小型無(wú)人直升機(jī)行星減速器設(shè)計(jì)

蔣國(guó)春

摘 要：無(wú)人直升機(jī)因其具有獨(dú)特的性能，有著廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。為了滿(mǎn)足易加工、低成本、傳動(dòng)平穩(wěn)、低噪音的設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)了一種小型無(wú)人直升機(jī)行星減速器，采用圓錐齒輪與行星減速機(jī)構(gòu)組合設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)產(chǎn)品加工、地面和飛行試驗(yàn)，此減速器完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，很好地解決了傳統(tǒng)無(wú)人直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各種難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人直升機(jī)；行星減速器；使用效果

中圖分類(lèi)號(hào)：TH132 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

直升機(jī)是旋翼飛行器的一種，是以旋翼作為其主要升力來(lái)源的垂直起落機(jī)。由于直升機(jī)具有獨(dú)特的飛行能力，是唯一能夠抵達(dá)任何地形區(qū)域的運(yùn)輸工具。它的應(yīng)用已日益廣泛地遍及軍事和民用的各個(gè)領(lǐng)域。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，智能化技術(shù)成為當(dāng)今這個(gè)信息化時(shí)代的主要特征。直升機(jī)也逐漸向智能化方向發(fā)展，無(wú)人直升機(jī)繼承了傳統(tǒng)直升機(jī)獨(dú)特的垂直起落和空中懸停等飛行性能，以及其本身具備的低成本、零傷亡的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為了直升機(jī)領(lǐng)域的新星。

直升機(jī)減速器是傳動(dòng)系統(tǒng)的核心，其作用是將一臺(tái)或多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)功率合并在一起并按需要分別傳給主旋翼、尾槳和各個(gè)附件，以保證直升機(jī)正常工作，特點(diǎn)是傳遞功率大和減速比大。目前的無(wú)人直升機(jī)減速機(jī)構(gòu)均采用圓弧錐齒輪和皮帶傳動(dòng)等結(jié)構(gòu)。圓弧齒輪接觸和彎曲強(qiáng)度高、重合度大、尺寸小。皮帶傳動(dòng)可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)對(duì)減速器的影響。但圓弧錐齒輪加工難度大，生產(chǎn)廠家少，導(dǎo)致生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高，不適合新產(chǎn)品的研制試驗(yàn)用。若采用一般的多級(jí)直齒輪傳動(dòng)，則為了滿(mǎn)足大傳動(dòng)比和高安全系數(shù)的要求，齒輪必須設(shè)計(jì)成大模數(shù)、大尺寸，減速器重量必然增加。而皮帶傳動(dòng)效率低，占用空間大，皮帶使用壽命短，耐熱性差，傳動(dòng)不平穩(wěn)。

一、行星減速器總體方案

為了克服上述不足問(wèn)題，本文提供一種新型無(wú)人直升機(jī)減速器。減速器為兩級(jí)傳動(dòng)，第一級(jí)為一對(duì)圓錐直齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工，成本低。第二級(jí)為NGW型行星齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比大、效率高、體積小。動(dòng)力傳遞路線(xiàn)是：發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸與減速器輸入軸通過(guò)聯(lián)軸器連接，減速器功率向上通過(guò)旋翼軸輸出到旋翼，向后通過(guò)尾傳動(dòng)軸輸出到尾槳。

