直升机结构与系统 第4章

第04章直升机传动系统《直升机结构与系统》第四章直升机传动系统4.1直升机传动系统的布局与类型现代直升机的传动系统是一个由各附件组成的传递机械能的整体，一般包括动力装置、减速器以及传动轴和联轴节等部件。典型直升机传动系统布局如图4—1。《直升机结构与系统》第四章直升机传动系统一般包括以下主要部件以及传动轴和联轴节等部件（见图4—2）：《直升机结构与系统》第四章直升机传动系统不同的直升机类型和设计思想，决定了其传动系统组成部件的不同。单旋翼直升机传统的单主旋冀/尾桨直升机具有设计简单的优点，但需要损失功率以驱动尾桨。•经测算，在直升机悬停状态下，驱动尾桨大约消耗8%—10%的有效功率，平飞状态下约消耗3%—4%的有效功率。另一个缺点是常规尾桨有可能发生的尾桨触地危险或伤害地面人员。共轴双旋翼直升机具有两个反向旋转的主旋翼，这样旋翼旋转产生的反扭矩相互抵消，从而取消了尾桨设计。由于共轴直升机具有两个主旋翼，机械部件的功率需求小于传统单旋翼直升机，因此，减小了旋翼桨叶尺寸，但其缺点是桨毂和操纵的设计复杂且重量大。《直升机结构与系统》第四章直升机传动系统横列式双主旋翼设计布局的直升机在平飞状态下减少了功率需求，但其存在较大的机身牵引阻力、较大的结构重量、驱动齿轮和传动轴结构复杂、传动系统操纵困难等缺点。内部啮合式的旋翼设计虽简化了传动系统，但却损失了升力效率（简称升效）。纵列式双主旋翼设计布局的直升机具有较小的牵引阻力、较大的重心范围和商载分配合理等优点。但由于其后部旋翼受到前部旋翼涡流气流的影响，损失了部分升效，所以通过升高后部旋翼位置的改进办法来减少其升效的损失。另外，复杂的传动结构和重量大、操纵困难也是需要进一步解决的问题。《直升机结构与系统》第四章直升机传动系统4.2减速器4.2.1主减速器的功能（1）安装、驱动主桨毂和桨叶•主桨毂通过机械花键与主旋翼驱动轴连接，发动机驱动主减速器齿轮系，带动驱动轴转动，从而实现了降低输入转速、改变传动方向、增大输出扭矩的目的。•为了保证主桨毂花键和主旋翼驱动轴花键之间的正确安装，双方各设计了一个圆锥形端面，以便确定安装中心。（2）减小发动机转速和改变传动角度•主减速器借助于齿轮传动来降低输入轴转速。例如S—6l和美洲豹直升机，发动机的输入主减速器的转数大约在18000—24000rpm，为了实现接近100：1减速比，便采用普通定轴轮系减速和周转轮系减速相结合的办法，分几级将速度减至能满足主旋翼转速的限制要求。•为了改变传动角度，主减速器采用了伞形齿轮，将水平输入方向改变成接近垂直的输出方向。（3）提供发动机的安装支点•根据发动机与主减速器安装位置的不同，分为前置式和后置式两种。例如美洲豹直升机和S—61采用的是前置发动机，海豚直升机采用的是后置式的发动机。•许多主减速器和发动机采用万向环连接，以克服高速转动下发动机输出轴与主减速器输入轴同心度的偏差。《直升机结构与系统》第四章直升机传动系统（4）安装旋翼刹车附件•在刹车的过程中，为了使极大的刹车负荷不影响尾传动轴的同心度，一般将刹车作动盘设计安装在主减速器伞形齿轮的输出端，把刹车静止片安装在主减速器机匣壳体上，而不是直接安装在尾传动轴上。（5）驱动尾传动轴和尾旋翼•尾旋翼通过尾传动轴及中间减速器和尾减速器与主减速器相连接，将主减速器的输出经过减速和改变传动方向，传动至尾桨毂，以实现其反扭矩功能。•部分单主旋翼直升机没有设计尾旋翼，其反扭矩功能是通过气动力实现的，例如MD600N和MD902直升机。（6）驱动主减速器附件齿轮箱通常情况下，主减速器的后部安装有附件齿轮箱，其驱动的附件包括：①发电机、液压泵、滑油泵、扭矩表系统滑油泵、旋翼转速传感器；②主减速器滑油冷却风扇驱动轴、尾传动轴。•在一些涡轮轴发动机的附件机匣上，除了发动机自身工作所需要的附件以外，例如燃油泵、发动机滑油泵、转速传感器等，不能再提供其他附件的安装位置。