高重合度直齒圓柱齒輪在直升機傳動系統中的應用

摘要：針對國外高重合度直齒圓柱齒輪傳動技術已逐步在航空傳動系統中進行工程應用，而在國內該技術存在一定的差距，尚未形成成熟的設計理論和方法的現狀，對高重合度直齒圓柱齒輪在直升機傳動系統中的應用進行總結，包括國內外高重合度直齒圓柱齒輪在直升機傳動系統中的應用以及國內外研究現狀，探索國內外的研究差距，并指明我國高重合度直齒圓柱齒輪傳動技術的工程應用亟待解決的4項問題，即強度計算標準問題、齒面修形方法問題、輪齒加工和熱處理問題，以及潤滑散熱問題。

關鍵詞：高重合度；直齒圓柱齒輪；航空傳動；強度；加工；修形

中圖分類號：TH132

文獻標志碼：A

開放科學識別碼（OSID碼）：

Application of High Contact Ratio Spur Cylindrical Gears in

Helicopter Transmission Systems

KANG Lixia¹， TANG Peng²， TANG Xin²， LI Fajia^{2， 3}， CHEN Haohui⁴， CUI Huanyong³

（1. Unit 32381 of the Chinese People’s Liberation Army， Beijing 100071， China;

2." Aero Engine Corporation of China Hunan Aviation Powerplant Research Institute， Zhuzhou 412002， Hunan， China;

3. School of Mechanical Engineering， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China;

4. Unit 32382 of the Chinese People’s Liberation Army， Beijing 100071， China）

Abstract： In view of the fact that transmission technology of high contact ratio spur cylindrical gears has been gradually applied in engineering in aviation transmission systems in foreign countries， while there is a certain gap in this technology in China， and mature design theories and methods have not been formed， application of high contact ratio spur cylindrical gears in helicopter transmission systems was summarized， including application ofhighcontactratiospurcylindricalgears in helicopter transmission systems at home and abroad， as well as research statusathomeandabroad，researchgap at homeandabroadwasexplored.Itwaspointedoutthattherewerefoururgentproblemstobesolvedinengineering application of high contact ratio spur cylindrical gear transmission technology in China including strength calculation standard， tooth surface modification method， tooth processing and heat treatment， as well as lubrication and heat dissipation.

Keywords： high contact ratio; spur cylindrical gear; aviation transmission; strength; machining; modification

收稿日期：2022-05-21 網絡首發時間：2023-07-24T17∶00∶17

基金項目：國家自然科學基金項目（51975274）；南京航空航天大學“直升機傳動技術重點實驗室”開放課題（HTL-O-20K02）

第一作者簡介：康麗霞（1975—），女，內蒙古涼城人。研究員，博士研究生，研究方向為直升機傳動技術、齒輪傳動技術。E-mail：

kanglixia_1975@163.com。

通信作者簡介：李發家（1980—），男，山東泰安人。講師，博士，碩士生導師，研究方向為直升機傳動、傳動強度和振動。E-mail：

me_lifj@ujn.edu.cn。

網絡首發地址：https：//kns.cnki.net/kcms2/detail/37.1378.N.20230724.1635.002.html

齒輪是航空傳動系統最重要的結構件之一，工作環境十分復雜，需要承受拉-壓交變應力、切應力、沖擊動應力，還需要具備耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等能力。航空減速器的質量、承載能力、干運轉能力、壽命等核心指標均與齒輪傳動系統的傳動能力息息相關。

相對于斜齒圓柱齒輪、人字圓柱齒輪，直齒圓柱齒輪的承載能力較弱，但是結構更簡單，經濟性更好，并且不承受軸向力，可以簡化支承的設計，有利于減小傳動系統的質量，是航空傳動系統中應用最廣泛的一種齒輪形式，在直升機主減速器中廣泛采用的行星輪系一般都是直齒圓柱齒輪^［1-2］。

