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    無人直升機多功能離合器設(shè)計與試驗

    2017-04-19 06:19:59孫榮哲大連浦州航空科技有限公司
    傳動技術(shù) 2017年1期
    關(guān)鍵詞:外環(huán)內(nèi)環(huán)旋翼

    孫榮哲大連浦州航空科技有限公司

    無人直升機多功能離合器設(shè)計與試驗

    孫榮哲
    大連浦州航空科技有限公司

    針對小型無人直升機傳動系統(tǒng)的動力傳遞與斷開要求,設(shè)計了一種具有超越功能的離心式離合器。與原發(fā)動機附帶離合器相比,該離合器結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、重量輕、具有單向傳動功能(超越功能)等優(yōu)點。

    離心離合器 超越

    0 引言

    由于活塞發(fā)動機具有耗油率低、起動方便、加速性好、技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于小型無人機。為保證發(fā)動機在低負載工況下啟動,多在發(fā)動機動力輸出端安裝啟動離合器。當(dāng)發(fā)動機啟動后,啟動離合器按整機要求接合離合器,傳遞轉(zhuǎn)矩。為增加飛機安全性,直升機多在傳動系統(tǒng)中安裝超越離合器,其目的是當(dāng)發(fā)動機在高空發(fā)生故障突然停車時斷開傳動,旋翼不必驅(qū)動已經(jīng)熄火的發(fā)動機,直升機可以依靠旋翼系統(tǒng)的慣性自轉(zhuǎn)下滑著陸,減少傷亡和損失。

    啟動離合器以離心式離合器居多,其常用機構(gòu)如圖1所示。內(nèi)環(huán)裝在發(fā)動機輸出主軸上,與發(fā)動機主軸同步轉(zhuǎn)動。離合塊被彈簧緊壓在內(nèi)環(huán)上,可以沿圓柱銷徑向滑動,依靠圓柱銷傳遞轉(zhuǎn)矩。當(dāng)發(fā)動機啟動和怠速時,轉(zhuǎn)速較低,摩擦塊離心力小于彈簧的向心合力,摩擦塊上蹄片與外環(huán)完全分離。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐漸提高,離合塊的離心力逐漸增大,當(dāng)離心力大于彈簧力時,離合塊沿圓柱銷向外移動與外環(huán)接觸,開始傳遞轉(zhuǎn)矩。當(dāng)離合塊與外環(huán)之間的摩擦力(離心力與彈簧向心合力差乘以摩擦系數(shù))乘以外環(huán)的半徑得到的轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動機輸出扭矩時,離合器完全接合。在額定工作轉(zhuǎn)速下應(yīng)保證離合器最大轉(zhuǎn)矩傳遞能力大于發(fā)動機轉(zhuǎn)矩,安全系數(shù)取n>1.5,防止離合器打滑。

    ① 內(nèi)環(huán) Inner ring;② 離合塊 Centrifugal block;③ 圓柱銷 Cylindrical pin;④ 彈簧 Spring;⑤ 蹄片 Shoe;⑥ 外環(huán) Outer ring

    直升機上使用的超越離合器以楔塊式為主,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。楔塊為實現(xiàn)超越功能的主要零件,其原理見圖3所示。以內(nèi)環(huán)主動順時針旋轉(zhuǎn)為例,當(dāng)內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速大于外環(huán)轉(zhuǎn)速時,楔塊在彈簧力,摩擦力的作用下楔緊內(nèi)外環(huán)并自鎖,離合器為接合狀態(tài)。當(dāng)內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速小于外環(huán)轉(zhuǎn)速,楔塊在摩擦力的作用下克服彈簧力,內(nèi)外環(huán)脫離,離合器為超越狀態(tài),不能傳動轉(zhuǎn)矩。

    ① 外環(huán) Outer ring;② 內(nèi)環(huán) Inner ring;③ 楔塊 Wedge;④ 擋銷 Stop pin;⑤ 彈簧 Spring

    直升機同時使用了以上兩種離合器來實現(xiàn)不同工況下動力傳動的接合與脫離要求。兩種離合器的結(jié)構(gòu)也比較相近,都使用了內(nèi)環(huán)與外環(huán),內(nèi)外環(huán)之間為功能元件。由此而產(chǎn)生一個設(shè)計課題:能否使用一種離合器同時得到兩種功能,達到減少重量,簡化結(jié)構(gòu)的目的?

