面齒輪在直升機(jī)傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用前景分析

姚 燦

(海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局駐長沙地區(qū)軍事代表室，湖南 株洲 412002)

0 引言

面齒輪傳動是圓柱齒輪與平面齒輪嚙合的角度傳動，可用于兩齒輪軸線正交、非正交或偏置等不同傳動方式，如圖1所示[1]。目前的角度傳動主要是采用錐齒輪，然而錐齒輪傳動需要根據(jù)齒面接觸區(qū)的情況精確調(diào)整錐齒輪的位置，尤其是弧齒錐齒輪，對安裝精度的要求非常嚴(yán)格，調(diào)試十分費(fèi)時費(fèi)力。面齒輪相對于錐齒輪的最大優(yōu)點(diǎn)在于與其嚙合的主動圓柱齒輪軸向位置安裝精度要求低，不需要對主動齒輪進(jìn)行精確的定位。這在傳動精度要求較高時是非常有利的，特別是在航空輕型傳動中，雖然輕薄的齒輪箱殼體產(chǎn)生的較大的變形會而起小齒輪的移位，但對面齒輪齒面接觸區(qū)的影響并不大。另外，相對于錐齒輪傳動來講，面齒輪傳動還具有以下優(yōu)點(diǎn)：單級傳動比大，可達(dá)到20：1；軸交角可以自由選擇；采用直齒圓柱輪的主動齒輪沒有軸向力，可以減輕軸承負(fù)荷；結(jié)構(gòu)緊湊，可減輕齒輪箱的重量；面齒輪功率分流傳動應(yīng)用在航空動力傳輸系統(tǒng)中，可以簡化動力傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高可靠性，獲得高功率密度。

1 面齒輪傳動技術(shù)研究進(jìn)展

面齒輪傳動較早見于Earl Bucking-ham的著作《Analytical Mechanics of Gears》，在該文獻(xiàn)中對面齒輪機(jī)構(gòu)作了簡單的幾何描述，對面齒輪齒形與承載能力做了近似計(jì)算[2]。此后40年對面齒輪傳動的理論研究一直沒有展開，僅有少量關(guān)于面齒輪的研究文獻(xiàn)出現(xiàn)。人們長期以來一直認(rèn)為面齒輪傳動只能應(yīng)用于低速、輕載的場合，直到20世紀(jì)90年代初，由于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)作用，面齒輪傳動在直升機(jī)分流/匯流傳動中得到了成功的應(yīng)用，其獨(dú)特的分流特性才引起世人的關(guān)注。至此，世界各國尤其是北美和西歐等先進(jìn)工業(yè)國家逐步加大了面齒輪傳動的研究力度，并先后進(jìn)行了面齒輪嚙合理論和面齒輪加工等方面的研究.

1.1 面齒輪理論研究

美國Litvin教授對面齒輪傳動的嚙合作了深入研究：根據(jù)幾何學(xué)嚙合原理解決了根切和齒頂變尖的計(jì)算問題，由接觸區(qū)域的局部綜合理論發(fā)展了點(diǎn)接觸面齒輪，這兩方面在后來的研究中得到了進(jìn)一步的發(fā)展；分析了由漸開線圓柱插刀展成面齒輪時齒面的結(jié)構(gòu)問題；研究了裝配誤差對接觸路徑和傳動誤差的影響情況；對兩齒面嚙合接觸進(jìn)行了幾何仿真分析TCA(Tooth Contact Analysis)；應(yīng)用有限元和承載接觸分析LTCA(Loaded Tooth Contact Analysis)技術(shù)對輪齒強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算[3-7]，如圖2所示。

Michele GuingaIId和Litvin等人也對面齒輪的各種嚙合情況進(jìn)行了初步的應(yīng)力和扭力分析[8]，考慮了直齒和斜齒面齒輪傳動裝置不同軸交角和交錯角、各種加工誤差和安裝誤差的情況；編寫了面齒輪瞬間嚙合仿真程序，得到一種快速計(jì)算載荷分配的方法，包括彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力。

圖2 面齒輪理論研究

1992年，美國陸軍航空系統(tǒng)司令部的R.Handschuh等對面齒輪傳動應(yīng)用于高速(19100r/min)、重載(271kW)的可行性進(jìn)行了1：2縮比試驗(yàn)研究。隨后，Litvin等和麥道直升機(jī)公司[9]對面齒輪傳動的輪齒極限半徑、邊緣接觸、重合度、傳動誤差和分扭傳動系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，得出了一種避免邊緣接觸的方案。

