浅析AC313直升机主减速器设计

许鹏

摘 要：介绍了AC313直升机主减速器主体结构以及重要零部件，如机匣、齿轮、轴承的设计方法、过程和采用的新材料、新工艺；介绍了主减速器为了取得国内民航型号合格证需要进行的试验考核。

关键词：直升机；减速器；设计

1 引言

AC313直升机是民用单旋翼带尾桨直升机，配装三台涡轴发动机，最大起飞重量13.8吨。其主减速器的作用是将三台发动机的输出功率经过变速和换向传递给主旋翼和尾旋翼；还为一些附件（包括直升机附件和主减速器附件）提供动力传输接口，例如：液压泵、交流发电机、转速表、冷却风扇和滑油泵等。

2 主减速器性能要求

主减速器主要技术指标及总体设计要求如下：

2.1 使用环境

最大飞行高度：不高于7000米； 使用环境温度：-40℃～60℃；

最低起动温度：-40℃； 存放温度：-55℃～70℃。

2.2 传递功率

最大连续功率2925kW，主旋翼转速212rpm。

2.3 寿命要求

翻修间隔期：≥3000飞行小时

总寿命：≥9000飞行小时或 27000次工作循环

主要部件寿命：≥9000飞行小时或27000次工作循环

2.4 干运转

在主减速器内润滑油泄漏完后，主减速器必须有至少30分钟的继续运转能力。

2.5 安装接口要求

主减速器安装凸耳与法兰、自由轮离合器与发动机输入法兰、旋翼刹车安装座、伺服连接凸耳、自动倾斜仪扭力臂联接、润滑系统、两个交流发电机、两个液压泵、一个转速交流发电机。

3 主减速器结构设计

民用主减速器需要重点考虑整体的功能、性能、可靠性、维修性、保障性、经济型以及环保性等要求。

3.1 主体结构方案

采用国际上常用结构，共分为4级减速，即斜齿轮并车减速，螺旋锥齿轮换向减速和两级行星减速，总减速比为28.6。三台发动机通过主减速器实现并车，其功率经主减速器传输给主旋翼及尾旋翼输出，主减速器还安装和驱动直升机有关部件和附件。

主减速器主要由机匣、齿轮传动链、旋翼轴、滑油系统及其它辅助设备组成，包括以下组件、系统：前传组件、主传组件、后传组件、滑油系统。

3.1.1 前传组件。前传组件位于主传组件的前部，由前机匣、左右发动机输入齿轮、并车主动齿轮、超越离合器、液压泵传动轴、风扇传动轴及其它连接件组成，并为伺服系统和风扇提供安装座。

左右发动机输入齿轮、并车主动齿轮均选用圆柱斜齿轮，减速比为1.1。

3.1.2 主传组件。主传组件是主减速器的主体，由并车从动齿轮，换向锥齿轮传动，Ⅰ、Ⅱ级行星传动，旋翼轴，主机匣，上机匣和下机匣等组成。主机匣上安装有滑油泵、滑油滤、温度传感器、压力传感器等辅助设备，并提供了与飞机平台及前、后传组件的接口和伺服机构的安装座。上机匣上还设有主减撑杆安装凸耳。

主传组件采用一级螺旋锥齿轮换向减速，减速比为2.1；两级行星传动减速，总减速比为8.1。

3.1.3 后传组件。后传组件由后机匣、后发动机输入齿轮、尾输出齿轮、旋翼刹车传动轴、液压泵传动、交流发电机传动、转速表发电机传动及其它连接件组成。在后机匣上还设有液压泵、交流发电机、转速表发电机和刹车装置的安装座。

后发动机输入齿轮也采用圆柱斜齿轮，减速比为1，从动齿轮通过一根弹性轴与前传组件左发动机输入齿轮相连接，将功率传递到前传组件。

3.1.4 滑油系统。滑油系统包括滑油润滑系统和滑油冷却系统，滑油润滑系统由滑油泵、油池、润滑油路、滑油喷嘴、滑油滤、温度传感器、压力传感器等组成，滑油冷却系统由外部管路、散热器和风扇等组成。