隨著科學技術的進步，齒輪傳動系統在航空、航天等領域朝著高速、重載、高精度的方向發展^［3］，對齒輪的承載能力提出了更高的要求。通過增加直齒圓柱齒輪的模數、增大齒寬等方式可以增強齒輪的承載能力，但同時增大了齒輪傳動系統的體積和質量，與航空齒輪傳動的小體積和高功重比的要求相矛盾^［2］。直升機傳動系統的高功重比需求對齒輪的承載能力提出了較高的要求，常規直齒圓柱齒輪已經逐漸不能滿足直升機傳動系統對齒輪的發展需求，而新材料、新工藝的出現需要長期的積累^［4-5］。新的非常規齒形齒輪設計成為增強齒輪承載能力的一個突破點，是解決航空領域對齒輪傳動功重比高、體積小和振動幅值小的高要求困局的突破口和重要發展方向之一。

齒輪傳動是由2對輪齒間依次嚙合實現的，只有保證前一對輪齒尚未脫離嚙合時后一對輪齒已進入嚙合才能使齒輪以連續定角速比進行傳動^［6］。普通重合度（low contact ratio，LCR）直齒圓柱齒輪副的重合度為1～2，即有1對或2對齒輪同時處于嚙合狀態；高重合度（high contact ratio，HCR）直齒圓柱齒輪的重合度為2～3，即有2對或3對齒輪同時處于嚙合狀態。

與LCR直齒圓柱齒輪傳動相比，由于HCR直齒圓柱齒輪同時嚙合的輪齒對數較多，每對輪齒承擔的載荷相對減小，因此可以有效減小動載荷，改善載荷分配，增強齒輪承載能力和改善傳動的平穩性，減小振動幅值和噪聲^{［1，7］}，對舒適性有苛刻要求的直升機非常有利。同時，HCR直齒圓柱齒輪傳動系統的重合度大于2，即使在失去一個齒的情況下也能繼續運轉，可以改善和增強直升機傳動系統安全性和抗損傷能力。

本文中基于HCR直齒圓柱齒輪的國內外研究現狀，分析HCR直齒圓柱齒輪的理論研究基礎和工程應用進展，總結HCR直齒圓柱齒輪的優勢和我國HCR直齒圓柱齒輪傳動技術的工程應用亟待解決的問題。

1 HCR直齒圓柱齒輪傳動技術

HCR直齒圓柱齒輪傳動并不完全屬于全新的齒輪傳動形式，而是通過減小齒輪壓力角、增大齒頂高系數、增加齒數或改變變位系數等方法獲得高接觸比。增加重合度后，齒面接觸線的總長度增大，齒面單位接觸線長度上的平均載荷減小^［8］，同時，齒輪外側最惡劣的加載點遠離齒頂，有利于增大齒輪的彎曲強度；但是采用HCR直齒圓柱齒輪又會帶來新的問題，HCR直齒圓柱齒輪的齒頂寬較小，齒頂較尖，在進行滲碳或滲氮等熱處理時，齒頂尖部會存在過多的碳，造成齒輪輪齒斷裂或變脆，發生齒頂崩邊等問題；同時，高接觸比使滑動速度增大，會導致嚴重的膠合問題^［5］。

1.1 理論研究

1.1.1 齒輪強度

現階段關于HCR直齒圓柱齒輪的文獻較少，國內外大部分學者采用試驗法或有限元法計算齒根應力， 缺乏采用國家標準或國際標準化組織 （International Standard Organization，ISO）標準中齒輪計算公式研究HCR直齒圓柱齒輪齒根應力的文獻。