在Litvin等人對面齒輪傳動幾何設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)上，R.Handschuh等人開展了面齒輪應(yīng)用于高速重載的可行性試驗(yàn)[10]。試驗(yàn)分兩部分，第一部分由某機(jī)構(gòu)主導(dǎo)，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為19000r/min，功率分別為135kW和270kW(為實(shí)際使用的1/8和1/4)，試驗(yàn)件尺寸是實(shí)際結(jié)構(gòu)的1/2，共用了4對齒輪試驗(yàn)(其中兩對是陪試)，如圖3所示。試驗(yàn)齒輪的齒面接觸情況良好，接觸分布在整個齒面上，而陪試齒輪的齒面中部有一定程度的點(diǎn)蝕出現(xiàn)。第二部分試驗(yàn)是在Lucas Western進(jìn)行的，主要進(jìn)行了功率分流的精度和動力學(xué)方面的試驗(yàn)。試驗(yàn)表明轉(zhuǎn)速在第一階固有頻率附近工作時，并沒有出現(xiàn)共振現(xiàn)象，也即兩面齒輪與圓柱齒輪的浮動能有效地抑制共振發(fā)生。這些試驗(yàn)都取得了初步成功，證明了面齒輪傳動用于高速大功率傳動是可行的，且動力學(xué)性能和功率分流的精度都相當(dāng)出色。

1.2 面齒輪加工研究

Litvin最先發(fā)明了磨削面齒輪的蝸桿砂輪[4,11]，并獲得了美國專利?；谖仐U砂輪、插齒刀產(chǎn)形齒輪和面齒輪三者同時嚙合的原理來修整砂輪，采用了兩種修整工具。其一是采用盤狀平面式修整工具修整砂輪，如圖4(a)所示；另外一種是采用與齒輪刀具的母面互補(bǔ)的實(shí)體作為修整工具，如圖4(b)所示。這種方法的局限性在于蝸桿曲面受奇異性影響，砂輪直徑和寬度受到限制，而且模擬的齒輪螺旋角不宜過大。

圖3 NASA主導(dǎo)的面齒輪傳動試驗(yàn)

圖4 蝸桿砂輪磨齒及蝸桿砂輪修整方法示意圖

Augustinus F. H.等人發(fā)明了一種磨齒加工方法[12]，其獨(dú)特之處在于所使用的砂輪修整工具形狀為面齒輪的幾個輪齒，材料為金剛石，如圖5所示。修整工具安裝在磨齒機(jī)的工件主軸上與蝸桿砂輪做展成運(yùn)動后砂輪就具有了正確的齒面，再用砂輪磨削待加工的面齒輪。該方法中砂輪修整工具不需要單獨(dú)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，缺點(diǎn)是需要經(jīng)常拆卸修整工具和工件。目前這種方法和技術(shù)沒有得到工程應(yīng)用和推廣。

圖5 齒輪式修整器方法

Litvin在該機(jī)構(gòu)報(bào)告中提出了分度展成磨削方法[5]，如圖6所示。原理是利用漸開線碟形砂輪模擬圓柱齒輪的一個輪齒，與面齒輪做相對轉(zhuǎn)動從而模擬了小輪與面齒輪的嚙合，完成展成運(yùn)動。這種方法原理簡單且容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是需要砂輪在面齒輪齒寬方向上進(jìn)給，因此加工效率較低，同時該方法不易控制齒距精度。

圖6 漸開線碟形砂輪磨削面齒輪方法

格里森公司的工程師Hermann提出了一種新的CONIFACE方法[13]，如圖7所示。它是利用帶傾角內(nèi)凹漸開線截形的盤形砂輪展成磨削面齒輪，特點(diǎn)是不需要在齒寬方向進(jìn)給，因而效率較高。但由于存在局部干涉，因而只能得到近似的齒面形狀，需要進(jìn)行復(fù)雜的參數(shù)調(diào)整以得到良好的嚙合印痕，另外齒距精度也不易控制。

圖7 CONIFACE面齒輪磨削方法與設(shè)備

通過多年的研究和積累，美國UIC、Boeing，加拿大North-Star等公司研制出了8～9軸高精度面齒輪蝸桿砂輪磨齒機(jī)床[14](見圖8)，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，目前已生產(chǎn)出精度達(dá)AGMA12級的面齒輪，面齒輪的外半徑尺寸從200mm到500mm。

圖8 Northstar公司的面齒輪磨齒機(jī)

