專利名稱：民用直升機干運轉傳動系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種民用直升機傳動系統，特別是一種適用于干運轉情況的民用直升 機傳動系統。
背景技術：
直升機在飛行過程中由于傳動系統受到攻擊、泵失效不能供油或者漏油等意外原 因，傳動系統將在短時間內處于不能充分潤滑或者無潤滑油潤滑的工作狀態，從而傳動系 統就會迅速進入干運轉狀態。齒輪作為傳動系統中最重要的核心零件，直接承載著直升機 旋翼動力的輸入與輸出的作用，工況條件也是傳動系統中最苛刻的，是傳動系統中的易損 部件，有必要針對其開展干運轉相關研究。由于溫度急劇升高，齒輪材料的綜合性能就會不 斷的下降，可能使齒輪失去工作間隙，引起接觸表面的塑性變形、膠合和過度磨損等不良的 后果，從而減速器會在短時間被破壞而停止工作，完全失去傳遞動力的作用，造成災難性的 后果。美國NASA和四家直升機公司開展的ART計劃將延長干運轉時間作為重要計劃。國 外發達國家已經掌握了干運轉大于30分鐘的技術，并且應用到具體機型上了。但對于傳動 系統干運轉問題，西方發達國家出于對國防方面和國家間利益關系等考慮，歷來在對我國 進行嚴格保密，所以傳動系統干運轉的相關研究只能靠我們自己來開展研究。我國目前還 不具備干運轉達到30分鐘的技術要求的直升機系統，實現30分鐘的干運轉能力迫在眉睫。 目前提高直升機傳動系統干運轉能力的有效措施主要包括采用應急貧油潤滑技術、固體潤 滑膜的研究以及采用耐高溫材料及耐高溫設計這三種技術手段，當然三種技術手段互相結 合或者兩兩結合到一起效果會更好，每一種解決措施都需要開展相關研究。雖然目前對這 三種技術互相結合有了一定的實際試驗，試驗結果也有實現30分鐘干運轉能力的，但是對 進一步的提升還沒有更好的方法，沒有從減少熱源這個根本問題上進行優化。發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，在現有技術的基礎上進行改進，然后再 加入其它方面進行優化設計，從減少摩擦熱、改善散熱和加強齒輪耐高溫、耐磨損三方面進 一步提高干運轉的運行時間。
本發明是通過以下技術方案實現的
本發明包括錐齒輪換向傳動系統、離合器、剎車制動裝置系統、行星齒輪傳動系統 和潤滑系統。將直升機發動機水平方向的輸出運動轉化為主旋翼軸垂直方向輸出的錐齒輪 換向傳動系統采用弧形錐齒輪并經過齒面處理；離合器的作用是當一臺或多臺發動機發生 故障或停車時，它可使主減速器與發動機自動脫開，而不影響其它發動機、主減速器及傳動 系統的正常工作；在地面空轉或停車時，在規定的時間內剎車制動裝置系統把主旋翼的轉 速從全速或某一轉速減到靜止，使直升機在干運轉時能夠盡快著陸；行星輪系統主要將發 動機高轉速小轉矩輸出轉化為旋翼軸上的低速高轉矩輸出，采用耐高溫耐磨材料，齒輪參 數進行優化處理，齒廓用低滑動率曲線進行修形處理，減少摩擦熱的產生，利用等離子噴涂技術將納米耐磨材料注入齒面，使齒輪具有低發熱量和高耐磨性能；優化行星輪系統的布 局和結構，減小系統振動；潤滑系統能夠起到冷卻、散熱作用，干運轉下主潤滑失效時應急 潤滑系統可以維持主減速器基本潤滑條件，選用合適的基礎油和添加劑按一定比例進行配 比，采用附屬油箱來收集了一部分潤滑油，等到檢測到干運轉時，這部分收集的潤滑油可以 傳送到傳動系統內部，使其繼續保持潤滑，增加減速器腔內壓力，降低潤滑油解吸速度，延 長貧油潤滑時間，延緩干運轉狀態的開始時間。
