直升機尾傳動軸柔性聯結盤及應用分析

中國民航飛行學院新津分院,四川 成都 611431

尾傳動軸將發動機扭轉力矩傳遞至尾槳槳葉，以平衡主旋翼的反作用力矩、保證直升機的航向操縱以及改善直升機的方向穩定性。大多數民用直升機尾傳動系統采用節段式傳動軸加柔性聯結盤的配置方案，以解決傳動跨度較大的問題。柔性聯結盤參與傳動軸傳遞發動機扭矩，同時，抵抗因氣動載荷而引發的彎曲變形和扭轉變形，使傳動軸的準直度保持在一個穩態的、可以接受的水平。本文通過對柔性連接盤的機械加工的晶粒方向、組合裝配、扭矩以及剪應力解析等層面進行綜合分析，并從實際機載應用方面提出一些建議。

1 晶粒方向

柔性聯結盤實際為一個組件，是由數個單片柔性鋼片按照各自的晶粒方向（分度平面）重疊組合而成。每一片柔性鋼片均為熱軋型鋼片，自由扭轉剛度較高，抗扭性能較好，并且可沿熱軋碾制設定金屬晶粒的方向延伸。鋼片的180°對應邊界機械加工出與晶粒方向一致的分度平面，圖1、2。其柔韌性主要是以晶粒方向為轉軸而表現彎曲[1]；表面經過硬化處理，以防止磨損損傷；同時，鋼片表面進行陽極化處理，以防止電化學腐蝕。

圖1 柔性鋼片的晶粒方向/分度平面Fig.1 Grain direction/indexing flats of the flexible sheet steel

圖2 柔性鋼片實圖（單片）Fig.2 A single flexible sheet steel

2 組合裝配

柔性聯結盤由數片柔性鋼片疊加組合而成，相鄰兩片的分度平面兩兩相錯90°，也即，晶粒方向是兩兩相錯90°，如圖3。這樣的裝配方式，使得柔性聯結盤既保持其整體剛性，又能具備一定的整體柔韌性。一是滿足尾傳動軸在高速轉動過程中進行及時有效的功率（扭矩）傳遞需要，二是允許在柔性聯結盤轉動時出現輕微形變[2]。這種輕微形變正是尾傳動軸高速轉動過程中抵抗或衰減因氣動載荷引發的彎曲變形和扭轉變形進行的角位移補償的表現形式。

圖3 柔性聯結盤組合后的機載安裝Fig.3.Assembly of flexible coupling disc

3 扭矩Mn 以及剪應力解析

直升機在飛行過程中的氣流擾動（顛簸氣流、風切變）以及著陸時的撞擊載荷通過機身結構傳遞尾傳動軸上，因此，尾傳動軸也將隨之承受這種振動而產生的交變載荷[3]。這種交變載荷可以作用在傳動軸任意一個截面上的任意一點，使轉動的軸心線偏離傳動軸的設計中軸線，導致傳動軸在該一截面的質量不平衡，產生較大的振動載荷，其振動效應呈數倍，甚至數十倍疊加，具有極大的危害性，嚴重影響飛行安全。以某型直升機為例。

尾傳動軸轉速為6016 RPM，假定距傳動軸中軸線3 cm 處出現1 g 質量不平衡。

離心力計算公式：F=m×r×ω2

其中F為離心力，m為偏離軸心的質量，r為距軸心的距離，ω為轉軸角速度。

經計算得出離心力F=11.89 kg，表明距軸心r處，1 g 質量所產生的離心力。在沒有任何消除或衰減這種偏離的裝置時，r值將會繼續增加，離心力F將被急劇“增益”放大，其后果是振動值也將急劇增加，扭矩增加，剪應力也隨之增加。這對于高速旋轉的尾傳動系統極具破壞性，很可能導致尾傳動系統結構性損傷。

為了將扭矩或由扭矩引起的剪應力衰減至一個可以接受的水平，在每一根節段軸的兩端安裝柔性聯結盤，由柔性聯結盤承受并衰減傳動軸扭矩和剪應力。

3.1 扭矩Mn 的界定

組合后的柔性聯結盤是具有一定厚度的薄壁筒，在柔性聯結盤任一截面n-n上的內力合成必定是一個力偶，這一內力偶為該截面的扭矩。如圖4。

m—作用在柔性聯結盤上的轉矩；

nn—柔性連接盤任一截面；

x—柔性連接盤中軸線；

Mn—在柔性聯結盤某截面的扭矩；

由平衡條件∑mx=0，得Mn=m。

3.2 柔性聯結盤橫截面剪應力

當Mn=m=0 時，柔性聯結盤為靜止狀態或理想勻速狀態，兩個截面e之間無扭角，剪應力為0。如圖5。

圖4 作用在柔性聯結盤上的轉矩Fig.4 Torque acting on flexible coupling discs

當Mn=m＞0 時，柔性聯結盤承為非靜止狀態或非理想勻速狀態，兩個截面e之間出現扭角φ，剪應力τ＞0。如圖6。

圖5 柔性聯結盤無扭角Fig.5 No torsion angle on flexible coupling disc

圖6 柔性聯結盤扭轉Fig.6 Torsion of flexible coupling disc

τ—剪應力；Mn—橫截面扭矩；r—橫截面半徑；t—截面處的壁厚度。

由剪應力公式得知：

①橫截面的剪應力與扭矩成正比；

②橫截面的剪應力與其半徑平方成反比；

③橫截面的剪應力與其管壁厚度成反比。

某一型號的發動機對應的機型，發動機功率為定值；從直升機結構設計上已考慮、設定了到遭受氣流擾動和著陸撞擊載荷的最大極限值[4]。在剪應力公式中，Mn可看著是一個在一定范圍內的隨機值，此條件下Mn看著是一個“常數”。因此，在柔性聯結盤的設計過程中，為了將減小剪應力τ設置在一個可接受的范圍內，可盡量通過增加柔性連接盤的半徑r和壁厚t，參閱圖3，以此可最大限度的降低或減小柔性聯結盤所承受的剪應力。