•直升机工作所需的其他附件则都必须依靠主减速器驱动；同时，在主减速器上安装和驱动附件，即使发动机发生故障，只要旋翼在转动状态下，附件仍然可被驱动。•在一些直升机上，附件的驱动是通过传动轴直接连接到其中的一台发动机上来实现的。该传动轴及其传动齿轮在发动机和旋翼之间还包括一个自由轮装置，这样，在主旋翼不转动的情况下，仅启动一台发动机即可获得附件的工作状态，从而实现主减速器的预润滑和液压系统产生压力，在不使用地面设备的条件下，即可对飞行操纵系统和交流供电系统进行检查。《直升机结构与系统》第四章直升机传动系统（7）安装飞行控制部件•利用主减速器机匣壳体的牢固特性，生产厂家将飞行控制系统的主伺服机构安装在减速器壳体的固定轭架上，这样既节省空间又便于安装控制。•同样，尾伺服机构也直接安装在尾减速器机匣壳体上。（8）安装自由轮组件•自由轮组件安装在主减速器的每一个输人端。这样，单台发动机驱动主减速器时不会带动另外一台发动机自由涡轮的转动。•同样，在直升机自转着陆时，自由轮组件可以使旋翼转动时与发动机自由涡轮完全脱开。例如超美洲豹直升机主减速器的两个输入端带有自由轮组件。（9）接收多台发动机的输人，实现统一的输出•安装有两台（或两台以上）发动机的直升机，不同发动机的输入配合通过主减速器的初级减速同步完成，或者是直接在输人主减速器之前就使用一个组合齿轮箱。这样，来自不同输入源的功率输入即可实现混合后的统一输出了。《直升机结构与系统》第四章直升机传动系统4.2.2主减速器结构主减速器通常是由若干个结构机匣组成，用于支撑和安装减速齿轮及轴系（见图4—3）。某些直升机的主减速器则采用模块化的结构设计，便于拆装维护。典型的主减速器部件包括：①输入机匣；②底部机匣及轴承支架；③后部盖板；④周向齿轮机匣；⑤上部机匣。输入机匣和周向环行机匣由合金钢和镁合金制成。输入机匣采用花键与发动机功率输出轴的柔性联轴节连接，以克服高速旋转下的轴向同心度的微小误差。输入斜齿轮在锥形滚棒轴承的支撑下，连接自由轮组件，将功率传至主减速器的其他齿轮。《直升机结构与系统》第四章直升机传动系统底部机匣和轴承支架支撑着底部驱动轴、底部驱动轴向上与伞形齿轮、第一级周向齿轮的中心齿轮相连接，向后与输出斜齿轮、液压泵等附件驱动齿轮相连接。主减速器借助于齿轮传动来降低发动机输人轴转速，增大输出轴扭矩。由于发动机与主旋翼的转速差越大，旋翼轴的扭矩也越大，齿轮载荷也就越高，为了减轻载荷，就必须采取多级减速和齿轮系卸荷等保护措施。周向齿轮分两级减速即可实现这一目的。由于两级减速需要在较短的距离内实现较大的减速比，除增大齿轮部件的刚度和强度外，还可采取增加齿轮数量和增大齿轮尺寸的办法来吸收大扭矩载荷。上部机匣通过一对锥形滚棒轴承支撑主旋翼轴。主旋翼驱动轴底部花键槽与第二级周向行星齿轮连接。后部盖板位于底部机匣后部，支撑着一组直齿轮系，用于驱动减速器附件。一般减速器包括下列单元体：①左/右输入减速齿轮系、主减速齿轮系（主伞形齿轮）、后减速齿轮系；②周向减速齿轮系（2级）、附件驱动系。由于周向齿轮和附件齿轮系采用了模块化的设计，所以在没有专用工具条件下，不需要返厂即可拆装更换。同样，底部机匣包括的自由轮组件、扭矩传感器和滑油泵也可以进行整体更换（如图4—4所示）。《直升机结构与系统》第四章直升机传动系统《直升机结构与系统》第四章直升机传动系统4.2.3主减速器润滑系统由于主减速器的尺寸体积远远大于中间减速器和尾减速器，需要进行润滑的部件也远远多于中间减速器和尾减速器，这就要求主减速器具备独立的润滑系统。中间减速器和尾减速器采用的浸在滑油中的方法则不能满足主减速器润滑要求。目前，主减速器多采用润滑油经油泵加压、在减速器外部通过散热冷却后喷入减速器内部润滑、冷却的循环系统。润滑系统不仅可以起到润滑机械部件的作用，同时滑油可以带走热量，起到了给机械部件降温的作用。