淺析AC313直升機主減速器設計

許鵬

摘 要：介紹了AC313直升機主減速器主體結構以及重要零部件，如機匣、齒輪、軸承的設計方法、過程和采用的新材料、新工藝；介紹了主減速器為了取得國內民航型號合格證需要進行的試驗考核。

關鍵詞：直升機；減速器；設計

1 引言

AC313直升機是民用單旋翼帶尾槳直升機，配裝三臺渦軸發動機，最大起飛重量13.8噸。其主減速器的作用是將三臺發動機的輸出功率經過變速和換向傳遞給主旋翼和尾旋翼；還為一些附件（包括直升機附件和主減速器附件）提供動力傳輸接口，例如：液壓泵、交流發電機、轉速表、冷卻風扇和滑油泵等。

2 主減速器性能要求

主減速器主要技術指標及總體設計要求如下：

2.1 使用環境

最大飛行高度：不高于7000米； 使用環境溫度：-40℃～60℃；

最低起動溫度：-40℃； 存放溫度：-55℃～70℃。

2.2 傳遞功率

最大連續功率2925kW，主旋翼轉速212rpm。

2.3 壽命要求

翻修間隔期：≥3000飛行小時

總壽命：≥9000飛行小時或 27000次工作循環

主要部件壽命：≥9000飛行小時或27000次工作循環

2.4 干運轉

在主減速器內潤滑油泄漏完后，主減速器必須有至少30分鐘的繼續運轉能力。

2.5 安裝接口要求

主減速器安裝凸耳與法蘭、自由輪離合器與發動機輸入法蘭、旋翼剎車安裝座、伺服連接凸耳、自動傾斜儀扭力臂聯接、潤滑系統、兩個交流發電機、兩個液壓泵、一個轉速交流發電機。

3 主減速器結構設計

民用主減速器需要重點考慮整體的功能、性能、可靠性、維修性、保障性、經濟型以及環保性等要求。

3.1 主體結構方案

采用國際上常用結構，共分為4級減速，即斜齒輪并車減速，螺旋錐齒輪換向減速和兩級行星減速，總減速比為28.6。三臺發動機通過主減速器實現并車，其功率經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動直升機有關部件和附件。

主減速器主要由機匣、齒輪傳動鏈、旋翼軸、滑油系統及其它輔助設備組成，包括以下組件、系統：前傳組件、主傳組件、后傳組件、滑油系統。

3.1.1 前傳組件。前傳組件位于主傳組件的前部，由前機匣、左右發動機輸入齒輪、并車主動齒輪、超越離合器、液壓泵傳動軸、風扇傳動軸及其它連接件組成，并為伺服系統和風扇提供安裝座。

左右發動機輸入齒輪、并車主動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，由并車從動齒輪，換向錐齒輪傳動，Ⅰ、Ⅱ級行星傳動，旋翼軸，主機匣，上機匣和下機匣等組成。主機匣上安裝有滑油泵、滑油濾、溫度傳感器、壓力傳感器等輔助設備，并提供了與飛機平臺及前、后傳組件的接口和伺服機構的安裝座。上機匣上還設有主減撐桿安裝凸耳。

主傳組件采用一級螺旋錐齒輪換向減速，減速比為2.1；兩級行星傳動減速，總減速比為8.1。

3.1.3 后傳組件。后傳組件由后機匣、后發動機輸入齒輪、尾輸出齒輪、旋翼剎車傳動軸、液壓泵傳動、交流發電機傳動、轉速表發電機傳動及其它連接件組成。在后機匣上還設有液壓泵、交流發電機、轉速表發電機和剎車裝置的安裝座。

后發動機輸入齒輪也采用圓柱斜齒輪，減速比為1，從動齒輪通過一根彈性軸與前傳組件左發動機輸入齒輪相連接，將功率傳遞到前傳組件。

3.1.4 滑油系統。滑油系統包括滑油潤滑系統和滑油冷卻系統，滑油潤滑系統由滑油泵、油池、潤滑油路、滑油噴嘴、滑油濾、溫度傳感器、壓力傳感器等組成，滑油冷卻系統由外部管路、散熱器和風扇等組成。

滑油散熱系統包括2臺冷卻風扇、2臺散熱器和管路。冷卻風扇由主減速器驅動，以確保通過散熱器的空氣流通來達到冷卻滑油的目的。

3.2 機匣設計

機匣是直升機減速器最重要零件之一，其功能是在機匣內安裝傳動齒輪、軸、軸承、潤滑冷卻、密封裝置并提供支撐，在機匣外提供各種類型附件的接口。機匣采用鑄造鎂合金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境條件下有最大的防護能力。

機匣設計采用UG軟件進行三維建模，完成設計后，需要應用有限元軟件進行強度分析。根據分析結果找出載荷較大部位，然后加強局部結構后再進行有限元強度校核，直到滿足設計要求為止。機匣模型確定后，應用VERICUT軟件進行仿真加工，能夠大大加快設計及加工進度。

3.3 齒輪設計

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

航空齒輪的設計難點是保證承載能力的基礎上具有最小的重量和尺寸。齒輪的的尺寸由彎曲疲勞、表面接觸應力（赫茲應力）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和計算方法》和ANSI/AGMA 2003-C10《直齒錐齒輪、零度錐齒輪和螺旋錐齒輪抗點蝕能力和彎曲強度》。確定齒輪的尺寸是一個反復計算的過程，選定尺寸后，還需要對齒頂和齒厚修形，以達到均衡齒輪印痕、平衡輪齒強度、避免齒頂太薄等問題出現。

3.4 軸承設計

3.4.1 主傳動鏈軸承。主傳動鏈載荷大，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。對于有斜齒輪及螺旋錐齒輪的附件傳動，選用球軸承和滾子軸承混合使用。

3.4.3 軸承的潤滑。要在盡可能的地方對軸承通過旋轉軸、軸承內環與軸徑上的機加孔以噴油形式進行潤滑，不能滿足此要求時要使用外部滑油噴嘴對軸承進行潤滑。

4 試驗考核

AC313/GL主減速器為滿足研制、鑒定及適航取證的需要，必須對部分關鍵零部件、系統及整機進行試驗及測試。

4.1 零部件試驗

試驗的目的是驗證零部件的靜強度、疲勞強度，以及對零部件的使用壽命進行確定。因此，零部件試驗分為靜強度試驗及疲勞強度試驗。

4.2 整機試驗

包括靜力試驗、調整試驗、潤滑試驗、齒輪接觸印痕試驗、溫度場試驗、驗收試驗、飛行前臺架試驗、整機疲勞試驗、持久試驗、干運轉試驗、“鐵鳥”試驗、地面系留試驗等。

5 結束語

AC313主減速器采用了許多當前國際上先進的設計方法、設計理念以及航空材料，將為國內的直升機主減速設計提供借鑒經驗。

參考文獻

[1]航空發動機設計手冊第13冊減速器設計.航空工業出版社.

[2]飛機設計手冊第19冊直升機設計.航空工業出版社.