国外组合弹性轴承旋翼构型发展及应用综述

范名忠，陈少峰，李满福

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

直升机的旋翼系统是一个不断变革的关键系统，自20世纪70年代弹性轴承正式应用于直升机旋翼系统以来，旋翼系统结构大大简化。作为旋翼桨毂的关键功能件，弹性轴承除可传递离心力、扭转和挥摆力矩外，还有实现桨叶的挥舞、摆振和变距运动的作用。随着弹性轴承技术的不断完善，目前欧美直升机旋翼系统都已经广泛采用各种结构形式的弹性轴承，其中组合弹性轴承是主要的发展方向。

直升机旋翼系统用单个弹性轴承的优点是结构相对简单，但缺点也是显而易见的，就是桨叶传递来的所有载荷和运动都要通过单个弹性轴承承担，导致弹性轴承的使用寿命偏低，更换较为频繁，影响直升机的出勤率和使用维护成本。组合弹性轴承是一种先进的弹性轴承技术，由于组合弹性轴承一般由两个或两个以上不同构型的弹性轴承组成，与单个弹性轴承相比，由桨叶传递来的载荷和运动可以通过多个弹性轴承分别承担，能有效减少单个弹性轴承的负荷，大幅度提高弹性轴承的使用寿命。组合弹性轴承是弹性轴承技术的一大进步，在直升机旋翼系统广泛应用将极大地提高直升机的出勤率并降低使用维护成本。本文整理分析了国外使用组合弹性轴承的旋翼构型的技术特点，可为国内直升机的研制和发展提供借鉴。

1 典型弹性轴承基本构型

直升机旋翼系统用弹性轴承主要是层状弹性轴承。作为最普遍的弹性轴承，层状弹性轴承由橡胶和金属隔片经过硫化粘接复合而成，一般是将内层金属隔片和外层金属附件按照设计要求定位在模具中，然后将橡胶胶料压入各金属隔片层间硫化粘接成型。

组合弹性轴承通常由多个不同构型的典型弹性轴承组成。典型弹性轴承的基本构型主要有以下五种，如图1-图5所示[1]。

推力弹性轴承(图1)主要用来承受高的轴向压缩载荷，同时通过橡胶弹性体的剪切变形可实现一定的扭转运动和径向运动。

径向弹性轴承(图2)由同心圆柱形的橡胶/金属叠层构成，这种构型的径向刚度非常大，同时通过橡胶的剪切变形能够实现一定的扭转和轴向运动。

球面弹性轴承(图3)可以在承受非常大的轴向载荷的同时实现绕三个相互垂直轴的角运动，还可以通过调整橡胶/金属叠层的内外径角度来调整其承受径向载荷的能力。一个球面弹性轴承可以实现三个或三个以上单个传统轴承所能实现的功能。

球面径向弹性轴承(图4)可以承受非常大的径向载荷，同时实现绕三个相互垂直轴的角运动，另外还具有一定的轴向承载能力，其轴向承载能力取决于橡胶/金属叠层的几何形状。

锥形弹性轴承(图5)能够在轴向和径向两个方向同时承受很大的载荷，通过橡胶的剪切变形还可以实现扭转运动。这种构型的轴向刚度和径向刚度都很高，扭转刚度相对较低。

本文中提到的组合弹性轴承主要是指以上5种典型弹性轴承基本构型的组合。

2 组合弹性轴承的发展及应用分析

当前国外采用组合弹性轴承旋翼构型的直升机主要有UH-60、CH-53D、Mi-28、EC665、EH101、V-22等，以及DART弹性万向铰原理验证机。

2.1 UH-60

美国20世纪70年代研制的10吨级UH-60“黑鹰”直升机旋翼采用了推力弹性轴承(图1构型)和球面弹性轴承(图3构型)组合结构，其支臂结构如图6所示。

图6 UH-60直升机旋翼桨毂支臂剖视图

该构型两个轴承都承受离心力，球面弹性轴承承担切向力和弯矩，推力弹性轴承则实现主要的变距运动以减小球面弹性轴承的变形量。具体来说，桨叶变距时产生的扭矩是通过轴颈右端部的花键传到推力弹性轴承上，推力弹性轴承通过接头连接传到球面弹性轴承上，两个弹性轴承共同承受扭转变形，但变形量并不相同，因为推力弹性轴承的扭转刚度比球面弹性轴承的要低很多。分析表明，该构型下桨叶变距运动的85%由推力弹性轴承来实现，其余15%由球面弹性轴承来实现[1]。球面弹性轴承主要承受弯曲变形，提供桨叶的挥舞和摆振运动。