2 面齒輪在直升機(jī)傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用研究與進(jìn)展

面齒輪傳動逐漸成為航空領(lǐng)域較先進(jìn)的傳動方式，目前除美國軍方與NASA外，該技術(shù)還為少數(shù)單位與公司所掌握，如University of Illinois at Chicago、Northstar Aerospace Inc、格里森公司等。美國NASA經(jīng)過多年的試驗(yàn)研究，已將面齒輪副應(yīng)用在直升機(jī)主減速器分流—匯流傳動中，并發(fā)揮了獨(dú)特的優(yōu)越性，在航空領(lǐng)域的應(yīng)用中表現(xiàn)出了相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。

1992年，道格拉斯直升機(jī)公司、伊利諾伊大學(xué)等參加美國軍方與NASA聯(lián)合進(jìn)行的ART(the Advanced Rotorcraft Transmission)計(jì)劃，對高速重載下的面齒輪傳動進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了使用面齒輪傳動的新型航空動力傳動裝置的分流傳動結(jié)構(gòu)，如圖9所示。一個漸開線圓柱齒輪作為主動輪驅(qū)動上下兩個面齒輪，分流傳輸發(fā)動機(jī)的動力，然后通過圓柱齒輪合并動力傳輸，這樣的分流結(jié)構(gòu)對稱配置于中央大齒輪的兩側(cè)，合并傳輸雙發(fā)動機(jī)動力。相比于當(dāng)時傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案，該方案重量減輕約40%，并節(jié)省了大量空間[15]。

圖9 ART計(jì)劃的面齒輪分扭傳動

1998年，一種比ART設(shè)計(jì)更簡約先進(jìn)的分流傳動裝置由TRP(the DARPA Technology Reinvestment Program)計(jì)劃研制成功，該裝置如圖10所示。兩個輸入動力的圓柱齒輪與兩個惰輪(Idler spur gear)分別對稱布置，動力由主動小圓柱齒輪分流給上下兩個面齒輪，惰輪把下部面齒輪分流的動力合并傳輸給上部的面齒輪。該設(shè)計(jì)與應(yīng)用當(dāng)代先進(jìn)設(shè)計(jì)方法的傳統(tǒng)構(gòu)型相比，重量減輕約25%[16]。

以上兩個面齒輪分流傳動成功應(yīng)用的范例，顯示了面齒輪傳動在直升機(jī)乃至其它機(jī)械動力傳動中潛在的優(yōu)勢。

進(jìn)入21世紀(jì)后，美國推動RDS-21計(jì)劃，繼續(xù)開展面齒輪分扭傳動技術(shù)研究。參與公司包括波音和西科斯基，主要對面齒輪功率分流傳動的結(jié)構(gòu)和均載進(jìn)行研究。研究的直接目的是對AH-64進(jìn)行改進(jìn)。其主要研究方向涵蓋了面齒輪傳動的強(qiáng)度、傳動比的適合范圍以及5100馬力的面齒輪分扭傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。研究成果用于“阿帕奇”最新改進(jìn)型AH-64E。如圖11所示，改進(jìn)設(shè)計(jì)后的主減速器由三級變?yōu)閮杉?不含頭部減速器)，體積和重量皆明顯減小。根據(jù)波音公司公布的資料可知，應(yīng)用面齒輪功率分流傳動技術(shù)的AH-64E直升機(jī)已于2009年11月23日試飛成功。

圖10 TRP計(jì)劃中的面齒輪分流傳動機(jī)構(gòu)

圖11 “阿帕奇”AH-64E主減速器結(jié)構(gòu)

1998年2月，歐洲五國聯(lián)合開始了題為“面向航空航天傳動系統(tǒng)應(yīng)用的面齒輪傳動(FACET)研究計(jì)劃”。該計(jì)劃的目標(biāo)是研究面齒輪代替錐齒輪在航空飛機(jī)傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用，共有英國、意大利、法國、德國以及瑞士的相關(guān)的七家公司或高校及研究所參加研究，由韋斯特蘭直升機(jī)公司(GKN)牽頭協(xié)調(diào)。

3 面齒輪在航空領(lǐng)域的應(yīng)用前景及其面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

3.1 面齒輪在航空領(lǐng)域的應(yīng)用前景

相比螺旋錐齒輪傳動，面齒輪對安裝誤差不敏感，在一個圓柱齒輪與兩個面齒輪嚙合傳動中具有安裝與調(diào)整簡單、誤差敏感性弱等優(yōu)勢，因此在共軸對轉(zhuǎn)傳動、功率分流傳動等航空動力傳動系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。