    本文闡述了一種離合器的設(shè)計方法,在離心式離合器的基礎(chǔ)上增加了連桿機構(gòu),利用壓力角原理實現(xiàn)正反向力矩差,實現(xiàn)超越功能。

    1 指標(biāo)要求

    根據(jù)某小型直升機總體設(shè)計要求,離合器要求如下:

    離合器重量:<3 kg;

    發(fā)動機怠速:1900~2100 r/min,此范圍內(nèi)離合器完全脫離;

    過渡接合轉(zhuǎn)速:2200~3000 r/min,此范圍內(nèi)離合器逐漸嚙合,要求過渡平穩(wěn);

    額定工作轉(zhuǎn)速:5500 r/min,此時離合器工作儲備系數(shù)1.7~2.2;

    超越狀態(tài)轉(zhuǎn)矩:<5 kNm。

    2 設(shè)計原理與結(jié)構(gòu)

    如圖4所示,利用壓力角的正向增矩與反向卸載原理,正常工作狀態(tài)與發(fā)動機突然停車狀態(tài)的Ft(外環(huán)對離合器塊的摩擦力)方向相反,造成離合器塊與外環(huán)間的壓力不同,導(dǎo)致離合器塊與外環(huán)間的最大摩擦力不同。

    圖中及公式中符號含義為:Fr離合塊離心力;Fs彈簧合力;Fp外環(huán)對離合器塊的正壓力;Ft外環(huán)對離合器塊的摩擦力;Fl連接板拉力(或推力);α壓力角;R離合器半徑;f摩擦系數(shù);M正向最大轉(zhuǎn)矩;M’反向最大轉(zhuǎn)矩。

    當(dāng)發(fā)動機正常工作驅(qū)動負載時,最大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)力平衡方程為

    Fp+Fs-Fr-Fl×sinα=0

    M=Ft×R=Fp×f×R

    Ft=Fl×cosα

    (1)

    當(dāng)發(fā)動機突然熄火,被動旋轉(zhuǎn)時,F(xiàn)t與Fl反向,此時力平衡方程為:

    Fp+Fs-Fr+Fl×sinα=0

    (2)

    由(1)、(2)式可以得到結(jié)論:只要tanα足夠大就可以得到足夠大的M和足夠小的M’。在額定轉(zhuǎn)速下,當(dāng)發(fā)動機突然熄火時,旋翼等元件在慣性力的驅(qū)動下繼續(xù)旋轉(zhuǎn),驅(qū)動發(fā)動機。一旦離合器的反向驅(qū)動轉(zhuǎn)矩M’小于發(fā)動機固有的被動轉(zhuǎn)矩,離合器將發(fā)生滑動,發(fā)動機轉(zhuǎn)速將會迅速降低,而離合塊的離心力與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的二次方成正比(Fr=ω2r),從而導(dǎo)致M’的進一步降低,離合器將徹底分離。

    離合器結(jié)構(gòu)圖Structureofthemulti-functionclutch正常工作狀態(tài)離合塊受力分析圖Forceanalysisofcentrifugalblockatnormalstate發(fā)動機突然停車時離合塊受力分析圖Forceanalysisofcentrifugalblockwhenenginglost

    3 具體參數(shù)計算選定

    已知:發(fā)動機轉(zhuǎn)矩曲線及反向驅(qū)動時的轉(zhuǎn)矩,如圖5所示,額定轉(zhuǎn)速(5500 r/min)下發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩為68 Nm,反向驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為65.5 Nm,取工作儲備系數(shù)為1.88(同原離合器)。得:M=127.84 Nm,M’=65 Nm。再將(1)式與(2)式相除可得:

    離合器半徑:R=45 mm

    離合塊質(zhì)量:m=0.178 kg

    離合塊質(zhì)心半徑:r=34 mm

    彈簧合力Fs=430 N;

    單個彈簧預(yù)緊力Fs1=248 N。

    利用MATLAB函數(shù)計算和繪圖功能將發(fā)動機轉(zhuǎn)矩曲線、發(fā)動機被動轉(zhuǎn)矩曲線、原離合器轉(zhuǎn)矩曲線以及本設(shè)計離合器正向與反向轉(zhuǎn)矩曲線繪制成圖5。從圖5上我們可以看出新設(shè)計的離合器正常工作狀態(tài)與原離合器基本一致,曲線基本重合。而發(fā)動機突然停車時,旋翼等慣性部件反向驅(qū)動發(fā)動機,這時離合器可傳遞轉(zhuǎn)矩小于發(fā)動機被動轉(zhuǎn)矩。從而導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速降低,離合器完全脫離。