二、行星減速器設(shè)計(jì)原理

行星減速器的設(shè)計(jì)原理如圖1所示。減速器輸入端安裝聯(lián)軸器1，用于隔離發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)對(duì)減速器的影響，同時(shí)消除發(fā)動(dòng)機(jī)與減速器之間的安裝誤差。根據(jù)總體供電要求，在輸入軸2上安裝一個(gè)發(fā)電機(jī)皮帶輪3，將高輸入轉(zhuǎn)速傳遞到發(fā)電機(jī)中，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用。根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸與尾傳動(dòng)軸同軸，所以減速器輸入軸穿過(guò)減速器箱體，將轉(zhuǎn)速向后傳遞到尾傳動(dòng)軸上，兩端用相同規(guī)格的圓錐滾子軸承支撐，用相同的旋轉(zhuǎn)唇型密封圈和端蓋密封，這種對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)便于加工、裝配，縮短了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期。由于減速器尺寸小，所以采用輸入軸上安裝甩油盤(pán)4用于齒輪潤(rùn)滑，簡(jiǎn)單可靠。輸入圓錐齒輪5安裝到輸入軸上，輸出圓錐齒輪6與行星減速機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪7之間通過(guò)太陽(yáng)輪的齒輪聯(lián)軸器連接，由于圓錐齒輪輸出軸軸向固定，浮動(dòng)的太陽(yáng)輪偏轉(zhuǎn)角度很小，會(huì)引起載荷沿齒寬方向分布不均勻，所以太陽(yáng)輪軸設(shè)計(jì)較長(zhǎng)。為了防止太陽(yáng)輪沿垂向移動(dòng)，齒輪聯(lián)軸器處安裝一個(gè)擋圈8。行星輪采用3個(gè)圓柱直齒輪9，中間通過(guò)銷(xiāo)軸10與行星架11連接。齒圈12通過(guò)螺栓安裝到箱體13上。行星輪帶動(dòng)行星架旋轉(zhuǎn)，從而將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)多級(jí)減速傳到旋翼軸14上。

三、關(guān)鍵件強(qiáng)度計(jì)算

首先，對(duì)減速器輸入圓錐齒輪和輸出圓錐齒輪進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

減速器輸入功率為55kW，根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸選擇輸入圓錐齒輪齒數(shù)z1=19，輸出圓錐齒輪齒數(shù)z2=34，模數(shù)為m=5，齒寬中點(diǎn)螺旋角βm=30°。

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，計(jì)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度為：

其次，對(duì)箱體進(jìn)行有限元分析。

由于箱體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以采用Solid Works軟件進(jìn)行建模。再將箱體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件進(jìn)行網(wǎng)格化分和計(jì)算。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算箱體受最大應(yīng)力為47.756MPa，發(fā)生在輸入端口周?chē)?。為了縮短加工周期，降低生產(chǎn)成本，箱體選用鋁合金6061加工而成。屈服變形0.2%時(shí)的強(qiáng)度為σp0.2=110MPa，可見(jiàn)計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足承載要求。

經(jīng)過(guò)計(jì)算其他零部件的強(qiáng)度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，為減速器的生產(chǎn)、試驗(yàn)提供了安全保證。

四、使用效果

為了減輕重量，箱體材料選用鋁合金，既保證了傳動(dòng)系統(tǒng)的安全性，同時(shí)又減輕了結(jié)構(gòu)重量。齒輪材料選用高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼，熱處理后強(qiáng)度高、耐磨損。外購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件品種少，購(gòu)買(mǎi)容易。產(chǎn)品加工后安裝到無(wú)人直升機(jī)上，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間地面系留試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)，工作時(shí)表現(xiàn)平穩(wěn)，噪聲小，安全可靠，完全滿(mǎn)足了總體設(shè)計(jì)要求。

結(jié)論

隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，設(shè)計(jì)和加工水平的不斷進(jìn)步，無(wú)人直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案也會(huì)千差萬(wàn)別，但宗旨不變，就是為了直升機(jī)總體提供一種安全、平穩(wěn)、低成本、易加工的傳動(dòng)產(chǎn)品。本文的行星減速器采用圓錐齒輪與行星減速機(jī)構(gòu)組合設(shè)計(jì)方案，很好地解決了傳統(tǒng)無(wú)人直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)加工周期長(zhǎng)、成本高、振動(dòng)大等問(wèn)題。為所應(yīng)用的直升機(jī)市場(chǎng)推廣提供了很好的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.