共軸反轉直升機傳動系統構型現狀

倪 德，李苗苗，胡志安，張棟林，張根苗，朱如鵬

（1.中國航發湖南動力機械研究所，株洲412002；2.南京航空航天大學直升機傳動技術國家級重點實驗室，南京210016）

直升機以其出色的超低空快速機動能力、戰場后勤保障能力、低空縱深突防能力，奠定了它在現代戰爭中的重要地位與作用，受到世界各國軍事部門的高度重視。

受構型的限制（前行槳葉激波），常規構型直升機平飛速度一般不超過300 km/h[1]。由于飛行速度慢、飛行高度低、機動性差等問題，常規構型直升機面臨嚴重的生存挑戰。

共軸式直升機采用上、下共軸對轉的兩組旋翼用來平衡旋翼扭矩，不需要尾槳。常規共軸式直升機的主要代表機型有俄羅斯卡莫夫設計局研制的卡-28、卡-32、卡-52 等，其傳動系統采用共軸反轉傳動系統。20 世紀70 年代以來，在常規共軸式直升機基礎上，美國西科斯基公司發展了一種復合推進式高速直升機，采用共軸反轉剛性雙旋翼帶尾推進槳構型，主要代表機型有X2、S-97 等。共軸剛性旋翼高速直升機（以下簡稱“高速直升機”）能突破常規構型直升機的速度限制，實現400 km/h 以上的高速平飛，已經成為當前直升機技術領域發展的制高點[2]。

高速直升機傳動系統包括共軸反轉主傳動系統（主減速器）和尾推傳動軸系兩部分（見圖1）[3]，負責將發動機的功率和轉速按一定比例傳遞給主旋翼、尾推進槳以及液壓泵等附件，同時負責將旋翼及尾推進槳載荷傳遞至機身，其性能的優劣直接影響高速直升機研制的成敗，其壽命、重量、可靠性等指標能否實現對全機研制和使用均有重大影 響[4-6]。

圖1 共軸剛性旋翼高速直升機傳動系統布局[3]Fig.1 Coaxial rigid rotor high-speed helicopter transmission system layout[3]

1 共軸反轉傳動系統構型原理

高速直升機有垂直起降/懸停、低速飛行、高速前飛等多種工作模式[7]。由共軸反轉的兩幅旋翼實現懸停和爬升，由尾推進槳實現高速前飛，旋翼不需要傾轉，相對傾轉式旋翼機可靠性更高。如圖2 所示，懸停/爬升狀態，發動機主要功率傳遞給主旋翼軸，高速前飛狀態，發動機主要功率傳遞給尾推進槳。為了降低重量和成本，旋翼和尾推進槳一般共用發動機。起飛、降落、懸停和低速飛行時，只有旋翼必須由發動機提供動力驅動，為直升機提供垂直方向的升力，低速飛行時還提供水平方向的推進力；高速前飛時，只有尾推進槳必須由發動機提供動力驅動，為直升機提供水平方向的推進力，直升機的升力主要來自機翼，旋翼提供的升力不再占主導地位，并且旋翼提供的升力可直接在動力驅動下提供，也可間接在飛行風力作用下自轉提供，后者的升力效率更高。因此，旋翼和尾推進槳均不需要進行連續驅動，只需要進行斷續驅動，如果低速飛行時推進槳不驅動，則整個直升機飛行期間，發動機在旋翼和尾推進槳兩者之間進行交替驅動即可。因此，相對于常規直升機的傳動系統，高速直升機的共軸反轉傳動系統構型設計更加復雜。

圖2 不同飛行狀態下傳動系統的功率流[7]Fig.2 Power flow of the transmission system in different flight conditions[7]

實現共軸反轉輸出是高速直升機對傳動系統最基本的功能需求。實現共軸反轉輸出的主傳動系統構型分可為4 類（見圖3）：以圓柱齒輪為基礎實現共軸反轉輸出的傳動構型，以錐齒輪為基礎實現共軸反轉輸出的傳動構型，以差動輪系為基礎實現共軸反轉輸出的傳動構型，以及以面齒輪為基礎實現共軸反轉輸出的傳動構型。

圖3（a）所示傳動系統構型的傳動原理是通過一對圓柱齒輪嚙合驅動內旋翼軸支路，另一對圓柱齒輪嚙合驅動外旋翼軸支路，即通過圓柱齒輪嚙合（可能為最后一級傳動，也可能在后面再增加一級以適用更高的減速、傳遞功率需求）實現內、外旋翼軸共軸反轉輸出。

