直升機傳動系統(tǒng)面齒輪傳動技術(shù)的發(fā)展

隨著直升機對傳動系統(tǒng)質(zhì)量、體積、噪聲、效率、承載能力和可靠性要求的不斷提高，具有動力分流效果好、質(zhì)量輕、體積小、噪聲低、效率高、承載能力強和可靠性高的面齒輪傳動技術(shù)被越來越多地應(yīng)用到傳動系統(tǒng)中。

直升機傳動系統(tǒng)主要由主減速器、中間減速器、尾減速器、傳動軸等組成，功用是將發(fā)動機的功率按一定的比例傳送至主旋翼、尾槳和各附件，同時承受發(fā)動機、主旋翼和尾槳的復(fù)雜載荷。直升機性能在很大程度上取決于傳動系統(tǒng)的性能。隨著新構(gòu)型、新部件、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，面齒輪傳動將得到廣泛應(yīng)用。

面齒輪傳動技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

航空齒輪對傳遞功率、齒輪精度和表面粗糙度等都有很高的要求，研發(fā)制造高精密和高傳動性能的面齒輪是面齒輪研究課題的重中之重，也是面齒輪研究工作的發(fā)展趨勢。

美國波音公司、伊利諾伊大學(xué)、美國國家航空航天局（NASA）格倫研究中心、美國空軍研究實驗室、格里森公司和加拿大北星公司，從不同角度對面齒輪進行了大量研究，其主要的研究內(nèi)容包括面齒輪傳動的嚙合原理、載荷分析、有限元強度計算、精粗加工以及超精加工工藝方法及其設(shè)備、載荷分流試驗以及直升機傳動系統(tǒng)樣機試驗、疲勞試驗等各方面。

在面齒輪設(shè)計方法理論研究方面，伊利諾伊大學(xué)的利特溫教授自20世紀90年代開始，在白金漢和布盧姆菲爾德對面齒輪嚙合研究的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了面齒輪的嚙合原理,從嚙合幾何學(xué)原理上分析了根切和齒頂變尖的條件,采用有限元的方法研究了面齒輪的接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，研究了面齒輪的修形技術(shù)，開發(fā)了基于Matlab的面齒輪接觸分析（TCA）程序，同時發(fā)展了點接觸面齒輪,為將面齒輪應(yīng)用于高速、重載傳動打下了基礎(chǔ)。

1988年，美國軍方與 NASA 聯(lián)合進行的先進旋翼傳動系統(tǒng)研究（ART）計劃中，對面齒輪傳動進行了設(shè)計制造研究，并應(yīng)用在新型直升機主減速器傳動裝置的分流傳動結(jié)構(gòu)中，這種帶有面齒輪分流結(jié)構(gòu)的直升機主減速器，其質(zhì)量較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)下降了40%，且動力分流效果好、振動小、噪聲低，取得了很好的效果。

1993年，在 ART 項目結(jié)束后，美國國防預(yù)先研究計劃局（DARPA）在技術(shù)再投資計劃（TRP）中繼續(xù)支持對面齒輪傳動技術(shù)的研究，其主要研究背景是把面齒輪傳動技術(shù)應(yīng)用于新一代阿帕奇武裝直升機中，其研究內(nèi)容包括各類面齒輪傳動的齒接觸分析，滲碳磨削面齒輪的制造與試驗研究。阿帕奇直升機是美國陸軍航空兵的主力裝備，其攻擊能力和威懾力很強，多次在局部戰(zhàn)爭（如海灣戰(zhàn)爭）中大發(fā)神威，同時還具有很強的戰(zhàn)場生存能力，在惡劣氣象條件下可晝夜作戰(zhàn)，是一款具有極強的戰(zhàn)斗、救生和生存能力的先進技術(shù)直升機。阿帕奇直升機擁有非常先進的傳動系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)在無潤滑條件下（干運轉(zhuǎn)能力）可工作1h，其關(guān)鍵傳動部位在被12.7mm或23mm子彈擊中后可堅持工作1h。經(jīng)實戰(zhàn)證明，阿帕奇直升機傳動系統(tǒng)具有很多突出的優(yōu)點，包括：尺寸較小，滿足機身狹窄的要求；質(zhì)量較輕，主減速器質(zhì)量在420kg左右；易損性較低，在以12.8m/s的撞擊速度墜落時，機上人員仍可生存；翻修間隔期達到4500h以上；傳動系統(tǒng)的可靠性、維護性和可達性都很好。

