直升机传动系统.docx

传动系统直升机是依靠旋翼作为升力和操纵机构的飞行器，其旋翼充当了固定翼飞机的机翼、副翼、 升降舵和推进器的作用根据反扭矩形式，直升机又可分为单旋翼带尾桨形式，共轴双旋翼， 纵列式、横列式及倾转旋翼式目前应用比较广泛的是单旋翼带尾桨形式直升机直升机的 旋转部件多，包括旋翼系统、操纵系统、主减速器、尾减速器、尾桨等部件因此，整个直 升机是在很多旋转系统及部件的协调运转中工作的尤其是大旋翼，在飞行中一般处于非对 称气流中，除了旋转运动外，还有挥舞、摆振方面的运动，成为直升机振动的主要来源直 升机的关键技术主要体现在直升机的旋转部件的设计技术上对于固定翼飞机，由于在高速飞行中工作，其机翼、机身、尾翼的气动外形非常重要，影响 到飞机的飞行性能和操稳特性而对于直升机，其气动特性主要体现在旋翼桨叶的几何特性、 翼型、旋翼转速、旋翼实度、桨盘载荷等参数由于直升机的速度较低，一般最大速度不超 过350km/h，机身的气动外形对飞行性能的影响相对固定翼飞机来说较弱因此，有人说 直升机气动特性主要是旋翼气动特性就直升机本体技术而言，传动系统和旋翼系统是直升 机最重要的关键部件，反映了直升机技术的本质和特征直升机的发动机所提供的动力要经过传动系统才能到达旋翼，从而驱动旋翼旋转。

对于一般 的直升机来说，其作用是将发动机的功率和转速按一定比例传递到旋翼、尾桨和各附件直 升机性能在很大程度上取决于传动系统的性能，传动系统性能好坏将直接影响直升机的性能 和可靠性1传动系统的结构直升机传动系统的典型构成为“三器两轴”，即：主减速器、尾减速器、中间减速器、动力传 动轴和尾传动轴现代直升机的发动机多为涡轮轴发动机，其输入转速较高，意大利的A129 输入转速最高，为27000r/min，所以要达到旋翼的设计转速必须经过主减速器减速减速 器的减速比一般比较大，例如美国武装直升机阿帕奇的总传动比为72.4, “黑鹰”直升机的总传动比为81直升机的主减速器传动一般为3~4级传动，黑鹰的主减速器分3级传动，第1、2级为螺 旋锥齿轮传动，第3级为行星齿轮（5个）传动，其位于主减底部，滚柱式超越离合器被设 置在第2级；阿帕奇的主减速器分4级传动，第1、2级为螺旋锥齿轮传动，第3级为圆柱 斜齿轮传动，第4级为行星齿轮（5个）传动，斜撑式离合器设置在第2级；虎式直升机主 减速器分3级传动，第1级为锥齿轮传动，第2级为圆柱斜齿轮传动，第3级为行星齿轮（6个）传动，超越离合器被设置在第1级；A129的传动形式与阿帕奇相似。

2直升机传动系统的特点（1）高的功率重量比直升机的传动系统相对于一般的减速传动系统而言具有更高的功率重量比，作为航空部件必 须严格控制质量即便如此，一般情况下主减速器仍占据直升机总质量的1 /7~1/9，所以为 了进一步减轻重量必须采用结构优化、润滑系统优化和选用高强度比的材料等方法减轻重量， 提高功率重量比2）高的生存能力直升机尤其是军用直升机将工作在复杂的战场条件下，减速箱被击中或过机动飞行引起的传 动系统的故障都有可能使得润滑油泄露，所以必须保证减速器有一定的干运转能力，国外在 这方面做的比较好的直升机有阿帕奇（主减速器的干运转能力为1h）、意大利的专用武装 直升机A129 （干运转能力为30min）、虎式直升机（干运转能力为30min）等另外传动 系统必须具有一定的抗坠毁性，保证在坠落时传动系统的零部件不进入驾驶舱3） 高减速比、高效率、高可靠性、良好的维护性直升机的发动机主要是涡轮轴发动机，其转速很高，但是桨叶的运转速度由于激波和失速的 限制不会很高，所以减速比就会很大，减速级就会增加，这也是传动系统结构重量相对较大 的原因为了提高传动的效率减速齿轮一般采用斜齿，而为了提高传动的平稳性，更好的办 法是采用人字齿。

