無人直升機傳動系統可靠性設計優化方法研究

韓小溪 戴日輝 李晨曦

引言

無人直升機是指由無線電地面遙控飛行或自主控制飛行的可垂直起降不載人飛行器。無人直升機與有人直升機相比，具有體積小、戰場生存力強的特點[1]。無人直升機傳動系統的主要功能是將發動機輸出的功率按照規定的轉速和轉向通過動力軸傳向旋翼和尾槳。旋翼和尾槳是衡量直升機性能的重要結構，所以作為傳遞部件的傳動系統十分重要，具有較高的可靠性要求[2]。無人直升機傳動系統具體的設計流程如圖1所示[3]。

通過本文開展可靠性設計優化研究并形成工程適用的程序與方法，可以將可靠性設計與關鍵參數設計緊密結合起來，使設計過程考慮可靠性要求的實現，改善傳統的安全系數法犧牲一定性能的缺陷，使設計得到最優的結果，支持在零部件設計階段進行最優關鍵幾何參數的設計，得到的關鍵幾何參數可以使傳動系統體積達到最小，滿足規定的可靠性要求。

可靠性優化設計（reliability-based design optimization，RBDO）是指將可靠性作為目標函數或者約束條件考慮到設計中去的一種設計方法，基于數學規劃方法得到最優的在設計中要確定的參數[4]。

機械產品可靠性優化設計理論相關研究在國內一直在不斷開展，主要研究內容集中于兩個方面：一是可靠性設計優化模型建立的研究；二是模型求解算法的研究。在模型建立的相關研究中，秦勤[5]以汽車變速器為對象提出了一種以減少傳動量為目的的可靠性設計優化方法。王蒼勁[6]建立了液壓支架的可靠性優化設計，使可靠性得以提升。李明昊[7]等人以行星盤為研究對象，得到行星盤設計變量的最優解。雷婧宇[8]對渦輪葉片建立了可靠性設計優化模型。可以看出，現階段將可靠性設計優化方法應用于零件級別的機械產品較有效，但對于無人直升機傳動系統缺乏合適的應用模型。

綜上所述，本文為了在可靠性指標和性能指標同時達到要求的條件下確定設計幾何參數，研究傳動系統主要部件之間的關系，建立傳動系統可靠性設計優化模型，建立基于可靠性的適用于無人直升機傳動系統的設計優化方法。

無人直升機傳動系統可靠性設計優化模型建立

無人機直升機傳動系統結構

不同類型的直升機其主減速器和尾減速器的構型也不相同，以典型傳動系統為例展開分析，該型傳動系統的主減速器為同時換向并車型，有兩級減速齒輪副，和尾減速器通過連接軸連接，采用螺旋錐齒輪副進行減速，使尾槳達到規定的轉速。其結構原理圖如圖2所示。依據結構原理圖可以看出，傳動系統實際上是主要有行星輪系、螺旋錐齒輪副和傳動軸串聯而成的機械結構，要想求得傳動系統的設計參數，最重要的是確定行星輪系、螺旋錐齒輪副和傳動軸的關鍵參數。

無人直升機傳動系統可靠性分析

傳動系統的關鍵幾何參數的確定分為如下四個部分，其流程如圖3所示。

由于對整個傳動系統求解關鍵參數較為困難，所以將傳動系統分解為可以進行設計的單元，對其分別可靠性分析、可靠性分配、建立可靠性設計優化模型，各單元達到最優后，整個傳動系統也達到最優，即達到整個傳動系統關鍵設計參數設計的目的。本方法適用于各分系統及整機的優化設計。

無人直升機傳動系統可靠性設計優化方法應用驗證

無人直升機傳動系統是一個復雜的系統，若針對整個系統為對象開展優化設計方法的應用驗證所需數據量及相關建模計算等工作量較大，不易實施。因此，本文在應用驗證時采用了各分系統設計最優方法同樣適用于整機的結論，所以選取傳動系統中尾減速器為例進行分析驗證。

該型傳動系統的材料使用的是滲碳鋼18CrNi4A/E，其輸入轉速為6511r/min，輸出轉速為2121r/min，得到傳動比為3.07，尾槳的最大功率為300kW，小齒輪的工作扭矩為685N·m，軸夾角為90°，壓力角為20°，標準的等頂隙收縮齒的螺旋角為35°。

通過對比分析優化前后的體積，優化后體積總體優化了2.24%，且帶入上述參數，得到尾減速器優化后的可靠度水平接近1，符合可靠度約束，說明該優化方法有一定的效果。并且通過計算得到在優化前尾減速器接觸疲勞可靠度為0.87，且整體可靠度為0.8687，未達到分配給尾減速器的可靠性指標要求，說明在以往的設計過程中未考慮到可靠性的要求，使設計出來的產品可靠度未達到指標要求，存在規定的工作時間內出現故障的可能性，從側面說明了本方法的必要性和有效性。

結束語

本文研究形成典型無人直升機傳動系統可靠性設計優化方法，對傳動系統的齒輪和傳動軸進行可靠性分析，使其作為可靠性設計優化模型中的約束。并基于此建立了傳動系統螺旋錐齒輪、行星齒輪、傳動軸的可靠性設計優化模型，用以確定傳動系統設計的關鍵幾何參數，以支持滿足可靠性要求、同時體積最小的傳動系統設計。采用本文建立的方法對傳動系統尾減速器的關鍵參數進行設計，該應用驗證證明了本文建立方法的可行性，一定程度上說明了本方法的有效性。本文所考慮的是簡化結構后的無人直升機傳動系統，后期應對傳動系統的整體結構進行完善補充，盡可能考慮所有的關重件以確定整個傳動系統的關重件的設計參數，使優化設計方法更加完善。

參 考 文 獻

[1]方永紅.無人直升機系統發展展望[J].航空科學技術，2021，32（01）：35-40.

[2]佘亦曦，康麗霞，唐朋.直升機傳動系統的現狀與發展研究[J].航空科學技術，2021，32（01）：78-82. DOI：10.19452/1007-5453.2021.01.013.

[3]李晨曦. 直升機傳動系統性能可靠性一體化設計與評價研究[D].北京：北京航空航天大學，2022.

[4]陳志豪，宮琦，李永華.基于子模型技術的車體結構可靠性優化設計[J].機械工程師，2022，（11）：12-16.

[5]秦勤.汽車機械式變速器的可靠性優化設計[J].電子技術與軟件工程，2022（12）：106-109.

[6]王蒼勁.液壓支架可靠性優化設計[J].機械管理開發，2022，37（04）：47-49.DOI：10.16525/ 14-1134/ th.2022.04.019.

[7]李明昊，趙麗娟，喬捷，等.掘進機截割部一級行星盤疲勞可靠性優化設計[J].煤礦機械，2022，43（05）：104-107.DOI：10.13436/ 202205035.

[8]雷婧宇，呂震宙，賈貝熙.含氣膜孔渦輪葉片壽命可靠性設計優化中的網格參數化方法[J].國防科技大學學報，2022，44（02）：55-63.