该构型方案组合弹性轴承的寿命达到了2500飞行小时[2]。

2.2 CH-53D

美国20世纪70年代研制的30吨级CH-53D直升机旋翼采用了球面弹性轴承(图3构型)和中心弹性轴承组合结构，其中心弹性轴承又由径向弹性轴承(图2构型)和球面径向弹性(图4构型)轴承组合而成。CH-53D旋翼桨毂支臂结构如图7所示，中心弹性轴承组合结构如图8所示。

该组合构型中，球面弹性轴承和中心弹性轴承为共球心设计，桨毂支臂主要的离心力作用在球面弹性轴承上，而挥舞和摆振方向的切向力主要由中心弹性轴承来承担。此方案通过两种弹性轴承在对应方向上刚度的差异来实现载荷分配。同时，球面弹性轴承和中心弹性轴承共同来实现桨叶的挥舞、摆振和扭转运动。与UH-60相比，这一结构中的两个弹性轴承均裸露在外面，处于目视可见的位置，从而使用户对弹性轴承的表面检查变得简单，易于判断弹性轴承的状态。

图7 CH-53D直升机旋翼桨毂支臂剖视图

图8 CH-53D旋翼桨毂中心弹性轴承结构图

此组合弹性轴承的设计寿命超过1500飞行小时。

2.3 Mi-28

俄罗斯20世纪80年代研制的Mi-28直升机，最大起飞重量为11.4吨，其旋翼同样采用了组合弹性轴承构型(图9)。

图9 Mi-28直升机旋翼桨毂支臂结构图

与其他采用组合弹性轴承的直升机不同的是，Mi-28采用了球面弹性轴承(图3构型)和金属杆端关节轴承的组合，二者共球心设计。Mi-28的弹性轴承组合构型原理，同CH-53D基本相似。球面弹性轴承主要承受离心力，而挥舞和摆振方向的切向力主要通过金属杆端关节轴承传递到中央件上。这种构型下金属杆端关节轴承在切向力方向刚度很大，其承担的切向力远大于球面弹性轴承。

Mi-28的弹性轴承组件寿命指标为1500小时[1]。与此构型类似的还有波音-伏托尔公司研制的HLH直升机(图10)。

图10 波音-伏托尔公司HLH直升机桨毂轴承组件

2.4 EC665

法国和德国20世纪80年代联合研制的EC665专用武装直升机(“虎”式直升机)，最大起飞重量为6.1吨，其旋翼桨毂同样采用了弹性轴承组合的构型(图11)。EC665的每个支臂包含一个径向弹性轴承(图2构型)和一个锥形弹性轴承(图5构型)(图12)，锥形弹性轴承主要承受离心力，径向弹性轴承、锥形弹性轴承共同承受摆振和挥舞方向的弯矩和切向力。该结构型式下，两个弹性轴承相当于两个铰支点，切向力通过铰接点到力作用点的距离(即力臂)来实现分配，力臂越短分配的力越大，力臂越大则力越小。

从构型上看，EC665直升机旋翼桨毂设计利用铰支原理使用不同形式的弹性轴承来实现传力路径与结构的优化，不对弯矩进行卸载，获得高的操纵功效。这个构型方案最大的优点就是极大地简化了结构，取消了限动装置，整个旋翼除螺栓螺母衬套外只有20个主要零件[3]。