圖3（b）所示傳動系統構型的傳動原理是通過一對錐齒輪嚙合驅動內旋翼軸支路，另一對錐齒輪嚙合驅動外旋翼軸支路，即通過錐齒輪嚙合（可能為最后一級傳動，也可能在后面再增加一級以適用更高的減速、傳遞功率需求）實現內、外旋翼軸共軸反轉輸出。

圖3（c）所示傳動系統構型的傳動原理是通過行星架驅動內旋翼軸（或外旋翼軸），內齒圈驅動外旋翼軸（或內旋翼軸），即通過差動輪系實現內、外旋翼軸共軸反轉輸出。

圖3（d）所示傳動系統構型的傳動原理是通過一對面齒輪嚙合驅動內旋翼軸支路，另一對面齒輪嚙合驅動外旋翼軸支路，即通過面齒輪嚙合（可能為最后一級傳動，也可能在后面再增加一級以適用更高的減速、傳遞功率需求）實現內、外旋翼軸共軸反轉輸出。

圖3 所示的4 種共軸反轉構型的優缺點比較如表1 所示。

圖3 4 種共軸反轉傳動系統主要構型原理Fig.3 Main configuration principles of four coaxial reversal transmission systems

表1 4 種構型的優缺點比較Table 1 Comparison of four coaxial reversal transmission systems

2 以圓柱齒輪為基礎實現共軸反轉輸出的傳動系統構型現狀

卡莫夫設計局設計的多用途直升機Ka-26 的共軸反轉傳動系統采用了以圓柱齒輪為基礎實現共軸反轉的傳動方式[9]，如圖4 所示，采用三級減速傳動，第一級通過螺旋錐齒輪實現減速換向，第二級和第三級是圓柱齒輪和星形輪系實現共軸反轉輸出。

圖4 Ka-26 共軸直升機主減速器結構與實物圖[9]Fig.4 Structure and physical diagram of Ka-26 coaxial heli-copter main reducer[9]

西科斯基公司2006 年申請了如圖5 所示的圓柱齒輪內外嚙合共軸反轉傳動系統構型專利[7]，主傳動鏈為三級減速傳動，第一級為圓柱齒輪減速（由圓柱齒輪54 輸入，圓柱齒輪56 輸出），第二級為錐齒輪減速換向（由錐齒輪60 輸入，錐齒輪62 輸出），第三級為圓柱齒輪內、外嚙合減速并車（一路由圓柱齒輪66 輸入，圓柱齒輪72 輸出；另一路由圓柱齒輪68 輸入，內齒圈74 輸出），再通過與圓柱齒輪72 和內齒圈74 相連的內旋翼軸48 和外旋翼軸50 實現兩路共軸反轉輸出，圖中Ri為傳動比。同時，通過兩級圓柱齒輪減速傳動，將功率由圓柱齒輪80 傳輸給尾傳動軸組件，經尾推減速器之后傳輸給尾推進槳，詳見圖6。

圖5 圓柱齒輪內外嚙合共軸輸出構型[7]Fig.5 Cylindrical gear internal and external meshing coaxial output configuration[7]

西科斯基公司2013 年申請了如圖7 所示的圓柱齒輪外嚙合的功率分流型共軸反轉傳動系統構型專利[10]，主傳動鏈采用三級傳動，第一級為錐齒輪減速換向，第二級為圓柱齒輪減速并進行功率分流（由圓柱齒輪66 分別傳遞給圓柱齒輪78、80），第三級為圓柱齒輪減速并車（一路由圓柱齒輪84 傳遞給圓柱齒輪48，另一路由圓柱齒輪82 傳遞給圓柱齒輪44）實現共軸反轉輸出。

3 以錐齒輪為基礎實現共軸反轉輸出的傳動系統構型現狀

圖6 傳動系統外形圖[7]Fig.6 Outline drawing of transmission system[7]

圖8 錐齒輪傳動共軸輸出構型[11]Fig.8 Coaxial output configuration of bevel gear drive[11]