1)在共軸對轉(zhuǎn)傳動機(jī)構(gòu)中，采用上、下面齒輪和圓柱齒輪換向惰輪的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外輸出軸共軸對轉(zhuǎn)，如圖12所示。該傳動裝置結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)量少，重量輕，圓柱齒輪無軸向力，支撐與安裝簡便，相比復(fù)合行星對轉(zhuǎn)傳動和螺旋錐齒輪對轉(zhuǎn)傳動，具有重量、可靠性等方面的優(yōu)勢。

2)在功率分流傳動中，采用面齒輪同軸分扭或面齒輪分扭-圓柱齒輪并車的結(jié)構(gòu)，分別如圖13和圖14所示。相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可明顯減少并車齒輪的徑向尺寸，并利用面齒輪傳動較大的傳動比，減小高速級的扭矩，減輕重量，在大功率傳動中具有明顯的優(yōu)勢。

圖12 面齒輪共軸對轉(zhuǎn)傳動

圖13 面齒輪同軸分扭傳動

圖14 面齒輪分扭-圓柱齒輪并車傳動

3.2 我國面齒輪傳動應(yīng)用中面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

國內(nèi)針對面齒輪傳動技術(shù)的研究起步于20世紀(jì)90年代。南京航空航天大學(xué)、中南大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等高校的研究人員針對面齒輪的齒面生成、強(qiáng)度分析、輪齒接觸分析、振動特性分析以及面齒輪輪齒成形方法等開展了持續(xù)性的研究，促進(jìn)了國內(nèi)面齒輪傳動理論的快速發(fā)展，但欲實(shí)現(xiàn)面齒輪在傳動系統(tǒng)中應(yīng)用仍面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。

3.2.1 新齒形面齒輪傳動的齒形設(shè)計(jì)方法

國內(nèi)在正交直齒面齒輪傳動方面已有一定的研究基礎(chǔ)，但在非正交斜齒面齒輪傳動方面的認(rèn)識離工程應(yīng)用仍有一定的距離。目前國外AH-64E上應(yīng)用的非正交小錐角斜齒/直齒面齒輪(如圖15)相比正交直齒面齒輪，具有承載能力更高、節(jié)點(diǎn)適應(yīng)能力更強(qiáng)的特點(diǎn)。

圖15 非正交小錐角斜齒面齒輪傳動

3.2.2 面齒輪傳動的接觸分析方法

國內(nèi)在直齒面齒輪接觸分析方面開展了一定的理論研究，但尚難以反映航空面齒輪真實(shí)的工作環(huán)境，亦缺乏足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；需考慮柔性支撐環(huán)境、軸向安裝誤差、系統(tǒng)綜合變形等因素的影響，形成面齒輪接觸印痕設(shè)計(jì)的理論方法和軟件模塊，為載荷多變工況下航空面齒輪傳動提供分析工具。

3.2.3 面齒輪高精度磨齒加工方法及檢測標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)雖在面齒輪加工理論方面取得了一定進(jìn)展，但加工精度和加工效率尚不能滿足產(chǎn)品需要。國外已在直升機(jī)上應(yīng)用的面齒輪采用帶小錐角的非正交斜齒面齒輪傳動和小軸交角面齒輪傳動，國內(nèi)尚不具備加工能力。因此需繼續(xù)開展新齒形加工和高精度磨齒研究，制定相應(yīng)的檢測與精度評判標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.4 面齒輪功率分流傳動系統(tǒng)的均載設(shè)計(jì)

面齒輪最大的優(yōu)勢是配合分流傳動結(jié)構(gòu)在大功率航空動力傳動系統(tǒng)中應(yīng)用。因此，需研究面齒輪功率分流復(fù)雜傳動系統(tǒng)的建模理論與分析方法，建立面齒輪分流傳動系統(tǒng)的功率閉環(huán)變形協(xié)調(diào)條件，包括各種誤差、結(jié)構(gòu)參數(shù)等的作用，形成面齒輪功率分支傳動系統(tǒng)及均載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論與方法，為其在直升機(jī)傳動系統(tǒng)中的工程應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

4 結(jié)論

國外通過對面齒輪傳動技術(shù)多年的深入研究，目前已逐步在航空傳動系統(tǒng)中進(jìn)行工程應(yīng)用。鑒于面齒輪在航空傳動系統(tǒng)中的獨(dú)特優(yōu)勢和巨大應(yīng)用前景，近年來國內(nèi)明顯加大了對面齒輪及其功率分流傳動技術(shù)的研究力度，以求有所突破。但我國面齒輪傳動技術(shù)的工程應(yīng)用仍存在諸多的技術(shù)問題亟待解決，主要表現(xiàn)在面齒輪新齒形設(shè)計(jì)、接觸分析方法、齒面高精度加工方法、面齒輪功率分流傳動的均載設(shè)計(jì)方法等。