許鵬

摘 要：介紹了AC313直升機(jī)主減速器主體結(jié)構(gòu)以及重要零部件，如機(jī)匣、齒輪、軸承的設(shè)計(jì)方法、過程和采用的新材料、新工藝；介紹了主減速器為了取得國(guó)內(nèi)民航型號(hào)合格證需要進(jìn)行的試驗(yàn)考核。

關(guān)鍵詞：直升機(jī)；減速器；設(shè)計(jì)

1 引言

AC313直升機(jī)是民用單旋翼帶尾槳直升機(jī)，配裝三臺(tái)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，最大起飛重量13.8噸。其主減速器的作用是將三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率經(jīng)過變速和換向傳遞給主旋翼和尾旋翼；還為一些附件（包括直升機(jī)附件和主減速器附件）提供動(dòng)力傳輸接口，例如：液壓泵、交流發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)速表、冷卻風(fēng)扇和滑油泵等。

2 主減速器性能要求

主減速器主要技術(shù)指標(biāo)及總體設(shè)計(jì)要求如下：

2.1 使用環(huán)境

最大飛行高度：不高于7000米； 使用環(huán)境溫度：-40℃～60℃；

最低起動(dòng)溫度：-40℃； 存放溫度：-55℃～70℃。

2.2 傳遞功率

最大連續(xù)功率2925kW，主旋翼轉(zhuǎn)速212rpm。

2.3 壽命要求

翻修間隔期：≥3000飛行小時(shí)

總壽命：≥9000飛行小時(shí)或 27000次工作循環(huán)

主要部件壽命：≥9000飛行小時(shí)或27000次工作循環(huán)

2.4 干運(yùn)轉(zhuǎn)

在主減速器內(nèi)潤(rùn)滑油泄漏完后，主減速器必須有至少30分鐘的繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)能力。

2.5 安裝接口要求

主減速器安裝凸耳與法蘭、自由輪離合器與發(fā)動(dòng)機(jī)輸入法蘭、旋翼剎車安裝座、伺服連接凸耳、自動(dòng)傾斜儀扭力臂聯(lián)接、潤(rùn)滑系統(tǒng)、兩個(gè)交流發(fā)電機(jī)、兩個(gè)液壓泵、一個(gè)轉(zhuǎn)速交流發(fā)電機(jī)。

3 主減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

民用主減速器需要重點(diǎn)考慮整體的功能、性能、可靠性、維修性、保障性、經(jīng)濟(jì)型以及環(huán)保性等要求。

3.1 主體結(jié)構(gòu)方案

采用國(guó)際上常用結(jié)構(gòu)，共分為4級(jí)減速，即斜齒輪并車減速，螺旋錐齒輪換向減速和兩級(jí)行星減速，總減速比為28.6。三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)通過主減速器實(shí)現(xiàn)并車，其功率經(jīng)主減速器傳輸給主旋翼及尾旋翼輸出，主減速器還安裝和驅(qū)動(dòng)直升機(jī)有關(guān)部件和附件。

主減速器主要由機(jī)匣、齒輪傳動(dòng)鏈、旋翼軸、滑油系統(tǒng)及其它輔助設(shè)備組成，包括以下組件、系統(tǒng)：前傳組件、主傳組件、后傳組件、滑油系統(tǒng)。

3.1.1 前傳組件。前傳組件位于主傳組件的前部，由前機(jī)匣、左右發(fā)動(dòng)機(jī)輸入齒輪、并車主動(dòng)齒輪、超越離合器、液壓泵傳動(dòng)軸、風(fēng)扇傳動(dòng)軸及其它連接件組成，并為伺服系統(tǒng)和風(fēng)扇提供安裝座。

左右發(fā)動(dòng)機(jī)輸入齒輪、并車主動(dòng)齒輪均選用圓柱斜齒輪，減速比為1.1。

3.1.2 主傳組件。主傳組件是主減速器的主體，由并車從動(dòng)齒輪，換向錐齒輪傳動(dòng)，Ⅰ、Ⅱ級(jí)行星傳動(dòng)，旋翼軸，主機(jī)匣，上機(jī)匣和下機(jī)匣等組成。主機(jī)匣上安裝有滑油泵、滑油濾、溫度傳感器、壓力傳感器等輔助設(shè)備，并提供了與飛機(jī)平臺(tái)及前、后傳組件的接口和伺服機(jī)構(gòu)的安裝座。上機(jī)匣上還設(shè)有主減撐桿安裝凸耳。

主傳組件采用一級(jí)螺旋錐齒輪換向減速，減速比為2.1；兩級(jí)行星傳動(dòng)減速，總減速比為8.1。

3.1.3 后傳組件。后傳組件由后機(jī)匣、后發(fā)動(dòng)機(jī)輸入齒輪、尾輸出齒輪、旋翼剎車傳動(dòng)軸、液壓泵傳動(dòng)、交流發(fā)電機(jī)傳動(dòng)、轉(zhuǎn)速表發(fā)電機(jī)傳動(dòng)及其它連接件組成。在后機(jī)匣上還設(shè)有液壓泵、交流發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)速表發(fā)電機(jī)和剎車裝置的安裝座。

后發(fā)動(dòng)機(jī)輸入齒輪也采用圓柱斜齒輪，減速比為1，從動(dòng)齒輪通過一根彈性軸與前傳組件左發(fā)動(dòng)機(jī)輸入齒輪相連接，將功率傳遞到前傳組件。

