小型无人直升机行星减速器设计

摘 要：无人直升机因其具有独特的性能，有着广泛的应用市场。为了满足易加工、低成本、传动平稳、低噪音的设计要求，本文设计了一种小型无人直升机行星减速器，采用圆锥齿轮与行星减速机构组合设计。经过产品加工、地面和飞行试验，此减速器完全满足设计要求，很好地解决了传统无人直升机传动系统设计的各种难点。

关键词：无人直升机；行星减速器；使用效果

中图分类号：TH132 文献标识码：A

直升机是旋翼飞行器的一种，是以旋翼作为其主要升力来源的垂直起落机。由于直升机具有独特的飞行能力，是唯一能够抵达任何地形区域的运输工具。它的应用已日益广泛地遍及军事和民用的各个领域。随着生产力的发展和科学技术的进步，智能化技术成为当今这个信息化时代的主要特征。直升机也逐渐向智能化方向发展，无人直升机继承了传统直升机独特的垂直起落和空中悬停等飞行性能，以及其本身具备的低成本、零伤亡的优势已经成为了直升机领域的新星。

直升机减速器是传动系统的核心，其作用是将一台或多台发动机功率合并在一起并按需要分别传给主旋翼、尾桨和各个附件，以保证直升机正常工作，特点是传递功率大和减速比大。目前的无人直升机减速机构均采用圆弧锥齿轮和皮带传动等结构。圆弧齿轮接触和弯曲强度高、重合度大、尺寸小。皮带传动可以降低发动机振动对减速器的影响。但圆弧锥齿轮加工难度大，生产厂家少，导致生产周期长，成本高，不适合新产品的研制试验用。若采用一般的多级直齿轮传动，则为了满足大传动比和高安全系数的要求，齿轮必须设计成大模数、大尺寸，减速器重量必然增加。而皮带传动效率低，占用空间大，皮带使用寿命短，耐热性差，传动不平稳。

一、行星减速器总体方案

为了克服上述不足问题，本文提供一种新型无人直升机减速器。减速器为两级传动，第一级为一对圆锥直齿轮传动，结构简单，易加工，成本低。第二级为NGW型行星齿轮传动，传动比大、效率高、体积小。动力传递路线是：发动机输出轴与减速器输入轴通过联轴器连接，减速器功率向上通过旋翼轴输出到旋翼，向后通过尾传动轴输出到尾桨。

二、行星减速器设计原理

行星减速器的设计原理如图1所示。减速器输入端安装联轴器1，用于隔离发动机振动对减速器的影响，同时消除发动机与减速器之间的安装误差。根据总体供电要求，在输入轴2上安装一个发电机皮带轮3，将高输入转速传递到发电机中，结构简单实用。根据总体设计要求，发动机输出轴与尾传动轴同轴，所以减速器输入轴穿过减速器箱体，将转速向后传递到尾传动轴上，两端用相同规格的圆锥滚子轴承支撑，用相同的旋转唇型密封圈和端盖密封，这种对称结构便于加工、装配，缩短了设计、生产周期。由于减速器尺寸小，所以采用输入轴上安装甩油盘4用于齿轮，简单可靠。输入圆锥齿轮5安装到输入轴上，输出圆锥齿轮6与行星减速机构的太阳轮7之间通过太阳轮的齿轮联轴器连接，由于圆锥齿轮输出轴轴向固定，浮动的太阳轮偏转角度很小，会引起载荷沿齿宽方向分布不均匀，所以太阳轮轴设计较长。为了防止太阳轮沿垂向移动，齿轮联轴器处安装一个挡圈8。行星轮采用3个圆柱直齿轮9，中间通过销轴10与行星架11连接。齿圈12通过螺栓安装到箱体13上。行星轮带动行星架旋转，从而将发动机转速通过多级减速传到旋翼轴14上。

三、关键件强度计算

首先，对减速器输入圆锥齿轮和输出圆锥齿轮进行强度计算。

减速器输入功率为55kW，根据结构尺寸选择输入圆锥齿轮齿数z1=19，输出圆锥齿轮齿数z2=34，模滴m=5，齿宽中点螺旋角βm=30°。

根据《机械设计手册》，计算齿面接触疲劳强度为：

其次，对箱体进行有限元分析。

由于箱体结构复杂，所以采用Solid Works软件进行建模。再将箱体模型导入ANSYS Workbench软件进行网格化分和计算。经过分析计算箱体受最大应力为47.756MPa，发生在输入端口周围。为了缩短加工周期，降低生产成本，箱体选用铝合金6061加工而成。屈服变形0.2%时的强度为σp0.2=110MPa，可见计算结果满足承载要求。

经过计算其他零部件的强度均满足设计要求，为减速器的生产、试验提供了安全保证。

四、使用效果

为了减轻重量，箱体材料选用铝合金，既保证了传动系统的安全性，同时又减轻了结构重量。齿轮材料选用高强度合金结构钢，热处理后强度高、耐磨损。外购标准件品种少，购买容易。产品加工后安装到无人直升机上，经过长时间地面系留试验和飞行试验，工作时表现平稳，噪声小，安全可靠，完全满足了总体设计要求。

结论

随着机械工业的发展，设计和加工水平的不断进步，无人直升机传动系统设计方案也会千差万别，但宗旨不变，就是为了直升机总体提供一种安全、平稳、低成本、易加工的传动产品。本文的行星减速器采用圆锥齿轮与行星减速机构组合设计方案，很好地解决了传统无人直升机传动系统加工周期长、成本高、振动大等问题。为所应用的直升机市场推广提供了很好的技术支持。

参考文献

[1]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002.