重型直升机传动系统结构的现状分析

摘 要：传动系统是重型直升机的关键组件，对直升机的整体性能有重大影响。文章分析了重型直升机传动系统的技术特点，总结了主要的传动系统类型，并介绍了传动系统关键零部件的发展，对重型直升机传动系统的结构设计有一定参考价值。

关键词：重型直升机；传动系统；结构；现状

引言

重型直升机是起飞重量大于20吨，内载或外挂能力大于8吨的运输直升机。其特点是具有较快的速度和极大的运载能力，能通过内部或外部吊挂运输重型施工设备或大型武器装备，且无需机场起降。重型直升机在军事活动中得到广泛使用，使得传统的作战模式和战术发生变革。在重大抢险救灾中，重型直升机也发挥着巨大的作用，它能快速运送受灾人员和伤员，运输物资和大型设备。

传动系统、发动机和旋翼系统是直升机上三个关键的转动组件。传动系统的功能是将发动机的动力按比例分配给主旋翼、尾旋翼以及其他附件，并将来自发动机和旋翼的载荷传递给机身[1]。传动系统由主变速箱、主传动轴、尾传动轴、中变速箱和尾变速箱等部件构成。直升机的整体性能很大程度上取决于传动系统的性能，对传动系统结构的研究是十分必要的。

1 重型直升机传动系统技术特征

重型直升机主要用途是运输大型设备，与普通直升机相比，传动系统具有独特的技术特征。

1.1 高输入转速

目前，大部分的重型直升机发动机的内部都没有设计减速箱，发动机的输出速度可以由以前的6000r/min达到现在的20000r/min[2]。因此，传动系统的主减速器需要针对高输入速度进行结构设计，才能满足直升机传动的要求。

1.2 高功率密度

重型直升机的载重量比普通直升机要高很多，使用高功率密度的传动系统可以减少直升机的净重，增加它的有效负载，提升整体性能。在传动系统中使用高强度材料和高效的润滑系统有助于提高功率密度。目前，主减速器的质量系数已经降到0.06以下，功率密度很高。

1.3 长寿命、高可靠性和良好的可维护性

重型直升机的服役时间比普通直升机更长，为了降低生命周期成本，传动系统需要有更长的寿命，更高的可靠性和更好的可维护性。在传动系统中，有相当数量的关键零部件，一旦它们出现故障，就可能导致灾难性的后果，因而高可靠性对于传动系统十分必要。高可靠性也让传动系统的设计、制造、测试、维护、检测变得更加困难。

1.4 高效率

由于直升机旋翼转速和发动机输出转速之间存在巨大的差异，传动系统的主减速器应该包含了多个复杂齿轮系，这对变速箱的传动效率有显著影响。为了提高运输的效率，在传动系统中应用效率更高的传动元件是十分必要的。在先进的传动系统中，主减速器的单级传动效率已可达到97%。

1.5 高生存能力

重型直升機可能进行长途的运输作业，途中可能发生减速箱润滑油异常泄露的情况。按照适航规定，传动系统必须在失去润滑的情况下依然能够正常运转一段时间。对于先进的传动系统来说，无润滑的运转时间可达一个小时。另外，重型直升机需要具备一定的防撞性，以提高它在危险情况下的生存能力。

2 重型直升机传动系统构架类型

目前普遍使用在重型直升机上的传动系统结构有以下两种（如图1所示），它们不仅满足传动系统的技术特点，而且设计和制造相对简单，可靠性较高。

2.1 A型传动构架

这是目前应用最广泛的主齿轮箱结构，它的结合方式分成三个阶段，分别是圆柱齿轮结合阶段、锥齿轮角转阶段和行星齿轮阶段。它适用于中型重型直升机，有大量设计的经验和实例做论证，而且行星轮系的减速比较大，可以适用于较高的输入转速。但是这种类型的传动结构体积和质量都比较大，而且锥齿轮所受的载荷较大，噪声和振动较大。

CH-47支奴干运输机[3]采用A型传动构架，它是由美国波音公司研发并制造的多功能、双引擎，双螺旋桨的中型运输直升机。CH-47采用典型的串联传动系统设计，前旋翼和后旋翼都有发动机和并车传动系统，并车传动系统将两台发动机的动力输入，并传入前后旋翼。其主减速箱结构第一级是锥齿轮传动，第二级是简单的行星轮系传动，前后的减速比可达30.73：1。

2.2 B型传动构架

相对于A型，这种传动方式较为新颖，它的结合方式也分成三个阶段，分别是锥齿轮角转阶段、圆柱齿轮啮合阶段和行星齿轮阶段。其适用于大型直升机，两个距离较远的发动机能够很好地实现并车；行星轮系和螺旋锥齿轮相结合可以实现大传动比的减速；并且通过分路传动，避载荷集中。但是这种方式只适用于大型直升机，而且造价高，要求加工精度高。

