對重型運輸直升機傳動系統構型與技術特點的分析

蘇江

摘要：隨著我國工業發展水平的不斷提升，重型運輸直升機憑借其載重大、效率高等特點在軍用領域以及民用領域當中都發揮了至關重要的作用，相關研究人員也應不斷加強對重型運輸直升機的研究力度。基于此，本文從重型運輸直升機的重要作用與發展現狀出發，對其傳動系統構型加以分析，并以此為基礎探討了其構件尺寸大且結構復雜、輸入轉速較大、功率密度較大以及功率傳遞路徑多等方面的技術特點。

關鍵詞：重型運輸直升機;傳動系統;技術特點

中圖分類號：V275.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0058-02

0? 引言

重型運輸直升機主要指的是起飛質量在20t以上的直升機，最早出現在20世紀60年代。重型運輸直升機在軍、民領域都發揮了十分關鍵的作用，不僅可以在機動作戰中完成對兵力以及裝備的運輸，還可以有效克服地理環境限制，迅速完成運輸、補給以及搜救等方面的需求，在各類災害的救援工作中都起到了十分重要的作用。因此有必要針對重型運輸直升機的傳動系統構型以及相關技術特點展開進一步地研究。

1? 重型運輸直升機的重要作用與發展現狀

1.1 重要作用

一般情況下，重型直升機為起飛重量超過20t、內載和外吊掛能力超過8t、運送人數可以在50人以上的直升機，相較于其他的直升機，重型運輸直升機具備載重大、運輸效率高的優勢;而相較于常規固定翼飛機，則具備機動性強、不受場地限制等特點。在軍事領域當中，重型運輸直升機的作用主要體現在短時間內完成機動、部署以及突防等方面;而在民用領域當中，重型直升機的突出作用主要集中在物資、裝備的運輸上。

1.2 發展現狀

現階段，在使用過程中較為常見的重型直升機主要有米-26系列、V-22系列、CH-47系列以及CH-53E系列，其中米-26與V-22為俄制，而CH-47和CH-53E為美制[2]。重型直升機的構型主要包括單旋翼帶尾槳式、縱列式、橫列式以及傾轉旋翼式等多種類型，就當前的使用情況來看，單旋翼帶尾槳式、縱列式以及傾轉旋翼式技術為最常見的三種構型。

2? 重型運輸直升機傳動系統構型分析

2.1 單旋翼帶尾槳構型傳動系統

單旋翼帶尾槳構型傳動系統是一種最為基本的傳動系統構型，其中主旋翼的作用是提供直升機升力，而尾旋翼的作用則是平衡直升機反扭矩。該傳動系統主要由主減速器、中間減速器、尾減速器以及動力軸與尾軸組構成，通過這樣“三器兩軸”的結構模式組成了完整的傳動系統，另外部分直升機為優化減速換向功能還會選擇在主減速器和發動機之間安裝一個頭部減速器。對于單旋翼帶尾槳構型傳動系統來說，主減速器作用的發揮是整個系統的關鍵所在，主減速器需要承接發動機功率進而有效完成大功率、大轉速比傳動。為進一步實現大功率流、大轉速比，還需要對主減速器進行相應的優化升級，保證可以將發動機傳遞的功率分流以后再集中。當前最為常見的單旋翼帶尾槳構型傳動系統主要是米-26直升機主減速器以及CH-53K直升機主減速器。其中，米-26直升機由兩臺3級減速傳動的發動機提供動力，總動力經過第一級螺旋錐齒輪以及兩路斜齒輪后完成分流與減速，而第三級斜齒輪副則完成動力并車。考慮到較大的輸入功率，米-26直升機主減速器首次使用了分扭傳動結構，從而可以有效實現最后一級減速的大傳動比，為減輕主減速器的設計質量提供充足的條件。而CH-53K直升機傳動系統則是以CH-53E直升機的基礎上完成了傳動系統的改造與升級，其中包括增加發動機數量至3臺;在保持原有轉向和轉速的基礎上取消CH-53E的兩個頭部減速器，改為由第一級螺旋錐齒輪負責換向，由第二級經直齒輪負責分流減速。從總體來看，每一臺發動機的功率分成4路傳遞，同時有效對相應的彈性軸結構增加各功率均載，最終由第三級人字齒輪副完成并車，與此同時還需要將功率傳輸到主旋翼系統當中。米-26直升機和CH-53K直升機在這一方面的設計是十分相似的，都針對最后一級減速對大傳動比設計進行優化，從而進一步實現了直升機主減速器設計質量的有效降低。

2.2 縱列式雙旋翼構型傳動系統

縱列式雙旋翼構型傳動系統在直升機上的主要表現為在機身前后會設置旋翼塔座，將旋翼安裝在塔座上并設置相反的旋轉方向，有效實現直升機旋翼反方向扭矩的穩定與平衡。當前，縱列式雙旋翼構型傳動系統最為直接的體現就是CH-47D系列直升機，該系列直升機采用兩臺發動機提供動力，其中主要可以分為頭部減速器、并車減速器以及前、后主減速器等，通過各個減速器之間的連接有效實現動力傳動。兩個發動機提供的動力在經過頭部減速器之后會產生換向與減速的作用，再通過并車減速器進行匯流，在通過前主減速器以及后主減速器的過程中，發動機動力需要通過3級換向減速傳動，有效將發動機動力分別傳遞到前旋翼系統以及后旋翼系統。