所述的行星齒輪傳動模塊，主要包括兩級行星齒輪傳動機構，是直升機主要減速 模塊，起到減速和增大轉矩的作用，此部分受到的載荷較大，在乏油傳動時，齒輪由于在干 摩擦的情況下會產生很大的熱量，而散熱條件又變差，因此會很快發生膠合失效。根據這 種情況，在滿足行星齒輪傳動的傳動比條件、鄰接條件、同心條件、裝配條件以及輪齒強度 和嚙合質量條件的基礎上，考慮到輪齒強度方面的要求而又不增大傳動尺寸和重量時，若 承載能力取決于齒面接觸強度，則各輪齒數取較多齒數的組合方案；若承載能力取決于齒 根彎曲強度，則各輪齒數取齒數較少的組合方案。高速重載的行星齒輪傳動中，為減少運轉 過程中的振動和噪聲，使傳動有良好的工作平穩性，在各對嚙合齒輪的齒數之間，應當沒有 公約數，即互為質數；中心輪的齒數也不宜為行星輪數目的整數倍。除此之外，采用變位齒 輪傳動，采用高度變位可以避免根切、減小機構的尺寸和重量；改善齒輪副的磨損情況，以 及提高其承載能力。采用角度變位可以湊所需要的中心距，避免齒輪根切，減小齒輪機構尺 寸，減小齒面磨損，提高承載能力，還有避免干涉等，根據修形的長度大小，修形段曲線較長 時，為了防止修形對齒根應力的影響，可以采用角度變位齒輪。
所述的行星齒輪傳動模塊，漸開線齒廓的齒輪在齒頂和齒根處的滑動率相對較 大，尤其是齒頂處，磨損較為嚴重，本發明從幾何學角度出發，采用等滑動率曲線對齒廓的 齒頂和齒根處進行修形處理，為了使連接處齒輪平緩過渡，利用微分幾何知識，通過保證修 形曲線在連接處與原漸開線的曲率相同將漸開線曲線和修形曲線進行拼接，使齒輪傳動平 穩可靠。經過處理，修形齒廓的綜合曲率半徑增大、齒廓摩擦系數減小、油膜厚度增大、應力 減小6%左右。
所述的行星齒輪傳動模塊和錐齒輪換向模塊，在干運轉條件下，齒輪材料的耐熱 耐磨性能越好，齒輪運轉時間就越長。28MnCr5鋼作為一種高溫力學性能良好的材料在齒輪 上已經得到了應用，它具有良好的熱塑性溫度區，能夠使齒輪在高溫下穩定運行一段時間。 齒輪齒面性能的好壞直接影響到干運轉的運行時間，納米涂層材料具有良好的力學性能、 隔熱性能、抗磨損性能和耐腐蝕性能，本發明采用等離子噴涂技術將納米材料注入到齒面， 提高表面硬度、強度、抗磨損、抗腐蝕、抗氧化及抗疲勞能力，同時降低了摩擦系數。本發明 采用MoS2+含鈦20%左右的鈦類化合物組成復合涂層，MoS2摩擦系數極小(O. 04)，具有較 高的熱和化學穩定性，可在較高溫度下長期使用，特別是其耐重載性和耐磨壽命明顯高于 其它固體潤滑劑和氧化膜、金屬膜等。該涂層能夠使鋼表面的摩擦系數降低近30%，磨痕寬 度降低近20%，尤其在重載時，摩擦系數和磨痕寬度下降的更多，還具有延長工件壽命的作 用。