传动系统为单路承载方式，一旦发生故障将是灾难性的，这就要求传动系 统必须具有很高的可靠性直升机受空间和结构限制，维修较为困难，因此要求传动系统有 良好的维修性4） 载荷复杂、动力学问题突出、寿命要求高直升机的最突出的问题之一就是振动问题，来自发动机、旋翼以及尾桨的激振力相互叠加耦 合，使得直升机的传动系统承受的载荷十分的复杂不仅如此，在传动系统传动链中，各种 不同转速的构件协同运转，发动机、旋翼系统与传动系统之间存在振动耦合动系统结构复 杂，零部件数目较多，易发生故障和失效，且故障不易监测，维护性较差，要实现较长的使 用寿命具有较大的难度5） 润滑系统复杂近年来，对传动系统的性能指标和效率要求越来越高，导致系统温度提高，使得润滑系统的 工作环境更加苛刻由于重量限制和安全要求，润滑系统所有润滑油路均为内置，使主减速 器结构极为紧凑；有的具有备份润滑系统；润滑油量也必须适当;为达到干运转要求，机匣 内需设置油兜等结构；因此传动系统的润滑比一般比地面减速器更复杂，监测也困难6） 涉及面广、基础性强传动系统研制涉及到机械学、材料与强度、摩擦与润滑、动力学、声学、流体力学、传热学 等基础学科，目前，传动系统技术发展呈现各学科相互渗透的态势，需要各基础学科研究的 支持，因此提高传动系统研发水平，须从基础抓起。

3发展趋势随着新技术、新工艺、新材料的发展直升机传动系统也在不断变得改进，主要表现在以下几 个方面：（1） 分扭传动技术的应用，进一步发展的分扭传动技术具有高的传动比、可以减少传动级 数、效率高、可靠性高、噪声小、利于减重等优点，特别适用于大功率减速器2） 采用动静轴传动技术，分解旋翼轴的载荷，有利于零部件设计、减轻重量和提高可靠 性3） 采用高速离合器技术，提高可靠性，减轻重量4）主减速器多处采用了轴一轴承-齿轮一体化设计，提高了可靠性，同时减轻了主减速器的重量5） 采用复合材料传动轴、复合材料机匣技术来减轻结构重量6） 采用耐高温轴承、齿轮材料，提高了传动的寿命7） 采用深度氮化甚至纳米技术以改变部件的表面特性，使部件的耐磨损性能提高，增加 部件的使用寿命8） 发展了更为有效的润滑方式，如环下润滑、离心甩油、多喷嘴喷射等提高了滑油过 滤精度，确保齿轮、轴承等转动部件摩擦副良好的润滑和冷却条件9） 采用润滑油芯技术以及留有适当的齿轮和轴承间隙保证直升机在没有润滑油的情况下 的干运行能力，提高生存能力10） 新概念、一体化设计：采用少或无冷却系统的传动系统设计；采用实时监控技术、 无翻修寿命甚至无维护概念的传动系统设计；采用与直升机、发动机一体化设计的传动系统 设计。

旋翼系统旋翼是直升机的关键部件，为直升机提供升力和操纵在直升机的发展中始终处于极为重要 的地位旋翼系统包括2部分，旋翼桨叶和旋翼桨毂1旋翼桨叶旋翼桨叶的技术发展体现在2个方面：一方面是桨叶的气动外形、一方面是桨叶的制造技 术，包括工艺及材料桨叶气动外形的研究是用来改善旋翼的气动特性，提高直升机的性能，增进飞行品质，主要 涉及桨叶的翼型、桨尖形状及桨叶扭转角分布等在直升机的发展初期（20世纪40~50年代），基本上都采用NACA对称翼型系列，对称翼 型的零升俯仰力矩在理论上为零，具有相对于正负迎角升阻特性对称的优点，迄今仍在尾桨 上采用但对称翼型的最大升力系数Cl max过低，于是在20世纪60年代，采用了“前缘 下垂”翼型，如“23012”前缘下垂翼型的Cl max（在R e=6x106时）要比对称翼型的高10% 以上，而且零升俯仰力矩系数很小，最小阻力系数也与对称翼型相当EH101直升机旋翼桨尖随着对直升机性能的要求越来越高，特别是空气压缩性对翼型的影响越来越重，到了20世 纪70年代，各大直升机公司都按照“超临界翼型”的思路，发展各自的独家翼型，如波音伏 托尔的VR系列，西科斯基的SC系列，法国的OA系列及俄国的TsAGI系列等。