2.3 傾轉旋翼構型傳動系統

傾轉旋翼構型傳動系統主要由左右兩個發動機、左右旋翼減速器、傾轉減速器以及機翼減速器等部件構成，而其傾轉方案也主要是通過發動機、減速器、旋翼的作用而實現的。為了抵消傾轉旋翼構型傳動系統運行過程中產生的反扭矩效應，會選擇在旋翼減速器當中安裝惰輪結構改變轉向，進而有效在發動機輸出轉速不變的情況下令旋翼進行相反方向的旋轉。其中最為直接的傾轉旋翼構型傳動系統是V-22系列直升機，其中V-22旋翼減速器主要通過一級斜齒輪傳動以及兩級行星齒輪傳動共3級減速傳動;而與之相似的AW609旋翼減速器一共也需要通過3級減速傳動，但區別是前兩級為人字齒輪傳動，最后一級是行星齒輪傳動。

3? 重型運輸直升機傳動系統技術特點

3.1 構件尺寸大且結構復雜

通常情況下，重型運輸直升機具備著載荷復雜、功率大的特點，因此相較于其他類型的直升機，重型運輸直升機內部構件的尺寸需要更大，而針對相關力學指標的要求也更為嚴格。因其零部件在設計、工藝、生產等方面均提出了更高的要求，因此航空制造企業難以對其中一部分零部件進行有效制造。

3.2 輸入轉速較大

相較于傳統的直升機，重型運輸直升機具備著獨特的技術特征，就當前的發展水平來看，由于很多重型運輸直升機發動機內部沒有設置相應的減速箱，因此發動機的輸出速度最大可以達到20000r/min。針對這樣的情況，在進行傳動系統主減速器設計的時候也要提升對高輸入速度的控制水平，進而有效滿足重型運輸直升機的傳動需求。

3.3 功率密度較大

因為重型直升機的載重量要比普通的直升機高出很多，所以在進行傳動系統設計安裝的過程中應提升其功率密度，進而有效實現降低直升機凈重的目的，與此同時，使用高功率密度的傳動系統對提升直升機有效負載與整體性能也起到了至關重要的作用。為進一步提升傳動系統的功率密度，可以在其中使用高強度材料以及高效的潤滑系統，就當前的研究水平來看，主減速器質量系數最低已經可以降到0.06以下。

3.4 功率傳遞路徑較多

功率傳遞路徑較多是傾轉旋翼構型傳動系統獨有的技術特點，相較于另外兩種傳動系統，傾轉旋翼傳動系統的傳遞過程更為復雜，在功能以及結構上也需要更為繁瑣的流程。傾轉旋翼傳動系統在運行的過程中需要保證直升機兩側動力可以均勻傳遞，滿足功率的雙向傳遞需求，為保證傳動系統在各個情況下的正常運轉奠定基礎。與此同時，傾轉旋翼傳動系統還具備大姿態傾轉的特征，區別于常規構型的直升機，傾轉旋翼傳動系統的工作姿態可以控制在0～90°，使得滑油油位可以獲得更大的變化幅度，這也是功率傳遞路徑更多、更復雜的主要原因。實際上，滑油分布以及回油速率將會受到多種因素的影響，且當潤滑系統參數存在不匹配問題時還會進一步導致滑油壓力和流量變化幅度變大，嚴重的時候還可能會出現斷油現象。

3.5 具備良好的可靠性與穩定性

當前，重型運輸直升機在使用時間上要明顯長于普通的直升機，因此在傳動系統方面也要有效延長使用壽命，進一步降低重型運輸直升機的生命周期成本。與此同時，一部分關鍵的零部件對傳動系統乃至整個直升機的運行都起到了十分關鍵的作用，一旦發生故障將會導致難以預計的嚴重后果，因此還需要進一步提升傳動系統的可靠性與可維護性，但這也顯著提升了傳動系統在設計、制造以及維護等環節的困難程度[3]。

3.6 具備良好的運行效率

考慮到重型運輸直升機旋翼轉速和發動機輸出轉速之間的差異，傳動系統當中需要安裝多種齒輪系，這對變速箱的傳動效率也將會產生直接的影響。因此為進一步提升運行效率，應在傳動系統當中安裝傳動元件，進而不斷提升其應用效率。現階段，主減速器的傳動效率最大已經可以達到97%。

3.7 生存能力強

重型直升機在實際工作的過程中很容易因各種客觀原因出現潤滑油泄露的問題，因此在進行傳動系統設計的過程中應保證其可以在沒有潤滑油的情況下還可以運行一段時間。除此以外，還需要提升重型直升機的防撞性，保證其生存能力可以符合作業的實際需求。

3.8 減速器采用多路分扭傳動

考慮到重型運輸直升機傳動系統的質量特點與功率需求，應進一步對傳動系統的結構空間和質量限制做出優化，進而最大限度地減少結構尺寸、降低結構質量。為充分滿足這一設計需求，在當前的重型運輸直升機傳動系統當中普遍采用分扭傳動的方式，例如米-26與CH-53K使用的都為斜齒輪或人字齒輪分扭傳動;而是CH-47D、V-22等使用的都是行星齒輪傳動。與此同時，傳動系統分扭傳動的技術需求較為復雜，因此需不斷完善均載結構，從而合理實現各路功率流的均勻分配。

4? 結語

綜上所述，重型運輸直升機在裝備運輸以及搶險救援等方面均發揮了重要的作用，而傳動系統作為其中的重要部件更是對直升機的整體布局產生直接影響。通常情況下，重型運輸直升機的傳動系統具備著單機配套、構建復雜以及研究技術難度大等特點，重型運輸直升機的構型發生改變，其對應的傳動系統也會出現一定的差異，因此應有效從相應的技術特點出發，為我國重型直升機傳動系統的升級奠定基礎。

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