仙波正莊^［9］對20世紀80年代前的HCR直齒圓柱齒輪研究進行了總結，指出相對于普通重合度直齒圓柱齒輪，HCR直齒圓柱齒輪在強度和噪聲方面具有較大的優勢，相對于LCR直齒圓柱齒輪，HCR直齒圓柱齒輪的齒面強度顯著增大，當齒頂高系數增大后，齒輪的彎曲強度增大，當直齒圓柱齒輪的重合度超過2時，齒輪的彎曲強度出現階梯式增大。Wang等^［10］、Li^［11］、尹剛^［12］、李杰等^［13］、羅立風等^［14］采用有限元法計算了HCR直齒圓柱齒輪的剛度、齒間載荷分配、接觸應力和齒根彎曲應力，分析了HCR直齒圓柱齒輪和LCR直齒圓柱齒輪的齒根彎曲應力和接觸應力的分布規律，與已有試驗結果能夠很好地吻合，表明HCR直齒圓柱齒輪可以有效增強齒輪的承載能力。方宗德等^［15］采用激光散斑法測量了HCR直齒圓柱齒輪的剛度，根據測量的剛度對HCR直齒圓柱齒輪和LCR直齒圓柱齒輪的載荷分配進行計算，并對HCR直齒圓柱齒輪的動態性能進行試驗，提出了HCR直齒圓柱齒輪的優化設計方法。李慶遠等^［16］通過將輪齒外形簡化為變截面梯形，計算HCR直齒圓柱齒輪的剛度和齒間載荷分配，對比了HCR直齒圓柱齒輪和LCR直齒圓柱齒輪的載荷分布。Ajmi等^［17］、Yaldirim等^［18］、渠珍珍等^［19-20］、牛暤等^［21］、余松林等^［22］、黃康等^［23］對HCR直齒圓柱齒輪的實現方式進行研究，給出了齒輪的設計參數的選擇方法。

李發家等^［24］、范士超等^［25］對HCR直齒圓柱齒輪的強度計算和參數優化等進行研究，給出齒輪彎曲和接觸強度的計算方法，并進行了驗證試驗，同時開展了工程化應用驗證，結果表明，HCR直齒圓柱齒輪在強度方面具有先天優勢。

1.1.2 齒輪振動與噪聲

許多學者對HCR直齒圓柱齒輪的動態性能進行了研究。仙波正莊^［9］指出HCR直齒圓柱齒輪在噪聲方面優于LCR直齒圓柱齒輪，重合度為1.53、1.75、2.09的直齒圓柱齒輪振動特性試驗結果表明，當齒輪的重合度大于2時，齒輪的振動幅值明顯減小，高頻振動頻率顯著下降。Lin等^［26］、Cornell等^［27］采用質量彈簧模型建立齒輪振動方程，分析了參數對HCR直齒圓柱齒輪動態特性的影響，并著重分析了不同重合度對系統動載荷系數的影響規律^［26］。

李同杰等^［7］、方宗德等^［15］、渠珍珍等^{［19，28］}、李發家等^［29-31］、張祖芳等^［32］對HCR直齒圓柱齒輪動態性能進行理論研究，分析了HCR直齒圓柱齒輪傳動系統的動態特性，并進行了試驗驗證，試驗結果很好地驗證了理論計算結果，填補了國內對該齒輪動態特性研究的欠缺。

1.2 應用研究與進展

HCR直齒圓柱齒輪具有承載能力強、傳動平穩、振動幅值小和噪聲低等優勢，因此多個世界一流航空公司均對HCR直齒圓柱齒輪在直升機減速器方面開展應用研究，并在多個新型直升機傳動系統中采用該項技術，在一些服役型號直升機的技術改進、改型中也采用HCR直齒圓柱齒輪替代原有的LCR直齒圓柱齒輪^［33-36］。