这些翼 型在较宽的Ma数范围内都有较好的气动特性20世纪90年代，又得知法国正发展OA4 系列、俄国已有了 TsAGI-4系列对翼型的设计和改进可以提出下列5项要求1） 在较宽Ma数范围内，有较高静态和动态最大升力系数，以适应机动过载状态2） 在较高Ma数及小迎角时，有较大的阻力发散Ma数，以推迟前行桨叶激波失速3） 在中等Ma数时及中等迎角时，有较高的升阻比，以提高旋翼的悬停效率4） 在较低的Ma数及大迎角时，有较好的失速特性，以延缓后行桨叶的气流分离5） 在整个飞行包线内，有较小的俯仰力矩系数，以降低桨叶的操纵负荷旋翼的桨尖区域是桨叶的高速区，桨尖形状的适当修型，可以有效地改进旋翼的气动特性早期，因为制造工艺所限，桨尖形状一般都为矩形自20世纪70年代以来，由于复合材 料桨叶的出现，使桨尖形状的变化成为可能，于是出现了平面形状直线变化的尖削或后掠桨 尖，或者尖削后掠形状组合的桨尖桨尖形状的尖削可使桨尖涡强度减弱，而后掠显然可 以推迟激波产生进入20世纪80年代，桨尖形状进一步向曲线变化（如抛物线后掠）， 其中最引人注目的是英国Westland直升机公司研制出的BERP桨尖这种桨尖形如不规则 的蹼状，1986年在“山猫”直升机上试用，首创飞行速度400km/h的世界记录。

此后，桨尖形状又向三维变化（下反桨尖）发展下反桨尖可拉开先行桨叶的桨尖涡与后继 桨叶相遇距离，有利于减弱旋翼涡-桨干扰美国西科斯基公司于20世纪80年代后期在 S-70的缩比桨叶上进行了下反桨尖的旋翼台悬停对比试验，并于20世纪90年代初期应用 于改型的“黑鹰”直升机上，提高了悬停效率直升机旋翼桨叶制造技术的最大进步是实现了复合材料制造桨叶有人曾这样评价复合材料 在直升机上应用的重要意义：直升机工业经历了两次革命：第一次是涡轴发动机代替了活塞 发动机，第二次是复合材料在直升机上的应用而实际上复合材料在直升机上应用主要指的 就是旋翼桨叶和旋翼桨毂旋翼由木质混合桨叶发展到全复合材料桨叶，其寿命由最初的几 百小时达到了现在的10000h以上甚至无限寿命复合材料在桨叶上的使用还为桨叶的外形 变化（包括翼型、扭转、尖削等）的实现带来了方便，通过不同方向的铺层设计从而提高桨 叶的抗疲劳特性实现从气动优化到强度优化的一体化设计同时，使桨叶的制造成本也大 大降低2 旋翼桨毂直升机旋翼桨榖结构，对直升机气动性能、振动、重量、维修成本、操纵性、稳定性、生存 力等都有重大影响，设计一个结构简单、可靠、低成本、高效的桨榖成为直升机界一致关注 的关键技术。

复合材料在旋翼系统的另外重要应用是直升机桨毂采用了复合材料法国宇航 公司于20世纪70年代后研制成功的星形柔性桨毂是复合材料在旋翼桨毂上的首次应用， 由复合材料的无轴承旋翼桨毂代替了金属轴承桨毂其后，各发达国家的直升机公司纷纷开 始研制复合材料无轴承桨毂先后在多个直升机型号上应用如德国MBB直升机公司首先 将复合材料应用于桨叶制造，并研制出用于Bo-105的无轴承旋翼系统，后与日本川崎重工 合作研制了 BK-117多用途直升机，同样采用了钛合金的无铰旋翼英国韦斯特兰直升机公 司利用“狗骨头”设计解决了桨叶动力学中不利的挥舞-摆振耦合问题设计出独特的山猫” 旋翼，接着又开发了 BERP旋翼技术直升机桨叶在飞行中除了绕旋翼轴旋转外，还要有 变距、挥舞和摆振运动，金属铰接式旋翼的桨毂是通过3个金属轴承来实现桨叶的3个运 动的由于这些运动具有速度慢、非全周运动的特点，因此，轴承总处于非均匀载荷下工作， 且载荷交变，导致轴承寿命低、可靠性差采用复合材料桨毂后，通过复合材料的特殊弹性 变形特点实现桨叶根部的3个运动从而大大增加了桨毂的寿命，提高了可靠性，减小了 桨毂的零件数量和重量到目前为止，已在实践中应用的旋翼形式有铰接式、跷。