所述的行星齒輪傳動模塊，保證行星輪的正常工作狀態，則行星齒輪需要一個與 之端面接觸，并與之發生對磨的墊片，只有選擇摩擦系數小、高強度、抗氧化、耐高溫、耐腐 蝕、磨損量小的材料墊片才能確保行星齒輪長期的正常運轉。當行星齒輪工作時，端面和軸發生摩擦，嚴重時會發生膠合影響到傳動系統的工作。所以只有選擇摩擦系數小、磨損量小 的材料墊片才能確保行星齒輪長期的正常運轉。通過進行端面接觸摩擦磨損試驗，來確定 摩擦磨損性能好的墊片材料。從運動學和動力學角度對傳動系統作優化分析，包括行星齒 輪的均載分析，計算用來解決包含齒輪、軸承、軸、箱體等在內的系統模態振型的計算，建立 包含軸、齒輪的系統完整的耦合動力學模型，考慮模態貢獻因子對齒輪傳動誤差的影響，計 算由于齒輪傳動誤差激勵下的諧態響應，減小系統的振動。
所述的潤滑系統模塊，在干運轉下，主潤滑系統失效，隨著潤滑油都被甩掉或者漏 掉之后，缺少了正常的潤滑，傳動系統內部的熱生成率加快，傳動系統內部包含大量齒輪和 軸承，產生的熱無法通過潤滑油的流動而散失，溫度會迅速升高。本發明采用了應急貧油潤 滑技術，采用附屬油箱來收集了一部分潤滑油，等到檢測到干運轉時，這部分收集的潤滑油 可以傳送到傳動系統內部，使其繼續保持潤滑，延緩干運轉狀態的開始時間。為了減輕重量 和尺寸大小，基本不影響直升機的整體結構，采用油霧潤滑，只需要油霧發生器、減壓閥、空 氣過濾器、閥門以及較少的管路。需要的油箱很小就可以滿足要求，這樣就可以大大減輕應 急油箱的重量，同時也實現了稀油潤滑狀態。保持30分鐘干運轉時間只需要的潤滑油數量 很少，潤滑油與添加劑混合在摩擦熱的作用下與齒輪表面發生化學反應，還可以生成固體 潤滑薄膜，有利于起到減磨的作用。油霧潤滑系統所采用的基礎油為全氟聚醚，該油可以用 于直升機發動機、主減速器及輔助動力裝置，尤其適用于氣霧潤滑。添加劑方面選用質量分 數為2%的硫-磷-氮型極壓抗磨劑是硫代磷酸復酯胺鹽，是一種優良的極壓抗磨劑。其特 點是通過對硫代磷酸酯與磷酸酐的復酯化反應。提高添加劑的磷含量，再用胺中和酸性磷 酸酯，使添加劑具有適宜的極壓抗磨性、油溶性和化學穩定性，還實現在摩擦過程中的硫與 磷與摩擦表面反應速度的最佳匹配；質量分數為O. 2%納米石墨減磨劑，能夠使摩擦系數 長期穩定在O. 02 O. 04之間；再加入高堿值磺酸鈣作為清凈劑，具有酸中和、洗滌、分散和 增容等作用。
與現有技術相比，本發明的有益效果是利用摩擦學和幾何學原理對漸開線齒廓 進行了修形處理，由于漸開線齒形在齒頂和齒根處的相對滑動率較大，齒輪磨損相對嚴重， 摩擦熱產生較多，本發明利用等滑動率曲線在齒頂和齒根處對漸開線齒形進行了修形處 理，為了使連接處齒輪平緩過渡，利用微分幾何知識，通過保證修形曲線在連接處與原漸開 線的曲率相同將漸開線曲線和修形曲線進行拼接，使齒輪傳動平穩可靠。經過處理，修形齒 廓的綜合曲率半徑增大、齒廓摩擦系數減小、油膜厚度增大、應力減小6%左右，有效地減小 了摩擦熱的產生。另外，齒輪齒數互為質數，采用變位齒輪，避免齒輪根切，減小齒輪機構尺 寸，減小齒面磨損，提高承載能力，還有避免干涉，進一步減小齒輪的發熱量。