如圖8 所示為采用錐齒輪作為最后一級實現共軸反轉輸出的傳動構型[11]，該結構零件數量少，結構簡單，適合輕型共軸式直升機。

根據相關資料[12-13]，西科斯基公司與波音公司聯合研制的SB＞1 技術驗證機傳動系統也采用以錐齒輪為基礎實現共軸反轉輸出的傳動系統構型，主傳動鏈為五級傳動，前三級均為錐齒輪減速換向，且由第三級錐齒輪傳動實現內、外旋翼軸兩路反向輸出，第四級為人字齒輪分扭傳動，第五級為人字齒輪減速并車實現共軸輸出，詳見圖9。尾傳動鏈為兩級傳動，第一級與主傳動鏈共用（圓錐齒輪減速換向），第二級為圓錐齒輪并車輸出。

專利The main gearbox of the helicopter coaxi-al configuration[14]（圖10）提出的傳動系統構型采用二級傳動，第一級為一個主動錐齒輪驅動上下布置的兩個從動錐齒輪反向轉動，上從動錐齒輪通過一對圓柱齒輪副驅動內旋翼軸，下從動錐齒輪同樣通過一對圓柱齒輪副驅動外旋翼軸，最終實現內、外旋翼軸共軸反轉輸出。專利Coaxial-rotor helicop-ter gearbox（圖11）[15]和北京航空航天大學于研制的“海鷗”共軸式小型無人直升機（圖12）[16-17]傳動原理類似，均是由一個主動錐齒輪驅動兩個從動錐齒輪，帶動內、外軸實現共軸反轉輸出。

圖9 SB＞1 技術驗證機傳動系統部分結構示意圖[12-13]Fig.9 Schematic diagram of part of the transmission system of SB＞1 technical verification machine[12-13]

圖10 錐齒輪換向共軸反轉傳動系統[14]Fig.10 Bevel gear commutation coaxial reverse transmis-sion system[14]

圖11 錐齒輪換向共軸反轉傳動系統[15]Fig.11 Bevel gear commutation coaxial reverse transmis-sion system[15]

圖12 “海鷗”共軸無人直升機動力傳動原理圖[16-17]Fig.12 “Seagull”coaxial unmanned helicopter power trans-mission principle diagram[16-17]

蘭州交通大學設計了如圖13 所示的共軸反轉齒輪傳動系統[18-19]，采用二級傳動，首先通過錐齒輪傳動實現減速、共軸反轉輸出，然后通過行星輪系驅動內、外旋翼軸，實現上、下旋翼以等速共軸反轉。

圖13 共軸反轉傳動系統簡圖[18-19]Fig.13 Schematic diagram of coaxial reversal transmission system[18-19]

4 以差動輪系為基礎實現共軸反轉輸出的傳動系統構型現狀

1973 年7 月26 日成功實現首飛的XH-59A 技術驗證機傳動系統采用復合行星輪系共軸輸出構型[20]，主傳動鏈為兩級傳動（見圖14），第一級為錐齒輪減速（速比為3.84），第二級為差動輪系（速比為5），上旋翼為從動齒圈輸出，下旋翼為行星架輸出。附件傳動由發動機輸入軸通過圓柱齒輪副傳動。

圖14 差動輪系共軸輸出構型（XH-59）[20]Fig.14 Coaxial output configuration of differential gear train (XH-59)[20]

艦載直升機Ka-25、Ka-27、Ka-28、Ka-29、Ka-31、Ka-32 等均采用封閉差動行星輪系實現內外軸的等速反向輸出[9]。Ka-25 傳動鏈結構見圖15[9]，Ka-32 傳動鏈結構見圖16[8]。

圖15 Ka-25 共軸直升機主減速器[9]Fig.15 Ka-25 coaxial helicopter main gearbox[9]

中國航發湖南動力機械研究所設計了一種封閉差動行星共軸輸出構型（圖17）[21]，由定軸輪系和差動行星輪系組成的封閉差動行星構型，以太陽輪為輸入端，差動級行星架和齒圈分別連接內外輸出軸，實現共軸反轉輸出。

黑龍江農業工程職業學院設計了一種共軸直升機主減速器[22]，共三級傳動，第一級為圓柱齒輪減速，第二級為圓錐齒輪減速換向，第三級為共軸差動行星輪系實現共軸反轉輸出，如圖18 所示[22]。共軸差動行星輪系由一級定軸輪系和一級行星結構組成，Ⅰ級為雙聯行星定軸輪系，齒圈連接外旋翼軸，Ⅱ級為差動輪系，行星架連接內旋翼軸，二級齒圈連接外旋翼軸，通過選擇合適的齒輪齒數，實現內、外旋翼軸等速反轉。