主减速器润滑系统通常包括以下主要部件：①滑油泵、释压活门、滑油滤、温度调节活门、冷却装置——热交换器；②冷却风扇、滑油压力和温度传感器、滑油管路和喷嘴、磁金属屑传感器。在大型双发动机直升机上，由于主减速器内部齿轮和轴承承受着很大的载荷，一旦润滑系统失效，后果将不堪设想。尽管目前齿轮和轴承的设计有一定的干转能力，但摩擦产生的热量将会在齿轮之间、轴和轴承之间产生高热，形成“烧蚀”，直接影响传动部件的可靠性和安全性。作为主系统的备份，应急系统的设计使用，大大提高了系统的安全可靠性。《直升机结构与系统》第四章直升机传动系统润滑系统的工作原理：（1）正常操作程序（见图4—12）图4—12主要部件索引：1．滑油压力警告灯（主减速器润滑失效）；2．压力开关；3．主润滑系统扩散管；4．应急系统压力指示器；5．主系统压力指示器；6．冷却系统故障指示灯；7．压力开关；8．压力传感器；9．油滤旁通活门（8bar）；10．单向活门；11．滑油滤（60μ）；12．压力传感器；13．（滑油/空气）热交换器；14．冷却风扇（主减速器驱动）；15．释压活门（10bar）；16．主滑油泵（流量：7200L/h）；17．油面观察窗；18．应急滑油泵（流量：7200L/h）；19．释压活门（3．6bar）；20．分配活门（3bar户5bar）；21．金属屑指示灯；22．3——位置开关；23．金属屑探测/记录器和消除装置；24．磁金属屑探测器（自密封，可以用作放泄滑油）；25．双金属片热接触开关；26．变阻式温度传感器；27．滑油温度指示器；28．滑油温度警告灯。《直升机结构与系统》第四章直升机传动系统油滤组件（见图4—5）由于齿轮和轴承的旋转摩擦，产生少量污垢和细小金属粉末等杂质是经常发生的。这些杂质不仅影响机械效率，严重的还会导致传动机构部件的损坏。滑油滤用于滤除系统滑油中的杂质，它的过滤元件一般采用金属丝滤网或纸滤。另外，考虑到油滤堵塞的可能性，油滤内部还装有旁通活门，以便在发生堵塞时，使润滑油经旁通活门直接流往系统的润滑油路，保证主减速器始终处于润滑状态。滑油滤一般安装在冷却装置的前部，其过滤能力表示为μm。《直升机结构与系统》第四章直升机传动系统（滑）油泵滑油泵用于加压滑油，位于主减速器底部集油槽的最低位，以便能最大量地吸人润滑油。根据润滑系统的特点，滑油泵多采用直齿轮泵和偏心齿轮泵。（1）直齿轮泵直齿轮泵的工作齿轮固定安装在泵体的空腔内，并浸润在滑油中，在主减速器附件齿轮箱的驱动下运转（见图4—6）•随着工作齿轮的转动，齿轮泵进油口的滑油被吸人并通过工作齿轮流向需要润滑的齿轮和轴承。•齿轮顶端成斜面设计，目的是在齿轮的啮合转动过程中消除因齿轮密切啮合而产生的滑油压力。•为了防止滑油压力过高导致的旋转齿轮卡滞或齿轮轴被剪切，直齿轮泵还设置了一个释压活门，释压活门的释放压力通常高于润滑系统释压活门的调节压力，因此只有在系统释压活门压力调节功能失效时，直齿轮泵的释压活门才能发挥作用，以保证泵体的正常工作压力。《直升机结构与系统》第四章直升机传动系统（2）偏心齿轮泵偏心齿轮泵为常压油泵，因其工作齿轮的工作特点和性质而命名（见图4—7）。偏心齿轮泵是由一个内齿轮和一个外齿轮非同心安装而成的，其内齿轮是一个外缘6齿的圆形齿轮，为主动齿轮；外齿轮是一个固定在泵体上的内缘7齿的齿轮，为从动齿轮。如图4—7所示，当偏心齿轮泵旋转从A点到B点时，主动齿轮与从动齿轮之间的容积增大，即为吸油的过程，持续旋转从B点到A点时，主动齿轮和从动齿轮之间的容积减小，即为放油过程。由于齿轮外形的设计特点，内、外齿轮之间具有极佳的啮合状态，所以，偏心齿轮泵的工作噪音很低。偏心齿轮泵的释压活门与泵体形成一个整体，它可以提供10bar左右的压力，7200Uh的流量，因而也被称为常压油泵。《直升机结构与系统》第四章直升机传动系统散热装置滑油冷却装置由冷却风扇、热交换器、支架和一些排风管组成（见图4—9）。•冷却风扇直接将冷空气吹在热交换器上，并通过热交换器后部的排风管，将经过热量交换的热