又從減小振動 方面的設計進一步減小齒輪間的相互運動，減小磨損和發熱量。在其他常用的三種技術手 段采用應急貧油潤滑技術、固體潤滑膜的研究以及采用耐高溫材料及耐高溫設計，繼續將 三者結合使用，采用尺寸重量更小的噴霧潤滑系統，對直升機性能影響較小，潤滑油方面重 新選擇性能更好的基礎油和添加劑，并引入納米石墨添加劑，能夠更好地實現低摩擦嚙合， 并通過實驗選擇了更好的比例，單在這方面就能延緩進入干運轉時間。在表面處理方面也 選用了納米耐磨、耐高溫材料，可以進一步提高干運轉時間。本發明在加強散熱和齒面質量 的基礎上又減小了熱量的產生，能夠更有效地延長干運轉運行時間。


圖1是本發明民用直升機干運轉傳動系統一個較佳實施例的結構示意圖；圖2是本發明民用直升機干運轉傳動系統的直升機傳動系統結構示意圖；圖3是圖2本發明民用直升機干運轉傳動系統的直升機傳動系統中主減速器1的 局部放大圖；圖4是本發明民用直升機干運轉傳動系統的一對原始齒輪圖示意圖；圖5是本發明民用直升機干運轉傳動系統的齒廓滑動率分析圖；圖6是本發明民用直升機干運轉傳動系統的齒廓嚙合分析圖；圖7是本發明民用直升機干運轉傳動系統的齒廓修形圖；圖8是本發明民用直升機干運轉傳動系統的噴霧潤滑系統結構示意具體實施例方式以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以 充分地了解本發明的目的、特征和效果。如圖1所示，本實施例包括直升機傳動系統、行星齒輪傳動系統、錐齒輪換向裝 置、離合器、剎車制動裝置、潤滑系統、基本參數設計、幾何齒廓修形、動力平衡設計、齒輪材 料及齒廓表面處理、主潤滑系統、輔助潤滑系統、離子注入技術、噴霧潤滑設計、納米材料選 擇、等離子設備參數確定、結構尺寸重量設計、潤滑油選擇、基礎油配方和添加劑選擇。如圖2所示，直升機傳動系統主要由主減速器1、主傳動軸2、發動機3以及其它 傳動部件組成，其中主減速1部分，如圖3所示，主減速器1由錐齒輪換向裝置4、行星齒輪 傳動系統5、潤滑系統6等幾部分組成，提高傳動系統的干運轉能力主要對行星齒輪傳動系 統、錐齒輪換向裝置和潤滑系統這三個方面進行的優化處理。對于行星齒輪傳動系統5，考 慮到輪齒強度方面的要求而又不增大傳動尺寸和重量時，由于此例子中承載能力取決于齒 面接觸強度，則各輪齒數取較多齒數的組合方案。修形長度較長時，由于修形后小齒輪齒 根變薄，可以采用齒數較多的變位齒輪傳動避免齒輪根切，減小齒輪機構尺寸，減小齒面磨 損，提高承載能力。大、小齒輪都用正變位，按等滑動比的原則選取。然后從幾何齒廓修形這個角度進行優化設計，根據齒輪嚙合原理和摩擦學原理， 對漸開線齒廓進行滑動率分析，得到齒廓最易磨損的地方，然后選擇嚙合軌跡為圓弧的曲 線(等滑動率曲線)對此處齒廓進行替代，并根據微分幾何原理將曲線連接處進行光滑連 接，使此處嚙合時能夠平穩，減小振動。
具體實施方式
如下未修形前行星輪齒廓都是漸開線形狀，齒廓1方程為
權利要求
1.一種民用直升機干運轉傳動系統，包括錐齒輪換向傳動系統、離合器、剎車制動裝置系統、行星齒輪傳動模塊和潤滑系統；其特征在于，所述行星齒輪傳動模塊采用齒頂齒根修形設計；所述潤滑系統采用了應急貧油潤滑技術。