圖16 Ka-32 主減速器結構與實物圖[8]Fig.16 Structure and physical diagram of Ka-32 main gear-box[8]

圖17 封閉差動共軸反轉傳動系統[21]Fig.17 Closed differential coaxial reversal drive system[21]

圖18 含尾推進的共軸反轉傳動系統[22]Fig.18 Coaxial reversal drive system with tail propulsion[22]

直升機設計研究所研究了單輸入雙輸出的定軸輪系與差動輪系組合的Ka-32 共軸直升機傳動系統典型構型[23]，研究了影響差動輪系與定軸輪系功率分配的影響因素，得到了傳動系統不存在功率循環的條件，部分功率流情況如圖19 所示。另外，研究了Ka-32 共軸雙旋翼高速直升機主減輪系的傳動效率計算方法，并分析了效率與內外旋翼軸負載之間的關系，得到了主減輪系方案的最低效率[24]。

圖19 共軸反轉傳動系統功率流向[23]Fig.19 Power flow direction of coaxial reversal drive sys-tem[23]

重慶大學機械傳動國家重點實驗室采用鍵合圖分析Ka-32 直升機傳動系統兩輸出軸等速反轉的條件，獲得了系統內部各變量隨時間變化的規律[25]。

南京航空航天大學對圖20 所示的共軸反轉主減速器封閉差動復合行星輪系的振動特性進行了深入研究[26-27]，分析得到了系統的4 種模態及模態特征。復合行星齒輪系由兩個不同子系統組成，帶有階梯行星輪的定軸輪系稱為封閉級，由太陽輪s1、階梯行星輪ai、bi和內齒圈r1組成；差動行星齒輪系稱為差動級，由太陽輪s2、行星輪pj和內齒圈r2組成。輸入功率傳輸到系統時分成兩條路徑，一部分通過太陽輪s1經封閉級傳輸到內齒圈r1，另一部分通過太陽輪s2經差動級傳輸到行星架c2和內齒圈r2，通過適當的參數設計，可實現內外輸出軸cs、rs等速反向輸出，其中行星輪p 個數為N，階梯行星輪a、b 個數為M。

圖20 共軸反轉傳動系統[26-27]Fig.20 Coaxial reversal drive system[26-27]

5 以面齒輪為基礎實現共軸反轉輸出的傳動系統構型現狀

專利Counter rotating facegear gearbox 提出的面齒輪傳動共軸反轉輸出構型方案[28]采用三級傳動（見圖21），第一級為錐齒輪換向減速并進行功率分流（由錐齒輪36 輸入到兩路錐齒輪32），第二級為圓柱齒輪減速并進行功率分流（由圓柱齒輪40 輸入到兩路圓柱齒輪42），第三級為面齒輪減速換向并車（一路通過圓柱齒輪50a 與面齒輪52a 驅動外旋翼軸22；另一路通過圓柱齒輪50b 與面齒輪52b 驅動內旋翼軸20）。該構型零件數量少，結構簡單，在兩個面齒輪之間布置大推力軸承58，減小主減速器高度尺寸，可以減輕重量。

圖21 面齒輪傳動共軸輸出構型[28]Fig.21 Coaxial output configuration of face gear drive[28]

專利Split-torque gear box[29]也是通過面齒輪減速換向實現內、外旋翼軸共軸反向輸出，但增加了分扭齒輪，更適合于傳遞大功率（見圖22）。

圖22 面齒輪傳動共軸輸出構型[29]Fig.22 Coaxial output configuration of face gear drive[29]

6 結 論

高速直升機技術已成為新一代直升機裝備和產品的技術制高點，世界各國在相應領域的技術競爭也日趨激烈。目前西科斯基飛機公司已完成2噸級、5 噸級和13 噸級驗證機的飛行驗證，實現了400 km/h 以上的高速飛行，取得了高速直升機發展的巨大成功。配裝于高速直升機的共軸反轉傳動系統有多種實現方式，圓柱齒輪傳動布局靈活，結構簡單；錐齒輪傳動承載能力強，但安裝調整復雜；面齒輪傳動比大，且安裝調整方便；差動輪系傳動結構緊湊承載力強，但制造與裝配復雜。本文分析了不同構型的結構特點和適用情況，可為不同需求共軸式直升機的傳動系統構型選型設計提供參考。