重型直升机主减速器的结构设计

摘要： 本文针对重型直升机主减速器结构的设计，提出设计要求和解决方案，为我国重型直升机制造和发展提供参考。

关键词： 重型直升机 主减速器 差动行星减速器

当今重型直升机越来越多地用于救灾、军事运输等任务，重型直升机是指起飞重量大于20吨的直升机。由于重型直升机运载能力大，有较快的飞行速度，且不需机场起降，是一个较好的空中平台和运载工具。而我国在这方面的技术研发几乎空白。重型直升机的主要技术难点在于涡轮轴发动机、重型减速器、大型宽翼型桨叶和桨毂的研制。其重型减速器的许用功率巨大（如：米-26为14710千瓦），重量又应尽可能小（一般为整机重量的1/7～1/9），且必须保证极高的瞬间过载能力、可靠性和使用寿命。通常重型直升机采用齿轮传动式主减速器，它的输入形式为2台甚至更多涡轮轴发动机多轴并车，可将高转速低扭矩的输入功率，经3～4级的齿轮减速50～150后，转换成低转速大扭矩由主旋翼的中心轴和尾桨传动轴输出。主减速器也是机体、旋翼和发动机连接的桥梁，因此它的箱体对刚度、强度要求极高，且不能影响内部齿轮的啮合性能。综上所述，笔者提出新型重型直升机主减速器结构的设计要求和解决方案如下。

1.设计要求

1.1减速器的原理与结构具有通用性，可根据不同功率的主机，按比例有规律地缩、放，设计出其衍生机型，降低后续机型的研发时间和费用，使设计一劳永逸。

1.2采用新材料、新技术，提高减速器的功率重量密度和功率体积密度，降低齿轮齿面的接触压强，提高高压油膜在齿面滑动接触的厚度和时间，降低磨损，减少发热，延长维护周期和使用寿命。

1.3采用鼓形齿，变位渐开线等新技术，提高精度和齿面强度，优化齿面的接触区域，降低对安装精度的要求，使齿轮在大功率运转时，保持良好的啮合特性。

1.4主减速器的终极采用差动行星减速，并在其行星架上加入均载机构，使各行星的受力情况趋于一致，从而更好地发挥出虚约束在传动合力上的增强作用。使承载能力大幅增加，而减速器的总重量几乎不变。

2.设计方案

主减速器是将两个涡轮轴发动机输出轴的高转速降至主旋翼所需的低转速，考虑到双机并车、主轴90度转向和尽量减轻重量等设计要求，本设计采用4级减速，减速比约100。

2.1初级为90度转向的准双曲面齿轮或者螺旋锥齿轮，主要目的是保证减速比在2～3的前提下，使涡轮轴发动机输出轴的旋转方向产生90度的转向，并使大锥齿轮的旋转方向与主旋翼的旋转方向一致。

2.2第二级和第三级采用圆柱齿轮与锥齿轮的末端与星型减速机构相连，目的在于小幅减速，以减低最大从动齿轮的外径，从而减轻重量。因为齿轮可以近似看做一个高径比很小的圆柱，在齿轮的材料一定，密度和齿宽相同的前提下，重量与直径的2次方成正比。又因为大齿轮的加工难度大，易变形，尤其是斜齿圆柱齿轮的轴向力作用，更易使齿轮产生平面度变形，严重影响精度，恶化轴承的工况。总之，初级宁可多加一级减速，以减少各级齿轮中最大齿轮的外径，也不用大齿轮单级减速。

2.3终级与主旋翼直接连接，是减速器中扭矩、强度、体积和重量最大的一级，虽然减速器的各级可以近似看成是恒功率的降速增扭，但各级的扭矩是决定尺寸、重量的关键因素。本设计选用终级差动行星减速器方案，其输出转速约每秒2～3.2圈，考虑到传动效率、减轻重量和高转速对行星架的影响，取10倍左右的减速比为宜，在输入转速为1200rpm～1920rpm的条件下，是完全可行的。差动行星减速器有如下几个优点：

2.3.1单级减速比大，约8～20，且不同的减速比，仅仅是双联圆柱齿轮的分度圆直径之差略有不同，整体形状和体积没有太大改变，故机壳通用性好。由于减速比和齿轮的绝对直径没有直接关系，可采用小的行星双联齿轮，以减轻重量。

2.3.2单位重量承载力大，差动行星减速的输入部件为行星架，其全部行星齿轮都安装在行星架半径的外端，为了更好地实现均匀啮合，本方案增设了均载机构，虽在重量上略有增加。但对行星架动力性益处极大，因为输出的扭矩是输入扭矩的N倍，N为减速比。差动行星减速比大，在输出扭矩一定的条件下，行星架所受力矩和强度大大降低了，原理性减轻了行星架的总重量。

2.3.3减轻了推力轴承的负担，由于外啮合式差动行星减速机构的输出端，为单一外齿轮-斜齿圆柱齿轮，且旋翼为单一旋转方向。利用这个特点，结合斜齿轮的啮合轴向力，可以部分抵消主旋翼的升力所产生的拉力，减轻主推力轴承的负担。其余负载会均匀地分布到行星架中的双联齿轮，使之产生互相分离的力量，而双联齿轮是一个整体零件，故上下大圆柱齿轮，轴向力可以抵消。减轻了推力轴承的负担。

3.加工工艺与

3.1双联的圆柱齿轮中小齿轮的工艺性较差，如果将大小齿轮的轴向距离适当拉长，问题则得到解决，否则小齿轮只能采用插齿工艺进行加工，而在热处理之后，因砂轮会干涉下面的大齿轮而无法实现精磨，故精度无法得到本质提高而影响承载力。

3.2各行星的双联齿轮，要求外形完全一致，且上下齿轮的某个齿的相位差也相同，确保全部行星在装配时实现圆周均布。这些是通过切齿和磨齿时一次装夹定位完成此精度。并在对应的齿上面打标记。大小齿轮均采用鼓形齿修型和新型的压力角负变位修型工艺，保证在大力承载时，齿面形状亦为标准的渐开线齿形。

3.3传统的行星减速器的内齿圈，由于定位要求难以得到满足，故在旋转时经常出现偏载和偏磨损等现象，且热处理后，变形和共轭磨齿等精加工问题难以解决，一般内齿圈多采用如38CrMoAl等渗氮钢制造，因为渗氮后变形较小，表面硬度较高，但这依然不能作为重型直升机主减速器的终极传动齿轮。因为渗氮的氮化层很薄，约为渗碳层厚度的十分之一甚至几十分之一，另外齿面一定要经过磨齿才能有效进行修型等精密加工，仅仅依靠插齿的精度，难以获得高品质的内齿轮。因此本行星减速器全部齿轮均采用外圆柱斜齿轮，具有加工工艺性好，精度易于通过齿面精磨而提高。同时由于其原理的差动性，也易于制造带有均载机构的行星架。

3.4减速器采用单独喷油的方式强制，使啮合的齿轮间产生类似齿轮泵“困油”的效果，在齿隙间将滑油挤出，增加油膜的厚度和作用时间，降低摩擦与温度。

4.结语

国外上世纪八十年代就可以生产重型直升机，而我国至今还不能。我国的飞机制造业相对落后，应抓住关键技术不断发展，努力发展自己的先进技术，缩短与发达国家之间的差距，力争早日实现从低端到高端的转变。实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变。

参考文献：

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