20世紀70年代，美國貝爾直升機公司在貝爾-222直升機傳動系統中首次采用HCR直齒圓柱齒輪。1992年，貝爾直升機公司在美國軍方與美國國家航空航天局（NASA）聯合進行的ART（Advanced Rotorcraft Transmission）計劃中最初的嘗試是制造一個質量更小且重合度大于2.1的2級HCR直齒圓柱行星齒輪系統^［37］，該結構的行星齒輪傳動系統與原來的2級LCR直齒圓柱行星輪傳動系統具有相同的減速比和齒數；但是在設計過程中發現了高速級的HCR直齒圓柱齒輪行星輪傳動系統的溫度過高，而低速級HCR直齒圓柱齒輪行星輪的行星軸承承載能力不足等問題，因此對該2級行星齒輪的齒數進行調整，增加每個齒輪輪齒的數量，增大軸承尺寸，減速比由原來的3.875降為3.818，2級行星齒輪結構如圖1^［37］所示，與LCR直齒圓柱行星齒輪傳動系統相比，質量減小約3.6 kg，彎曲強度增大20％。相對于LCR直齒圓柱行星齒輪傳動，HCR直齒圓柱行星齒輪傳動質量更小，噪聲更低，壽命更長^［37］。

2級高重合度直齒圓柱行星齒輪結構^［37］

貝爾直升機公司還通過試驗對比了LCR直齒圓柱齒輪行星傳動、封閉差動傳動、自由行星傳動、復合行星傳動和HCR直齒圓柱齒輪行星傳動5種不同的行星傳動構型，結果表明，相對于其他4種行星傳動構型，HCR直齒圓柱齒輪行星傳動構型在輕質、低噪聲、低成本、小風險、小空間尺寸、高壽命、強生存力和效率高等方面具有最優性能組合參數^［37］。

貝爾直升機公司研制的XV-15型傾轉旋翼機即貝爾-301延續了前期的研究基礎，將HCR直齒圓柱齒輪行星輪系設置為2級行星齒輪系的高速級，為了滿足膠合限制而增加了端面齒寬，雖然增大了齒輪的質量，在強度方面也不具備明顯的優勢；但是降低了整個傳動系統噪聲且生存能力更強，因此與ART計劃中設計的行星傳動系統相比，XV-15型傾轉旋翼機的行星傳動系統的運行具有更安靜、振動幅值更小的優勢。

美國波音公司同樣開展了HCR直齒圓柱齒輪、非漸開線齒形直齒圓柱齒輪的研究，通過增大齒頂高系數、改變壓力角和變位系數，得到了重合度大于2.1的HCR直齒圓柱齒輪^［38］，該HCR非漸開線齒輪試驗裝置如圖2^［38］所示。新齒形齒輪的沿齒廓曲率半徑相對不變， 齒輪在嚙合線兩端（嚙合起始及終止位置附近）出現相對滑動速度大、相對曲率半徑小的狀態，使齒輪齒面膠合承載能力減弱，而齒面接觸耐久性改善。為了平衡膠合承載能力和接觸耐久性， 最終采用改進載荷分配和通過采用非漸開線齒形加大在嚙合起始及終止位置附近相對曲率半徑的方式， 解決膠合和接觸強度的問題，為解決困擾HCR直齒圓柱的膠合損傷問題提供了很好的方法。

在美國麥克唐納-道格拉斯公司（麥道公司）參與ART計劃的主減行星傳動齒輪設計中，采用HCR直齒圓柱行星齒輪和節點內嚙合行星齒輪2種方案，HCR直齒圓柱行星齒輪的重合度約為2.22。根據ART的設計要求，HCR直齒圓柱齒輪行星輪系主減速器如圖3^［39］所示，在扭矩及輪齒彎曲應力相同時，與LCR直齒圓柱齒輪行星傳動相比，其傳動效率有所下降，齒面接觸溫度升高幅度較大，數據見表1，但質量僅為31 kg，減小約5%，噪聲聲壓級減小約9.5 dB，壽命延長約1倍，取得較滿意的效果。