2.如權利要求1所述的民用直升機干運轉傳動系統，其特征在于，對于所述的齒頂齒根修形設計，采用等滑動率曲線對齒廓的齒頂和齒根處進行修形處理，同時保證修形曲線在連接處與原漸開線的曲率相同將漸開線曲線和修形曲線進行拼接，使連接處齒輪平緩過渡。
3.如權利要求1所述的民用直升機干運轉傳動系統，其特征在于，所述的行星齒輪傳動模塊中的齒輪采用28MnCr5鋼；利用等離子噴涂技術將納米耐磨材料涂覆于所述齒輪齒面。
4.如權利要求3所述的民用直升機干運轉傳動系統，其特征在于，所述納米耐磨材料由MoS2以及含鈦18% 23%鈦類化合物組成。
5.如權利要求1所述的民用直升機干運轉傳動系統，其特征在于，所述應急貧油潤滑技術，是采用附屬油箱來收集部分潤滑油，檢測到干運轉時，這部分收集的潤滑油被傳送到傳動系統內部，使其繼續保持潤滑，延緩干運轉狀態的開始時間。
6.如權利要求1所述的民用直升機干運轉傳動系統，其特征在于，所述潤滑系統包括主潤滑系統和輔助潤滑系統，所述輔助潤滑系統包括油霧發生器、油箱、油霧控制開關、減壓閥、空氣過濾器、閥門以及較少的管路，通過傳感器檢測齒輪是否處于乏油傳動狀態，然后通過控制器實現噴霧控制，噴出來的油霧可以回收到油箱中，然后再通過油泵傳輸到頂部，經過閥門、減壓閥、空氣過濾器等裝置將干凈的油再輸送到油霧發生器進行循環使用。
7.如權利要求1所述的民用直升機干運轉傳動系統，其特征在于，所述潤滑系統中的潤滑油采用的基礎油配方和添加劑。
8.如權利要求7所述的民用直升機干運轉傳動系統，其特征在于，所述基礎油為全氟聚醚。
9.如權利要求7所述的民用直升機干運轉傳動系統，其特征在于，所述添加劑選用質量分數為2%的硫-磷-氮型極壓抗磨劑是硫代磷酸復酯胺鹽，質量分數為O. 2%納米石墨減磨劑，再加入高堿值磺酸鈣作為清凈劑。
10.如權利要求1所述的民用直升機干運轉傳動系統，其特征在于，所述行星齒輪傳動模塊中的齒輪還包括一個與之端面接觸，并與之發生對磨的墊片，所述墊片的材質采用石墨材料。
全文摘要
本發明公開了一種在干運轉情況下能夠較長時間運行的民用直升機傳動系統，包括兩級行星齒輪減速器、錐齒輪換向裝置、離合器、剎車制動裝置和潤滑系統。本發明對行星齒輪系統進行了齒輪參數的優化，包括齒數、變位系數、模數等參數；利用小滑動率曲線對漸開線齒廓進行了修形；設計了輔助潤滑系統使系統在干運轉下能迅速啟動，同時對潤滑油的成分和比例進行了優化處理；選用了耐高溫耐磨損材料，并選用納米材料對齒廓表面進行了等離子噴涂處理，提高表面質量；齒輪端面增加耐磨材料和導熱材料；結構設計中采用減震設計。本發明減小了直升機傳動系統運轉時的發熱量，提高了齒面的耐磨和耐熱能力，使傳動系統在干運轉的條件下至少能運行30分鐘時間。
文檔編號F16H55/17GK103062372SQ20121040330
公開日2013年4月24日 申請日期2012年10月19日 優先權日2012年10月19日
發明者殷躍紅, 孫立劍, 黃文俊, 吳文敏, 焦瑤, 徐文超, 陸建 申請人:上海交通大學