MI-26重型直升机[4]的传动系统是较为特殊的B型传动构架，其无行星轮系分扭传动，第一阶段是发动机的扭矩被直接分配在四个螺旋锥齿轮上，实现变向和一级减速；第二阶段是由斜齿轮传动，将扭矩传出；第三阶段是由8个正齿轮对进行传动，中心两个主齿轮实现并车。这样的结构保证了旋翼输出足够的力矩，且整个主齿轮的受力较为分散，对齿轮磨损较小。

3 重型直升机传动系统关键部件

3.1 齿轮

除了传统的渐开线齿轮，横向接触率超过2的螺旋锥齿轮也被用在了传动系统中[5]。螺旋锥齿轮是基于齿面接触分析（TCA）和负载齿面接触分析（LTCA）设计开发的。运用这种分析方法设计螺旋锥齿轮，能够考虑到载荷作用下的结构变形的影响，并且得到齿轮实际运转的最好的接触模式。

一些传动系统中也开始使用面齿轮传动，其最大优点是小齿轮的横向位置误差对啮合性能没有影响[6]。但是由于齿轮啮合时接触宽度的微小变动，齿宽测定、强度计算、齿面磨损成了面齿轮研究的难点。

在齿轮系的结构方面，除了改进传统的简单行星轮系外，传动系统也采用了各种其他类型的行星轮系，如高重合度行星轮系和无轴承行星轮系。无轴承行星轮系具有重量轻、高可靠性和同轴输出的特点，在未来的传动系统中很有发展潜力。

3.2 轴承

轴承是传动系统中旋转部件（轴、齿轮）的重要支承部件。各种类型的轴承被用在传动系统中，如滚珠轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、调心滚子轴承等[6]。直升机轴承采用集成化设计，保证了其结构简单，可靠性高。在实际工作中，轴承需要承受的轴向载荷很大，甚至达到13吨，因此超高载荷的轴承采用多列轴承配对结构，并合理配置轴承支承，实现均载。另外，主减速器的输入转速最大达到20000r/min，导致轴承的工作转速极高，因而采用高精度轴承，并使用陶瓷滚动体和镀银的钢制保持架来降低其摩擦系数。

目前，大量研究集中在轴承材料、热处理、表面处理、结构设计和检测方面，M50NiL、陶瓷滚动体等新材料以及二次淬硬等新技术有效提高了轴承的疲劳极限和承受高速、高载荷的性能。轴承带安装边设计、轴承-轴一体化设计，有效地避免了轴承配合面的微动磨损。在轴承寿命方面，由于使用了新材料并提高了安装精度，轴承的寿命增加了4到6倍[6]。

3.3 超越离合器

超越离合器是保证发动机与传动系统主减速器之间按要求及时接合、脱开的关键动部件[2]。传动系统一般采用滚柱离合器、斜撑离合器和高速弹簧离合器。滚柱离合器已经应用在输入转速6000r/min以内的主减速器中；斜撑离合器能够承受更大的转速，但也不超过12000r/min。高速弹簧离合器能够适用于转速超过20000r/min的主減速器，其组件只有斜撑离合器的一半，具有重量轻、高可靠性的特点。然而，它的运转条件比较严苛，对弹簧的要求很高，而且难以加工制造。

4 结束语

总的来说，重型直升机动力传动系统向着高功率密度、高效率、高可靠性、长寿命的方向发展，这就导致了传动系统结构的不断进步来满足高性能的要求。在关键零部件方面，螺旋锥齿轮、无轴承行星轮系、高精度轴承、高速弹簧离合器等新型的零部件在传动系统中得以利用，使得传动结构零件减少，重量减轻，可靠性增强。随着科技的发展与进步，重型直升机传动系统已经不在局限于传统的定传动比、定轴传动、齿轮传动等结构形式，变速比传动、倾斜传动、电传动等新型传动形式将逐步进入工程应用。今后，传动系统的研究应在优化改进传统传动结构的基础上，探寻新型的传动结构。

参考文献

[1]John J.Coy，Robert C.Bill： Advanced transmission studies[C].44th Annual Forum of the American helicopter Society，1988.

[2]G White. Design study of a split-torque helicopter transmission[J].IMechE，1998：158-165.

[3]Zachary S. Henry： Bell helicopter advanced rotorcraft transmission （ART） program[R].NASA contractor report 195479，1992.

[4]丁文强.国外先进的直升机传动系统研究[C].北京：中国国防科学技术报告，2002：34-37.

[5]Joseph W. Lenski. Boeing helicopters advanced rotorcraft transmission（ART） program summary of component tests[C]. AIAA/SAE/ASME/ASEE 28th Joint Propulsion conference and exhibit，1992.

[6]Robert F. Handschuh， James J. Zakrajsek. Current research activities in drive system technology in support of the NASA rotorcraft program[C]. The vertical lift aircraft design conference，2006.

作者简介：陈博（1992-），男，四川成都人，硕士研究生，主要研究方向为机械设计及理论。