美國西科斯基飛行器公司對HCR直齒圓柱齒輪進行動力學分析，根據動力學分析結果對HCR直齒圓柱齒輪的齒面進行了動力學修形，結果表明，HCR直齒圓柱齒輪可以采用二次曲線作為修形曲線，最佳修形區域為由齒頂高90%處開始修形至齒頂位置；該公司同時開展了修形后HCR直齒圓柱齒輪和LCR直齒圓柱齒輪的性能對比試驗，結果表明，修形后HCR直齒圓柱齒輪在失效率為10%時的疲勞壽命為LCR直齒圓柱齒輪的2倍，膠合承載能力略強于LCR直齒圓柱齒輪的。由此可知，對HCR直齒圓柱齒輪進行合理修形，可以有效降低齒輪的齒面接觸溫度，增強齒輪的抗膠合能力，但是目前對HCR直齒圓柱齒輪修形方法的研究處于借鑒LCR直齒圓柱齒輪的階段，還需要深入研究以解決HCR直齒圓柱齒輪升溫過高、抗膠合能力不足的問題。

法國國營航空宇宙航行工業公司研制的SA-365N型“海豚”直升機主減速器行星傳動系統如圖4^［40］所示。該系統同樣采用了HCR直齒圓柱齒輪的傳動形式，其中太陽輪與行星輪、行星輪與固定齒圈嚙合重合度分別為2.17、2.18，試飛結果表明，HCR直齒圓柱齒輪可以大幅增強行星輪系的承載能力，同時降低和減小傳動系統的噪聲和振動幅值。

意大利Agusta公司在A109型直升機主減速器輸入級齒輪的改進升級中采用了HCR直齒圓柱齒輪，改進后的直升機型號為AW109，該直升機主減速器輸入級如圖5^［33］所示。相對于改進前，該傳動系統傳動功率增大10%，齒輪齒寬減小20%，質量減小8%，在試驗臺上測量的齒輪嚙合頻率噪聲聲壓級平均減小9 dB，在不同飛行狀態下噪聲聲調（頻率）穩定，最大噪聲A計權聲壓級減小13 dB。

2 HCR直齒圓柱齒輪在我國航空領域中應用的技術挑戰

國內針對HCR直齒圓柱齒輪傳動技術的研究起步于20世紀80年代，我國引進了法國SA365N1型“海豚”II直升機的生產專利進行生產和國產化，國產型號為直8重型直升機，該直升機主減速器采用HCR直齒圓柱齒輪，直至21世紀初，國內才真正開始對HCR直齒圓柱齒輪進行應用研究。鑒于HCR直齒圓柱齒輪在航空傳動系統中的獨特優勢和廣闊應用前景，國內明顯加大了對HCR直齒圓柱齒輪傳動技術的研究力度，以求有所突破，從而實現我國航空傳動系統的技術跨越。

南京航空航天大學、西北工業大學、濟南大學等高校的研究人員針對HCR直齒圓柱齒輪的強度分析、齒接觸分析、振動特性分析等開展了持續性的研究，促進了國內HCR直齒圓柱齒輪傳動的理論發展。國內一些研究機構開展HCR直齒圓柱齒輪傳動的應用研究，初步獲取了HCR直齒圓柱齒輪傳動特性。

近年來，國內雖然在HCR直齒圓柱齒輪傳動技術領域取得了一定的研究進展，但是HCR直齒圓柱齒輪在我國航空傳動系統技術應用仍然偏少，主要技術難度有以下幾個方面：

1）HCR直齒圓柱齒輪疲勞強度計算標準缺乏。目前尚無公開的HCR直齒圓柱齒輪傳動強度計算標準和軟件。美國齒輪制造協會（AGMA）齒輪計算標準中明確說明，該標準不適用于端面重合度大于2的直齒圓柱齒輪的精確設計；ISO齒輪計算標準雖然考慮了重合度大于2的情況，但是并未對載荷在多對嚙合輪齒間的分配進行計算，而是進行了簡單的修正^［41-43］，也不能準確計算HCR直齒圓柱齒輪的強度。目前關于HCR直齒圓柱齒輪的研究還主要局限于齒根彎曲應力計算分析，所進行的彎曲應力測量驗證試驗也是在非運轉條件下進行的，后續還需要對HCR直齒圓柱齒輪的接觸強度、膠合強度等進行進一步探討，并開展全尺寸航空傳動試驗件真實工況條件下的驗證，為HCR直齒圓柱齒輪在輕質大功率航空動力傳動系統中的工程應用提供指導。

