蔣國春

摘 要：無人直升機因其具有獨特的性能，有著廣泛的應用市場。為了滿足易加工、低成本、傳動平穩(wěn)、低噪音的設計要求，本文設計了一種小型無人直升機行星減速器，采用圓錐齒輪與行星減速機構組合設計。經(jīng)過產(chǎn)品加工、地面和飛行試驗，此減速器完全滿足設計要求，很好地解決了傳統(tǒng)無人直升機傳動系統(tǒng)設計的各種難點。

關鍵詞：無人直升機；行星減速器；使用效果

中圖分類號：TH132 文獻標識碼：A

直升機是旋翼飛行器的一種，是以旋翼作為其主要升力來源的垂直起落機。由于直升機具有獨特的飛行能力，是唯一能夠抵達任何地形區(qū)域的運輸工具。它的應用已日益廣泛地遍及軍事和民用的各個領域。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和科學技術的進步，智能化技術成為當今這個信息化時代的主要特征。直升機也逐漸向智能化方向發(fā)展，無人直升機繼承了傳統(tǒng)直升機獨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)勢已經(jīng)成為了直升機領域的新星。

直升機減速器是傳動系統(tǒng)的核心，其作用是將一臺或多臺發(fā)動機功率合并在一起并按需要分別傳給主旋翼、尾槳和各個附件，以保證直升機正常工作，特點是傳遞功率大和減速比大。目前的無人直升機減速機構均采用圓弧錐齒輪和皮帶傳動等結(jié)構。圓弧齒輪接觸和彎曲強度高、重合度大、尺寸小。皮帶傳動可以降低發(fā)動機振動對減速器的影響。但圓弧錐齒輪加工難度大，生產(chǎn)廠家少，導致生產(chǎn)周期長，成本高，不適合新產(chǎn)品的研制試驗用。若采用一般的多級直齒輪傳動，則為了滿足大傳動比和高安全系數(shù)的要求，齒輪必須設計成大模數(shù)、大尺寸，減速器重量必然增加。而皮帶傳動效率低，占用空間大，皮帶使用壽命短，耐熱性差，傳動不平穩(wěn)。

一、行星減速器總體方案

為了克服上述不足問題，本文提供一種新型無人直升機減速器。減速器為兩級傳動，第一級為一對圓錐直齒輪傳動，結(jié)構簡單，易加工，成本低。第二級為NGW型行星齒輪傳動，傳動比大、效率高、體積小。動力傳遞路線是：發(fā)動機輸出軸與減速器輸入軸通過聯(lián)軸器連接，減速器功率向上通過旋翼軸輸出到旋翼，向后通過尾傳動軸輸出到尾槳。

二、行星減速器設計原理

行星減速器的設計原理如圖1所示。減速器輸入端安裝聯(lián)軸器1，用于隔離發(fā)動機振動對減速器的影響，同時消除發(fā)動機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上安裝一個發(fā)電機皮帶輪3，將高輸入轉(zhuǎn)速傳遞到發(fā)電機中，結(jié)構簡單實用。根據(jù)總體設計要求，發(fā)動機輸出軸與尾傳動軸同軸，所以減速器輸入軸穿過減速器箱體，將轉(zhuǎn)速向后傳遞到尾傳動軸上，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，這種對稱結(jié)構便于加工、裝配，縮短了設計、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4用于齒輪潤滑，簡單可靠。輸入圓錐齒輪5安裝到輸入軸上，輸出圓錐齒輪6與行星減速機構的太陽輪7之間通過太陽輪的齒輪聯(lián)軸器連接，由于圓錐齒輪輸出軸軸向固定，浮動的太陽輪偏轉(zhuǎn)角度很小，會引起載荷沿齒寬方向分布不均勻，所以太陽輪軸設計較長。為了防止太陽輪沿垂向移動，齒輪聯(lián)軸器處安裝一個擋圈8。行星輪采用3個圓柱直齒輪9，中間通過銷軸10與行星架11連接。齒圈12通過螺栓安裝到箱體13上。行星輪帶動行星架旋轉(zhuǎn)，從而將發(fā)動機轉(zhuǎn)速通過多級減速傳到旋翼軸14上。

三、關鍵件強度計算

首先，對減速器輸入圓錐齒輪和輸出圓錐齒輪進行強度計算。

減速器輸入功率為55kW，根據(jù)結(jié)構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，齒寬中點螺旋角βm=30°。

根據(jù)《機械設計手冊》，計算齒面接觸疲勞強度為：

其次，對箱體進行有限元分析。

由于箱體結(jié)構復雜，所以采用Solid Works軟件進行建模。再將箱體模型導入ANSYS Workbench軟件進行網(wǎng)格化分和計算。經(jīng)過分析計算箱體受最大應力為47.756MPa，發(fā)生在輸入端口周圍。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%時的強度為σp0.2=110MPa，可見計算結(jié)果滿足承載要求。

經(jīng)過計算其他零部件的強度均滿足設計要求，為減速器的生產(chǎn)、試驗提供了安全保證。

四、使用效果

為了減輕重量，箱體材料選用鋁合金，既保證了傳動系統(tǒng)的安全性，同時又減輕了結(jié)構重量。齒輪材料選用高強度合金結(jié)構鋼，熱處理后強度高、耐磨損。外購標準件品種少，購買容易。產(chǎn)品加工后安裝到無人直升機上，經(jīng)過長時間地面系留試驗和飛行試驗，工作時表現(xiàn)平穩(wěn)，噪聲小，安全可靠，完全滿足了總體設計要求。

結(jié)論

隨著機械工業(yè)的發(fā)展，設計和加工水平的不斷進步，無人直升機傳動系統(tǒng)設計方案也會千差萬別，但宗旨不變，就是為了直升機總體提供一種安全、平穩(wěn)、低成本、易加工的傳動產(chǎn)品。本文的行星減速器采用圓錐齒輪與行星減速機構組合設計方案，很好地解決了傳統(tǒng)無人直升機傳動系統(tǒng)加工周期長、成本高、振動大等問題。為所應用的直升機市場推廣提供了很好的技術支持。

參考文獻

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002.