图11 EC665直升机旋翼桨毂结构图

图12 EC665直升机旋翼桨毂支臂剖面图

2.5 EH101

英国和意大利20世纪80年代联合研制的EH-101直升机，最大起飞重量为14.6吨，该机旋翼桨毂使用的弹性轴承组合构型类似于CH-53D，同样采用了球面弹性轴承(图3构型)和中心弹性轴承，中心弹性轴承为径向弹性轴承(图2构型)与球面径向弹性轴承(图4构型)的组合(图13)。球面弹性轴承和中心弹性轴承采用共球心设计，能够实现挥舞、摆振、变距和传递主桨叶载荷功能。该直升机处于飞行状态时，大部分升力载荷通过中心弹性轴承的芯轴传递到主桨毂中心，只有一小部分通过弹性轴承作用到中央件上。这种设计减小了球面弹性轴承的载荷，有利于提高球面弹性轴承的寿命。

图13 EH-101直升机旋翼桨毂支臂结构图

该构型同CH-53D在原理上有诸多相似之处，但CH-53D球面弹性轴承离旋转中心较近，而中心弹性轴承离旋转中心较远，而EH-101则反之，中心弹性轴承离旋转中心较近，而球面弹性轴承离旋转中心较远。传力方面，EH-101中央件袖孔上承受的切向力更小，有助于提高结构件寿命，而中心弹性轴承的芯轴采取滑动式连接，卸载了中心弹性轴承的扭转运动，但对芯轴的耐磨性要求较高。

2.6 V-22与DART弹性万向铰

V-22是美国20世纪80开始研制的24吨级横列式倾转旋翼机，其旋翼系统采用了组合弹性轴承，其桨毂支臂如图14所示。V-22旋翼桨毂中使用的弹性轴承有：中央件弹性轴承(图3构型)、离心力弹性轴承(图1构型)和变距弹性轴承(图2或图4构型)。其中央件弹性轴承分为上、下中央件弹性轴承，通过将弹性体硫化到中央件上，上、下组合后放置于整个桨毂中心，起到万向铰的作用，实现桨叶的挥舞和摆振运动。离心力弹性轴承放置在星形件支臂末端，主要承担桨叶离心力；而变距运动由靠近离心力弹性轴承的外侧变距弹性轴承和安装在星形件袖孔里的内侧变距金属轴承来实现。

图14 V-22直升机旋翼桨毂支臂结构图

图15 V-22直升机的旋翼桨毂支臂实物图

DART是欧直21世纪初开始研制的弹性万向铰原理验证机，其桨毂如图16所示。DART旋翼桨毂中包含四种弹性轴承：中央件弹性轴承(图3构型)、离心力弹性轴承(图1构型)、外侧变距弹性轴承(图2或图4构型)、内侧变距弹性轴承(图2或图4构型)[3]。其轴承的布置与型式与V-22有诸多相似之处，中央件弹性轴承(图15)、离心力弹性轴承(图16)、外侧变距弹性轴承的型式与布置同V-22基本一致。不同的是，DART将V-22内侧变距金属轴承也用弹性轴承进行了替代。

图16 DART旋翼桨毂结构

图17 DART使用的中央件弹性轴承

图18 DART使用的离心力弹性轴承

该构型下，桨毂可以实现万向铰功能，主要应用在倾转旋翼机上。这种三个或四个弹性轴承组合的方式并不常见，倾转旋翼机选择这种构型有动力学、倾转稳定性等方面的考量，但其基本思路依然是充分利用不同弹性轴承型式的优点，对整体结构的承力和受力进行优化，在实现功能的同时提高相关部件的使用寿命。这种弹性万向铰构型自成一体，特点鲜明。

3 结束语

组合弹性轴承是当前直升机弹性轴承技术的发展方向，美国、欧洲、俄罗斯均在开展组合弹性轴承的研究。组合弹性轴承可以充分发挥不同构型弹性轴承的优点，并使得旋翼桨毂整体结构件的受力和传力得到优化，使双方获得高的寿命增益。

从已有应用来看，最早研制的CH-53D构型是较为经典的组合弹性轴承构型，其设计理念简单清晰，能有效提高弹性轴承寿命，后续的Mi-28、EH101等型号与其类似。

同时，组合弹性轴承也被应用到了倾转旋翼机、共轴高速机等新一代旋翼飞行器上，这是组合弹性轴承未来发展及应用的新领域。