2）HCR直齒圓柱齒輪的修形方法欠缺。由于HCR直齒圓柱齒輪設計需要采用較小的壓力角和較大的齒頂高系數，因此在齒頂易出現較大滑動率，從而增大膠合風險。HCR直齒圓柱齒輪設計節省的質量很有可能超過為了保證膠合承載能力而增大齒寬所導致的質量增加。為了減小膠合風險，需要通過修形等措施避免齒輪發生膠合損傷，改善運行可靠性。根據麥道公司和西科斯基飛行器公司的試驗結果，要降低HCR直齒圓柱齒輪的齒面接觸溫度，減小膠合風險，必須對齒輪進行修形。

HCR直齒圓柱齒輪的修形方法的研究現在還處于借鑒LCR直齒圓柱齒輪的階段，雖然取得了一定的效果，但是效果較差。有學者從振動的角度考慮修形，以振動為目標進行修形，這些均與實際需求有一定差距。

3）HCR直齒圓柱齒輪齒面滲碳工藝不完善。通常情況下，HCR直齒圓柱齒輪齒頂高系數較大，齒頂厚較小，齒頂較尖，但是為了使齒輪具有更長的使用壽命，會采用滲碳、滲氮等工藝，薄齒面滲碳和滲氮容易造成齒頂變脆而發生崩齒。為了避免齒頂尖部出現崩齒或斷裂，HCR直齒圓柱齒輪齒頂一般不滲碳，在滲碳前進行鍍銅保護。鍍銅保護后齒頂的硬度降低，這時齒輪的耐磨性成為一個突出問題，因此齒輪的熱處理工藝成為HCR直齒圓柱齒輪生產中的一個難點，需要進一步深入研究。

4）HCR直齒圓柱齒輪潤滑設計不完善。采用HCR直齒圓柱齒輪存在的不可避免的缺陷是輪齒高度增加使齒間嚙合的滑動速度增加，導致較高的功率損耗，齒面溫度較高，傳動效率降低。HCR直齒圓柱齒輪雖然在齒輪的彎曲和接觸強度方面具有優勢，但是膠合風險增大。為了順利帶走產生的熱量，減小膠合發生概率，HCR直齒圓柱齒輪需要更苛刻的潤滑要求。

3 結論

國外HCR直齒圓柱齒輪傳動技術已逐步在航空傳動系統中進行工程應用，而在國內該技術存在一定的差距，尚未形成成熟的設計理論和方法，工程應用仍存在的一些技術問題亟待解決，主要表現在以下幾個方面：

1）HCR直齒圓柱齒輪強度計算未形成通用的標準，關鍵設計參數的選取和計算系數的修正值還需要進一步確定，而不是簡單套用；由于HCR直齒圓柱齒輪采用了大齒頂高系數、大變位系數和非標準的壓力角，因此在強度計算時，如果采用標準齒輪的強度進行代替，則會產生較大誤差，影響結果的準確性。

2）HCR直齒圓柱齒輪的修形還未形成成熟的理論。HCR直齒圓柱齒輪接觸形式的特殊性使得現有的修形理論無法滿足需求，需要加強關于修形的研究，給出適合工程需求的修形方式和修形公式。

3）HCR直齒圓柱齒輪齒輪的齒形特點決定了齒輪的齒頂厚度較小，對加工和熱處理提出了新的挑戰，現在加工方式和熱處理工藝較單一，效果一般，需要對HCR直齒圓柱齒輪的加工和熱處理工藝進行有針對性的研究。

4）HCR直齒圓柱齒輪在齒頂和齒根處的滑動率較大，造成傳動效率下降、發熱量增加等問題，需要在設計中充分考慮，防止發生膠合等形式的破壞。

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（責任編輯：王 耘）