重型直升機主減速器的結構設計

摘要： 本文針對重型直升機主減速器結構的設計，提出設計要求和解決方案，為我國重型直升機制造和發展提供參考。

關鍵詞： 重型直升機 主減速器 差動行星減速器

當今重型直升機越來越多地用于救災、軍事運輸等任務，重型直升機是指起飛重量大于20噸的直升機。由于重型直升機運載能力大，有較快的飛行速度，且不需機場起降，是一個較好的空中平臺和運載工具。而我國在這方面的技術研發幾乎空白。重型直升機的主要技術難點在于渦輪軸發動機、重型減速器、大型寬翼型槳葉和槳轂的研制。其重型減速器的許用功率巨大（如：米-26為14710千瓦），重量又應盡可能小（一般為整機重量的1/7～1/9），且必須保證極高的瞬間過載能力、可靠性和使用壽命。通常重型直升機采用齒輪傳動式主減速器，它的輸入形式為2臺甚至更多渦輪軸發動機多軸并車，可將高轉速低扭矩的輸入功率，經3～4級的齒輪減速50～150后，轉換成低轉速大扭矩由主旋翼的中心軸和尾槳傳動軸輸出。主減速器也是機體、旋翼和發動機連接的橋梁，因此它的箱體對剛度、強度要求極高，且不能影響內部齒輪的嚙合性能。綜上所述，筆者提出新型重型直升機主減速器結構的設計要求和解決方案如下。

1.設計要求

1.1減速器的原理與結構具有通用性，可根據不同功率的主機，按比例有規律地縮、放，設計出其衍生機型，降低后續機型的研發時間和費用，使設計一勞永逸。

1.2采用新材料、新技術，提高減速器的功率重量密度和功率體積密度，降低齒輪齒面的接觸壓強，提高高壓油膜潤滑在齒面滑動接觸的厚度和時間，降低磨損，減少發熱，延長維護周期和使用壽命。

1.3采用鼓形齒，變位漸開線等新技術，提高精度和齒面強度，優化齒面的接觸區域，降低對安裝精度的要求，使齒輪在大功率運轉時，保持良好的嚙合特性。

1.4主減速器的終極采用差動行星減速，并在其行星架上加入均載機構，使各行星的受力情況趨于一致，從而更好地發揮出虛約束在傳動合力上的增強作用。使承載能力大幅增加，而減速器的總重量幾乎不變。

2.設計方案

主減速器是將兩個渦輪軸發動機輸出軸的高轉速降至主旋翼所需的低轉速，考慮到雙機并車、主軸90度轉向和盡量減輕重量等設計要求，本設計采用4級減速，減速比約100。

2.1初級為90度轉向的準雙曲面齒輪或者螺旋錐齒輪，主要目的是保證減速比在2～3的前提下，使渦輪軸發動機輸出軸的旋轉方向產生90度的轉向，并使大錐齒輪的旋轉方向與主旋翼的旋轉方向一致。

2.2第二級和第三級采用圓柱齒輪與錐齒輪的末端與星型減速機構相連，目的在于小幅減速，以減低最大從動齒輪的外徑，從而減輕重量。因為齒輪可以近似看做一個高徑比很小的圓柱，在齒輪的材料一定，密度和齒寬相同的前提下，重量與直徑的2次方成正比。又因為大齒輪的加工難度大，易變形，尤其是斜齒圓柱齒輪的軸向力作用，更易使齒輪產生平面度變形，嚴重影響精度，惡化軸承的工況。總之，初級寧可多加一級減速，以減少各級齒輪中最大齒輪的外徑，也不用大齒輪單級減速。

2.3終級與主旋翼直接連接，是減速器中扭矩、強度、體積和重量最大的一級，雖然減速器的各級可以近似看成是恒功率的降速增扭，但各級的扭矩是決定尺寸、重量的關鍵因素。本設計選用終級差動行星減速器方案，其輸出轉速約每秒2～3.2圈，考慮到傳動效率、減輕重量和高轉速對行星架的影響，取10倍左右的減速比為宜，在輸入轉速為1200rpm～1920rpm的條件下，是完全可行的。差動行星減速器有如下幾個優點：