y—剪應變（弧度）；r—橫截面半徑；φ—扭角；l—橫截面長度。

由剪應變公式得知：

①橫截面的剪應變與半徑成正比；

②橫截面的剪應變與其扭角成正比；

③橫截面的剪應變與其截面長度成反比。

剪應變實際是扭轉變形量，以弧度度量，扭矩Mn越大，扭角φ越大，剪應變y越大。如果考慮到扭矩Mn以及扭角φ值是一個在一定范圍內的隨機值，半徑r已滿足剪應力設計要求，扭角φ和半徑r可以當作是“常數”值。因此，在柔性聯結盤的設計過程中，為了將剪應變設置在一個可接受的范圍內，應盡量通過增加柔性連接盤的厚度l，參閱圖3，以此最大限度的降低或減小柔性聯結盤所承受的剪應變。

3.3 角位移補償

柔性聯結盤任一截面角位移，如圖7。Δθ=θ2-θ1，其中Δθ角位移，θ1是初始角位置，θ2是最終的角位置，角位移是角位置的變化量。柔性聯結盤的扭轉補償值誤差被限定在角位移補償量范圍內，角位移在設計上界定了不可能無限增大，有限大的角位移不是矢量。

整個節段式傳動軸通過柔性聯結盤進行連結，柔性聯結盤所表現出的剛性使整個節段軸同步旋轉以保證傳遞發動機扭矩的需要。同時，其柔韌性抵抗或衰減因氣動載荷而引發的傳動軸彎曲變形和扭轉變形，在Δt時間內以Δθ角位移進行轉角補償，緩沖和衰減了整個節段式傳動軸的扭轉和振動，提高節段式傳動軸動態工作性能，將傳動軸的準直度保持在穩態的、可以接受的水平。

圖7 角位移補償Fig.7 Angular displacement compensation

4 柔性聯結盤的機載應用

4.1 保持柔性聯結盤剖面構型

在扭矩Mn的作用下，剖面上產生相應的剪流，剪流沿剖面周線的分布是一個常數，它與剖面周線的形狀無關，而與閉剖面周線所圍面積成反比。圓形剖面面積最大，所遭受的剪流最小。因此，在實際機載應用時，應注意檢查柔性聯結盤各截面保持設計制造時的構型，不能出現不可恢復的扭曲、彎曲以及變形，使得柔性聯結盤剖面構型面積減小[5]。如果出現這類情形，柔性聯結盤所能承受的剪流降低，能承受的剪應力也隨之降低，導致柔性聯結盤功能降低或失效，從而危及飛行安全。

4.2 保持柔性聯結盤邊緣線型完整

單閉剖面薄壁結構在純扭矩作用下，邊緣厚度最薄的地方它的強度最弱。因此，在實際機載應用時，應注意檢查柔性聯結盤的圓形邊緣線，必須保持設計制造時的完整和平滑，尤其不能出現因機械損傷或腐蝕損傷而引起的缺口或磨損。這類缺口或磨損使得圓盤邊緣線型不連續，薄壁結構厚度不均勻，形成局部薄壁厚度“最薄”，強度被弱化，在正常范圍扭矩值作用下，都可能導致柔性聯結盤性能降低或失效。

4.3 保持柔性聯結盤表面鍍層的完整

經過陽極化處理的表面，用以防止柔性連接盤的電化學腐蝕。隨機載時間增加，其表面鍍層可能會出現脫落情況，尤其是螺桿頭和螺帽區域，在拆卸安裝過程中容易造成鍍層脫落，導致電化學腐蝕幾率增加。而發生電化學腐蝕后，安裝孔徑附近區域的結構強度減弱，即或在遭遇正常的扭轉或剪應變時，沿腐蝕區域發生撕裂性裂紋且急劇擴展。如圖9。從圖9 中可以清楚地看到整個安裝孔附近區域已出現鍍層脫落，遭受到電化學腐蝕，首先發生腐蝕疲勞裂紋，繼而發展為撕裂性裂紋。

選取尾梁的前端面進行固定約束，對尾梁的總變形進行模態有限元求解。通過尾梁的一階模態云圖。如圖8，可以明顯地觀察到，在尾梁中部靠后區域彎曲和扭矩最大，所承受的剪應力也最大，這也是數次柔性聯結盤裂紋都發生在這一區域的原因所在。

圖8 一階模態云圖Fig.8 First order modal cloud

圖9 柔性聯結盤鋼片裂紋Fig.9 Cracks in flexible coupling sheet steel

對于不可恢復的彎曲、扭曲或邊緣線型不完整以及出現任何目視可見裂紋的柔性聯結盤組件都應被成套更換。

4.4 柔性聯結盤的可靠性優勢

柔性聯結盤是由數片柔性鋼片組合而成。如圖9，柔性聯結盤鋼片裂紋，僅屬于單片鋼片的失效，對于整個柔性聯結盤的功能影響有限，需及時檢查、及時更換即可，較其他類型的柔性聯結件具有較高的可靠性和安全裕度。