    圖5

    4 產(chǎn)品試驗驗證

    按計算結(jié)果設(shè)計離合器,結(jié)構(gòu)如圖4所示。試制產(chǎn)品安裝于無人直升機。發(fā)現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速下發(fā)動機突然停車時,實測離合器脫離轉(zhuǎn)速為5400 r/min,與理論計算(立即脫離)不符,懷疑其原因為摩擦系數(shù)偏小。通過調(diào)整連扳長度(見圖4)調(diào)節(jié)壓力角為53度,調(diào)節(jié)后裝機試驗,實測數(shù)據(jù)繪制工作過程轉(zhuǎn)速圖并與原離合器比較如圖6、圖7、圖8所示。

    圖6 正常工作過程轉(zhuǎn)速曲線(原離合器)

    圖7 發(fā)動機突然停車轉(zhuǎn)速圖(原離合器)

    圖8 發(fā)動機突然停車轉(zhuǎn)速圖(自研離合器)

    圖6所示為安裝原離心離合器,未安裝超越時,發(fā)動機正常工作一個任務(wù)循環(huán)轉(zhuǎn)速實測數(shù)據(jù)曲線。發(fā)動機怠速2600 r/min,此時離合器外環(huán)不轉(zhuǎn)。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2800 r/min時,離合器外殼轉(zhuǎn)速逐漸提高(斜線向上)直至轉(zhuǎn)速一致,完全接合。正常飛行段曲線完全重合,說明離合器接合可靠,沒有打滑現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐漸下降時,兩曲線保持重

    合。在3200 r/min轉(zhuǎn)速時,應(yīng)為發(fā)動機被人為設(shè)定怠速,所以曲線出現(xiàn)拐點,發(fā)動機與離合器外環(huán)轉(zhuǎn)速急劇下降,下降至2800 r/min時離心離合器脫離,離合器外環(huán)被旋翼及傳動系統(tǒng)的慣性驅(qū)動逐漸自由降速;發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速降至怠速2400 r/min(熱車怠速比剛啟動時稍低),然后被停車。

    圖7所示為安裝原離心離合器,未安裝超越時,發(fā)動機在額定轉(zhuǎn)速時突然停車時的轉(zhuǎn)速實測數(shù)據(jù)曲線。曲線前半段基本與圖6相同,飛機工作正常。在飛機運行300秒時發(fā)動機突然停車。發(fā)動機與離合器外環(huán)轉(zhuǎn)速急劇下降,下降至2800 r/min時離心離合器脫離,離合器外環(huán)被旋翼及傳動系統(tǒng)的慣性驅(qū)動逐漸自由降速;發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速降至0。

    圖8所示為安裝自研的具有超越功能的離合器,發(fā)動機在額定轉(zhuǎn)速時突然停車時的轉(zhuǎn)速實測數(shù)據(jù)曲線。曲線前半段基本與圖6、圖7相同,飛機工作正常。在飛機運行285秒時發(fā)動機突然停車。離合器內(nèi)外環(huán)迅速脫離,離合器外環(huán)被旋翼及傳動系統(tǒng)的慣性驅(qū)動逐漸自由降速;發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速降至0。

    結(jié)論:該離合器在發(fā)動機正常工作時,具備了離心式離合器的功能,保證發(fā)動機的正常啟動以及額定工作轉(zhuǎn)速時的飛行可靠。在發(fā)動機突然故障停車時,該離合器能夠迅速脫離,使旋翼處于自由狀態(tài),以保證直升機自轉(zhuǎn)著陸要求。

    自研離合器最終參數(shù)如下:

    離合器重量:1.2 kg;比原離心離合器輕0.42 kg;

    發(fā)動機怠速時離合器完全脫離;

    過渡嚙合轉(zhuǎn)速:2500~2800 r/min,過渡平穩(wěn);

    額定工作轉(zhuǎn)速:5500 r/min,此時離合器工作儲備系數(shù)1.79;

    超越扭矩:0 Nm

    (完全脫離)。

    自研離合器完全達到設(shè)計指標(biāo)要求,滿足整機要求。

    [1] 《機械設(shè)計手冊》第二卷,主編 成大先?;瘜W(xué)工業(yè)出版社,2002.

    [2] 《CFL楔塊超越離合器結(jié)構(gòu)及應(yīng)用》朱春梅,孔煒。起重運輸機械,2005.

    Multi-function clutch design and test of unmanned helicopter

    SunRongzhe
    PANWOOAviationTechnologyCo.,Ltd

    In order to meet the demand of the Transmission System of Helicopter, I designed a multi-function clutch. The clutch have the function of centrifugal clutch and overrunning clutch. Compared with original clutch which is a accessory of engine, The clutch has following advantage of simple structure, steady performance, light-weight and multi-function.

    centrifugal clutch overrunning

    1006-8244(2017)01-028-04

    孫榮哲,大連浦州航空科技有限公司,

    V233.1+2

    B

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