2.3.1單級減速比大，約8～20，且不同的減速比，僅僅是雙聯圓柱齒輪的分度圓直徑之差略有不同，整體形狀和體積沒有太大改變，故機殼通用性好。由于減速比和齒輪的絕對直徑沒有直接關系，可采用小的行星雙聯齒輪，以減輕重量。

2.3.2單位重量承載力大，差動行星減速的輸入部件為行星架，其全部行星齒輪都安裝在行星架半徑的外端，為了更好地實現均勻嚙合，本方案增設了均載機構，雖在重量上略有增加。但對行星架動力性益處極大，因為輸出的扭矩是輸入扭矩的N倍，N為減速比。差動行星減速比大，在輸出扭矩一定的條件下，行星架所受力矩和強度大大降低了，原理性減輕了行星架的總重量。

2.3.3減輕了推力軸承的負擔，由于外嚙合式差動行星減速機構的輸出端，為單一外齒輪-斜齒圓柱齒輪，且旋翼為單一旋轉方向。利用這個特點，結合斜齒輪的嚙合軸向力，可以部分抵消主旋翼的升力所產生的拉力，減輕主推力軸承的負擔。其余負載會均勻地分布到行星架中的雙聯齒輪，使之產生互相分離的力量，而雙聯齒輪是一個整體零件，故上下大圓柱齒輪，軸向力可以抵消。減輕了推力軸承的負擔。

3.加工工藝與潤滑

3.1雙聯的圓柱齒輪中小齒輪的工藝性較差，如果將大小齒輪的軸向距離適當拉長，問題則得到解決，否則小齒輪只能采用插齒工藝進行加工，而在熱處理之后，因砂輪會干涉下面的大齒輪而無法實現精磨，故精度無法得到本質提高而影響承載力。

3.2各行星的雙聯齒輪，要求外形完全一致，且上下齒輪的某個齒的相位差也相同，確保全部行星在裝配時實現圓周均布。這些是通過切齒和磨齒時一次裝夾定位完成此精度。并在對應的齒上面打標記。大小齒輪均采用鼓形齒修型和新型的壓力角負變位修型工藝，保證在大力承載時，齒面形狀亦為標準的漸開線齒形。

3.3傳統的行星減速器的內齒圈，由于定位要求難以得到滿足，故在旋轉時經常出現偏載和偏磨損等現象，且熱處理后，變形和共軛磨齒等精加工問題難以解決，一般內齒圈多采用如38CrMoAl等滲氮鋼制造，因為滲氮后變形較小，表面硬度較高，但這依然不能作為重型直升機主減速器的終極傳動齒輪。因為滲氮的氮化層很薄，約為滲碳層厚度的十分之一甚至幾十分之一，另外齒面一定要經過磨齒才能有效進行修型等精密加工，僅僅依靠插齒的精度，難以獲得高品質的內齒輪。因此本行星減速器全部齒輪均采用外圓柱斜齒輪，具有加工工藝性好，精度易于通過齒面精磨而提高。同時由于其原理的差動性，也易于制造帶有均載機構的行星架。

3.4減速器采用單獨噴油的方式強制潤滑，使嚙合的齒輪間產生類似齒輪泵“困油”的效果，在齒隙間將滑油擠出，增加油膜的厚度和作用時間，降低摩擦與溫度。

4.結語

國外上世紀八十年代就可以生產重型直升機，而我國至今還不能。我國的飛機制造業相對落后，應抓住關鍵技術不斷發展，努力發展自己的先進技術，縮短與發達國家之間的差距，力爭早日實現從低端到高端的轉變。實現從中國制造到中國創造、從制造大國到制造強國的轉變。

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