3.1.4 滑油系統(tǒng)?；拖到y(tǒng)包括滑油潤(rùn)滑系統(tǒng)和滑油冷卻系統(tǒng)，滑油潤(rùn)滑系統(tǒng)由滑油泵、油池、潤(rùn)滑油路、滑油噴嘴、滑油濾、溫度傳感器、壓力傳感器等組成，滑油冷卻系統(tǒng)由外部管路、散熱器和風(fēng)扇等組成。

滑油散熱系統(tǒng)包括2臺(tái)冷卻風(fēng)扇、2臺(tái)散熱器和管路。冷卻風(fēng)扇由主減速器驅(qū)動(dòng)，以確保通過散熱器的空氣流通來達(dá)到冷卻滑油的目的。

3.2 機(jī)匣設(shè)計(jì)

機(jī)匣是直升機(jī)減速器最重要零件之一，其功能是在機(jī)匣內(nèi)安裝傳動(dòng)齒輪、軸、軸承、潤(rùn)滑冷卻、密封裝置并提供支撐，在機(jī)匣外提供各種類型附件的接口。機(jī)匣采用鑄造鎂合金AMS4439 RZ5制造，使用防腐涂層（例如樹脂等）可以保證鎂合金在惡劣環(huán)境條件下有最大的防護(hù)能力。

機(jī)匣設(shè)計(jì)采用UG軟件進(jìn)行三維建模，完成設(shè)計(jì)后，需要應(yīng)用有限元軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析。根據(jù)分析結(jié)果找出載荷較大部位，然后加強(qiáng)局部結(jié)構(gòu)后再進(jìn)行有限元強(qiáng)度校核，直到滿足設(shè)計(jì)要求為止。機(jī)匣模型確定后，應(yīng)用VERICUT軟件進(jìn)行仿真加工，能夠大大加快設(shè)計(jì)及加工進(jìn)度。

3.3 齒輪設(shè)計(jì)

主減速器中有直齒輪、斜齒輪和螺旋錐齒輪，分為動(dòng)力齒輪、附件齒輪。齒輪材料選用國(guó)際上通用的高強(qiáng)度航空齒輪滲碳鋼AMS6308 X-53和AMS6265 AISI 9310。X-53目前國(guó)內(nèi)還未有使用先例。

航空齒輪的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是保證承載能力的基礎(chǔ)上具有最小的重量和尺寸。齒輪的的尺寸由彎曲疲勞、表面接觸應(yīng)力（赫茲應(yīng)力）和擦傷（膠合）承載能力共同確定，齒輪必須具有抵抗上述三種失效的能力。齒輪強(qiáng)度分析方法分別采用ANSI/AGMA 2001-D04《漸開線直齒輪和斜齒輪輪齒基本承載能力系數(shù)和計(jì)算方法》和ANSI/AGMA 2003-C10《直齒錐齒輪、零度錐齒輪和螺旋錐齒輪抗點(diǎn)蝕能力和彎曲強(qiáng)度》。確定齒輪的尺寸是一個(gè)反復(fù)計(jì)算的過程，選定尺寸后，還需要對(duì)齒頂和齒厚修形，以達(dá)到均衡齒輪印痕、平衡輪齒強(qiáng)度、避免齒頂太薄等問題出現(xiàn)。

3.4 軸承設(shè)計(jì)

3.4.1 主傳動(dòng)鏈軸承。主傳動(dòng)鏈載荷大，軸承要選擇承載能力大、精度高、可靠性高的種類。

行星齒輪軸承選擇雙排調(diào)心滾子軸承，具有自身的定位能力及最大的徑向承載能力。

3.4.2 附件軸承。一般附件傳動(dòng)載荷較小，因此選用球軸承來承受較輕的徑向和軸向載荷。對(duì)于有斜齒輪及螺旋錐齒輪的附件傳動(dòng)，選用球軸承和滾子軸承混合使用。

3.4.3 軸承的潤(rùn)滑。要在盡可能的地方對(duì)軸承通過旋轉(zhuǎn)軸、軸承內(nèi)環(huán)與軸徑上的機(jī)加孔以噴油形式進(jìn)行潤(rùn)滑，不能滿足此要求時(shí)要使用外部滑油噴嘴對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑。

4 試驗(yàn)考核

AC313/GL主減速器為滿足研制、鑒定及適航取證的需要，必須對(duì)部分關(guān)鍵零部件、系統(tǒng)及整機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)及測(cè)試。

4.1 零部件試驗(yàn)

試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證零部件的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度，以及對(duì)零部件的使用壽命進(jìn)行確定。因此，零部件試驗(yàn)分為靜強(qiáng)度試驗(yàn)及疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。

4.2 整機(jī)試驗(yàn)

包括靜力試驗(yàn)、調(diào)整試驗(yàn)、潤(rùn)滑試驗(yàn)、齒輪接觸印痕試驗(yàn)、溫度場(chǎng)試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)、飛行前臺(tái)架試驗(yàn)、整機(jī)疲勞試驗(yàn)、持久試驗(yàn)、干運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、“鐵鳥”試驗(yàn)、地面系留試驗(yàn)等。

5 結(jié)束語(yǔ)

AC313主減速器采用了許多當(dāng)前國(guó)際上先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)理念以及航空材料，將為國(guó)內(nèi)的直升機(jī)主減速設(shè)計(jì)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第13冊(cè)減速器設(shè)計(jì).航空工業(yè)出版社.

[2]飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第19冊(cè)直升機(jī)設(shè)計(jì).航空工業(yè)出版社.