滑油散热系统包括2台冷却风扇、2台散热器和管路。冷却风扇由主减速器驱动，以确保通过散热器的空气流通来达到冷却滑油的目的。

3.2 机匣设计

机匣是直升机减速器最重要零件之一，其功能是在机匣内安装传动齿轮、轴、轴承、润滑冷却、密封装置并提供支撑，在机匣外提供各种类型附件的接口。机匣采用铸造镁合金AMS4439 RZ5制造，使用防腐涂层（例如树脂等）可以保证镁合金在恶劣环境条件下有最大的防护能力。

机匣设计采用UG软件进行三维建模，完成设计后，需要应用有限元软件进行强度分析。根据分析结果找出载荷较大部位，然后加强局部结构后再进行有限元强度校核，直到满足设计要求为止。机匣模型确定后，应用VERICUT软件进行仿真加工，能够大大加快设计及加工进度。

3.3 齿轮设计

主减速器中有直齿轮、斜齿轮和螺旋锥齿轮，分为动力齿轮、附件齿轮。齿轮材料选用国际上通用的高强度航空齿轮渗碳钢AMS6308 X-53和AMS6265 AISI 9310。X-53目前国内还未有使用先例。

航空齿轮的设计难点是保证承载能力的基础上具有最小的重量和尺寸。齿轮的的尺寸由弯曲疲劳、表面接触应力（赫兹应力）和擦伤（胶合）承载能力共同确定，齿轮必须具有抵抗上述三种失效的能力。齿轮强度分析方法分别采用ANSI/AGMA 2001-D04《渐开线直齿轮和斜齿轮轮齿基本承载能力系数和计算方法》和ANSI/AGMA 2003-C10《直齿锥齿轮、零度锥齿轮和螺旋锥齿轮抗点蚀能力和弯曲强度》。确定齿轮的尺寸是一个反复计算的过程，选定尺寸后，还需要对齿顶和齿厚修形，以达到均衡齿轮印痕、平衡轮齿强度、避免齿顶太薄等问题出现。

3.4 轴承设计

3.4.1 主传动链轴承。主传动链载荷大，轴承要选择承载能力大、精度高、可靠性高的种类。

行星齿轮轴承选择双排调心滚子轴承，具有自身的定位能力及最大的径向承载能力。

3.4.2 附件轴承。一般附件传动载荷较小，因此选用球轴承来承受较轻的径向和轴向载荷。对于有斜齿轮及螺旋锥齿轮的附件传动，选用球轴承和滚子轴承混合使用。

3.4.3 轴承的润滑。要在尽可能的地方对轴承通过旋转轴、轴承内环与轴径上的机加孔以喷油形式进行润滑，不能满足此要求时要使用外部滑油喷嘴对轴承进行润滑。

4 试验考核

AC313/GL主减速器为满足研制、鉴定及适航取证的需要，必须对部分关键零部件、系统及整机进行试验及测试。

4.1 零部件试验

试验的目的是验证零部件的静强度、疲劳强度，以及对零部件的使用寿命进行确定。因此，零部件试验分为静强度试验及疲劳强度试验。

4.2 整机试验

包括静力试验、调整试验、润滑试验、齿轮接触印痕试验、温度场试验、验收试验、飞行前台架试验、整机疲劳试验、持久试验、干运转试验、“铁鸟”试验、地面系留试验等。

5 结束语

AC313主减速器采用了许多当前国际上先进的设计方法、设计理念以及航空材料，将为国内的直升机主减速设计提供借鉴经验。

参考文献

[1]航空发动机设计手册第13册减速器设计.航空工业出版社.

[2]飞机设计手册第19册直升机设计.航空工业出版社.