西歐的一些發(fā)達國家把面齒輪傳動稱為“21世紀旋翼機傳動的希望”，陸續(xù)開展研究，英國、法國、德國和意大利一起推出了面齒輪技術(shù)（FACET）研究計劃，F(xiàn)ACET研究計劃中的正交面齒輪插齒加工仿真和磨齒原理研究計劃由意大利阿古斯特公司從1998 年開始進行,主要研究面齒輪在航空傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用,內(nèi)容包括面齒輪傳動的結(jié)構(gòu)設(shè)計、初步理論研究、全尺寸試驗研究和設(shè)計改進等。FACET研究計劃完成了斜齒面齒輪的接觸分析、加載嚙合分析及加載試驗驗證；開發(fā)的甘道夫軟件能快速、高精度地計算出面齒輪在分布載荷作用下的接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。

在面齒輪制造機床方面，目前最重要的進展是美國波音公司與加拿大的北星公司協(xié)作研制的面齒輪5軸磨床。該磨齒機能夠磨削不同錐角、尺寸范圍較大、滿足航空使用要求的面齒輪，可生產(chǎn)出精度達AGMA12級的面齒輪和小齒輪，面齒輪的外半徑尺寸為200～500mm，2080kW的分扭傳動驗證機也已經(jīng)研制成功。此外，格里森公司研發(fā)了采用柔性化的、可插入刀條的刀具在鳳凰錐齒輪機床上粗切、磨削面齒輪的加工技術(shù)，并將這種加工方法稱為單面磨齒成形方法，由此展成的齒面與傳統(tǒng)方法展成的理論齒面存在一定的偏差，但偏差在可控范圍內(nèi)。在日本，面齒輪也已成功應(yīng)用于旋翼機的樣機試驗。

面齒輪在直升機傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用

根據(jù)美國國家航空航天局（NASA）的報告，帶有面齒輪分流結(jié)構(gòu)的直升機主減速器，其質(zhì)量較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)下降了40%，且動力分流效果好、振動小、噪聲低。美國阿帕奇直升機的主減速器采用面齒輪傳動裝置。

針對直升機的傳動系統(tǒng)而言，質(zhì)量輕、體積小、噪聲低、效率高、承載能力大和高可靠性是其主要性能要求，在阿帕奇直升機出現(xiàn)前，螺旋錐齒輪是直升機傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵零件。隨著阿帕奇直升機的研制成功，其機上傳動系統(tǒng)的主要零件面齒輪成為直升機傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵零件。

面齒輪傳動相比螺旋錐齒輪傳動，具有以下幾方面主要優(yōu)點。

第一，小齒輪為漸開線圓柱齒輪，其軸向位置誤差對傳動性能幾乎沒有影響，其他方向（如徑向）誤差的影響也較小，無須防位錯設(shè)計；而在普通錐齒輪傳動中，兩錐齒輪的錐頂要重合，軸向誤差將會引起嚴重的偏載現(xiàn)象。對航空螺旋錐齒輪傳動還要專門進行防位錯（即防止錐頂分離）設(shè)計。因此，面齒輪傳動機構(gòu)的安裝時間大大減小，僅需要調(diào)節(jié)面齒輪的軸向位置。

第二，面齒輪傳動比普通的錐齒輪傳動具有更大的重合度。其重合度在空載下一般可達到 1.6～1.8，理論上重合度可以高達 2 以上，在受載時會更高。重合度大對提高承載能力和增加傳動的平穩(wěn)性相當(dāng)重要。

第三，小齒輪為直齒圓柱齒輪時，小齒輪上無軸向力作用。這可以簡化支承，減輕質(zhì)量，相應(yīng)地也就增加了承載能力。這對于空間受到限制和質(zhì)量要求輕的場合是極為有用的。

第四，小齒輪為漸開線齒輪，根據(jù)漸開線的性質(zhì)可知，同時嚙合齒對的公法線相同，且在不同的瞬間也不改變，這對于動力傳動極為有利。

第五，對于點接觸面齒輪傳動，在理論上仍然能保證定傳動比傳動。而常用的點接觸錐齒輪傳動從原理上已不能保證定傳動比傳動，其傳動比是在一定范圍內(nèi)波動的。因此，面齒輪傳動的振動小、噪聲低。

根據(jù)NASA報告提供的數(shù)據(jù)可知，面齒輪的使用加上系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，使阿帕奇直升機主減速器的質(zhì)量減輕了40%。對直升機來講，減輕質(zhì)量能使飛行更靈活、攜帶的武器彈藥更多。

結(jié)束語

由于面齒輪傳動在阿帕奇直升機上應(yīng)用的巨大成功以及對直升機的重要作用，面齒輪設(shè)計與制造工藝關(guān)鍵技術(shù)被嚴格封鎖，面齒輪精密制造機床（面齒輪磨齒機）也對我國禁運。目前，我國還未研制出能直接應(yīng)用于航空領(lǐng)域的高精度面齒輪傳動件，嚴重制約我國相關(guān)裝備的發(fā)展，因此要加大力度開展面齒輪傳動的研究工作。