”主減速器結(jié)構

3 面齒輪在航空領域的應用前景及其面臨的技術挑戰(zhàn)

3.1 面齒輪在航空領域的應用前景

因面齒輪對安裝誤差不敏感、安裝與調(diào)整簡單等特點，因此在共軸對轉(zhuǎn)傳動、功率分扭傳動等航空動力傳動系統(tǒng)中具有良好的應用前景。

1) 在共軸對轉(zhuǎn)傳動機構中，采用上、下面齒輪和圓柱齒輪換向惰輪的結(jié)構實現(xiàn)內(nèi)、外輸出軸共軸對轉(zhuǎn)，如圖9所示。該傳動裝置結(jié)構簡單，零件數(shù)量少，質(zhì)量輕，圓柱齒輪無軸向力，支撐與安裝簡便，相比復合行星對轉(zhuǎn)傳動和螺旋錐齒輪對轉(zhuǎn)傳動，具有質(zhì)量、可靠性等方面的優(yōu)勢。

2) 在功率分扭傳動中，采用面齒輪同軸分扭或面齒輪分扭-圓柱齒輪并車的結(jié)構，分別如圖10和圖11所示。相比傳統(tǒng)結(jié)構，可明顯減少并車齒輪的徑向尺寸，并可利用面齒輪傳動較大的傳動比，減小高速級的轉(zhuǎn)矩，減輕質(zhì)量，在大功率傳動中具有明顯的優(yōu)勢。

圖9 面齒輪共軸對轉(zhuǎn)傳動

圖10 面齒輪同軸分扭傳動

圖11 面齒輪分扭-圓柱齒輪并車傳動

3.2 我國面齒輪傳動應用中面臨的技術挑戰(zhàn)

國內(nèi)面齒輪傳動技術的研究起步于20世紀90年代。南京航空航天大學、中南大學等高校針對面齒輪的齒面生成、強度分析、齒接觸分析以及面齒輪輪齒成形方法等開展了持續(xù)性的研究，促進了國內(nèi)面齒輪傳動理論的發(fā)展。近年來，磨齒加工技術取得了突破性進展，實現(xiàn)了φ300mm級硬齒面直齒面齒輪磨齒，齒面硬度達HRC58～60，磨齒后齒面精度達到6級。

中國航發(fā)608所開展面齒輪傳動的應用研究，獲取了面齒輪傳動特性；同時開展了正交直齒面齒輪齒形設計、強度計算、齒面精加工等技術研究，實現(xiàn)了輸入轉(zhuǎn)速20000r/min級、傳遞功率600kW級的面齒輪傳動試驗，對輪齒強度、接觸印痕及振動特性等進行了系統(tǒng)研究與驗證。

近年來，雖然我國在面齒輪傳動技術領域取得了一定的研究進展，但在技術基礎仍然偏弱，面齒輪在我國航空傳動系統(tǒng)中應用仍面臨著諸多技術挑戰(zhàn)，主要包括：

1) 新齒形面齒輪傳動的齒形設計方法

國內(nèi)在正交直齒面齒輪傳動方面已有一定的研究基礎，功率達到600kW以上、轉(zhuǎn)速達到20000r/min以上的直齒面齒輪傳動已通過試驗臺驗證；但在非正交斜齒面齒輪傳動方面離工程應用仍具有一定的距離。

2) 面齒輪傳動的強度計算標準

國內(nèi)已掌握了部分類型面齒輪傳動的強度計算方法，但缺乏足夠的試驗數(shù)據(jù)驗證；需形成面齒輪彎曲強度、接觸強度以及膠合強度的計算與評判標準，為其在輕質(zhì)大功率航空動力傳動系統(tǒng)中的工程應用提供指導。

3) 面齒輪傳動的接觸分析方法和軟件

國內(nèi)用于直齒面齒輪接觸分析的模型尚難以反映航空面齒輪真實的工作環(huán)境，亦缺乏足夠的試驗數(shù)據(jù)。在接觸分析研究時需考慮柔性支撐環(huán)境、軸向安裝誤差、系統(tǒng)綜合變形等因素對面齒輪接觸的影響，形成面齒輪接觸印痕設計方法和軟件分析模塊，為載荷多變工況下航空面齒輪傳動提供分析工具。

4) 面齒輪高精度磨齒加工方法及檢測標準

國內(nèi)僅在正交直齒面齒輪磨齒加工方面取得了一定進展，但磨齒直徑和齒面精度離工程應用尚具有一定的差距。國外已在直升機上應用了非正交斜齒面齒輪傳動和小軸交角面齒輪傳動，國內(nèi)尚不具備加工能力。因此需繼續(xù)開展新齒形加工和高精度磨齒研究，制定相應的檢測方法與精度評判標準。

5) 面齒輪功率分流傳動系統(tǒng)的均載設計

研究面齒輪功率分流傳動系統(tǒng)的建模及分析方法，建立面齒輪功率分流傳動系統(tǒng)的功率閉環(huán)變形協(xié)調(diào)條件，形成面齒輪功率分支傳動系統(tǒng)及均載機構的設計理論與方法。

4 結(jié)語

鑒于面齒輪在航空傳動系統(tǒng)中的獨特優(yōu)勢和巨大應用前景，近年來國內(nèi)明顯加大了對面齒輪及其功率分流傳動技術的研究力度，以求有所突破，從而實現(xiàn)我國航空傳動系統(tǒng)的技術跨越。但我國面齒輪傳動技術的工程應用仍存在諸多的技術問題亟待解決，主要表現(xiàn)在面齒輪強度計算標準、接觸分析方法、修形設計理論、齒面高精度加工方法及機床、面齒輪功率分流傳動的均載設計方法等。