面齿轮在直升机传动系统中的应用前景分析

姚 灿

(海军装备部驻武汉地区军事代表局驻长沙地区军事代表室，湖南 株洲 412002)

0 引言

面齿轮传动是圆柱齿轮与平面齿轮啮合的角度传动，可用于两齿轮轴线正交、非正交或偏置等不同传动方式，如图1所示[1]。目前的角度传动主要是采用锥齿轮，然而锥齿轮传动需要根据齿面接触区的情况精确调整锥齿轮的位置，尤其是弧齿锥齿轮，对安装精度的要求非常严格，调试十分费时费力。面齿轮相对于锥齿轮的最大优点在于与其啮合的主动圆柱齿轮轴向位置安装精度要求低，不需要对主动齿轮进行精确的定位。这在传动精度要求较高时是非常有利的，特别是在航空轻型传动中，虽然轻薄的齿轮箱壳体产生的较大的变形会而起小齿轮的移位，但对面齿轮齿面接触区的影响并不大。另外，相对于锥齿轮传动来讲，面齿轮传动还具有以下优点：单级传动比大，可达到20：1；轴交角可以自由选择；采用直齿圆柱轮的主动齿轮没有轴向力，可以减轻轴承负荷；结构紧凑，可减轻齿轮箱的重量；面齿轮功率分流传动应用在航空动力传输系统中，可以简化动力传输系统结构，提高可靠性，获得高功率密度。

1 面齿轮传动技术研究进展

面齿轮传动较早见于Earl Bucking-ham的著作《Analytical Mechanics of Gears》，在该文献中对面齿轮机构作了简单的几何描述，对面齿轮齿形与承载能力做了近似计算[2]。此后40年对面齿轮传动的理论研究一直没有展开，仅有少量关于面齿轮的研究文献出现。人们长期以来一直认为面齿轮传动只能应用于低速、轻载的场合，直到20世纪90年代初，由于计算机辅助设计与制造技术发展的促进作用，面齿轮传动在直升机分流/汇流传动中得到了成功的应用，其独特的分流特性才引起世人的关注。至此，世界各国尤其是北美和西欧等先进工业国家逐步加大了面齿轮传动的研究力度，并先后进行了面齿轮啮合理论和面齿轮加工等方面的研究.

1.1 面齿轮理论研究

美国Litvin教授对面齿轮传动的啮合作了深入研究：根据几何学啮合原理解决了根切和齿顶变尖的计算问题，由接触区域的局部综合理论发展了点接触面齿轮，这两方面在后来的研究中得到了进一步的发展；分析了由渐开线圆柱插刀展成面齿轮时齿面的结构问题；研究了装配误差对接触路径和传动误差的影响情况；对两齿面啮合接触进行了几何仿真分析TCA(Tooth Contact Analysis)；应用有限元和承载接触分析LTCA(Loaded Tooth Contact Analysis)技术对轮齿强度进行了计算[3-7]，如图2所示。

Michele GuingaIId和Litvin等人也对面齿轮的各种啮合情况进行了初步的应力和扭力分析[8]，考虑了直齿和斜齿面齿轮传动装置不同轴交角和交错角、各种加工误差和安装误差的情况；编写了面齿轮瞬间啮合仿真程序，得到一种快速计算载荷分配的方法，包括弯曲应力和接触应力。

图2 面齿轮理论研究

1992年，美国陆军航空系统司令部的R.Handschuh等对面齿轮传动应用于高速(19100r/min)、重载(271kW)的可行性进行了1：2缩比试验研究。随后，Litvin等和麦道直升机公司[9]对面齿轮传动的轮齿极限半径、边缘接触、重合度、传动误差和分扭传动系统进行了详细的研究，得出了一种避免边缘接触的方案。

在Litvin等人对面齿轮传动几何设计研究的基础上，R.Handschuh等人开展了面齿轮应用于高速重载的可行性试验[10]。试验分两部分，第一部分由某机构主导，试验转速为19000r/min，功率分别为135kW和270kW(为实际使用的1/8和1/4)，试验件尺寸是实际结构的1/2，共用了4对齿轮试验(其中两对是陪试)，如图3所示。试验齿轮的齿面接触情况良好，接触分布在整个齿面上，而陪试齿轮的齿面中部有一定程度的点蚀出现。第二部分试验是在Lucas Western进行的，主要进行了功率分流的精度和动力学方面的试验。试验表明转速在第一阶固有频率附近工作时，并没有出现共振现象，也即两面齿轮与圆柱齿轮的浮动能有效地抑制共振发生。这些试验都取得了初步成功，证明了面齿轮传动用于高速大功率传动是可行的，且动力学性能和功率分流的精度都相当出色。

1.2 面齿轮加工研究

Litvin最先发明了磨削面齿轮的蜗杆砂轮[4,11]，并获得了美国专利。基于蜗杆砂轮、插齿刀产形齿轮和面齿轮三者同时啮合的原理来修整砂轮，采用了两种修整工具。其一是采用盘状平面式修整工具修整砂轮，如图4(a)所示；另外一种是采用与齿轮刀具的母面互补的实体作为修整工具，如图4(b)所示。这种方法的局限性在于蜗杆曲面受奇异性影响，砂轮直径和宽度受到限制，而且模拟的齿轮螺旋角不宜过大。

图3 NASA主导的面齿轮传动试验

图4 蜗杆砂轮磨齿及蜗杆砂轮修整方法示意图

Augustinus F. H.等人发明了一种磨齿加工方法[12]，其独特之处在于所使用的砂轮修整工具形状为面齿轮的几个轮齿，材料为金刚石，如图5所示。修整工具安装在磨齿机的工件主轴上与蜗杆砂轮做展成运动后砂轮就具有了正确的齿面，再用砂轮磨削待加工的面齿轮。该方法中砂轮修整工具不需要单独的驱动机构，缺点是需要经常拆卸修整工具和工件。目前这种方法和技术没有得到工程应用和推广。

图5 齿轮式修整器方法

Litvin在该机构报告中提出了分度展成磨削方法[5]，如图6所示。原理是利用渐开线碟形砂轮模拟圆柱齿轮的一个轮齿，与面齿轮做相对转动从而模拟了小轮与面齿轮的啮合，完成展成运动。这种方法原理简单且容易实现，缺点是需要砂轮在面齿轮齿宽方向上进给，因此加工效率较低，同时该方法不易控制齿距精度。

图6 渐开线碟形砂轮磨削面齿轮方法

格里森公司的工程师Hermann提出了一种新的CONIFACE方法[13]，如图7所示。它是利用带倾角内凹渐开线截形的盘形砂轮展成磨削面齿轮，特点是不需要在齿宽方向进给，因而效率较高。但由于存在局部干涉，因而只能得到近似的齿面形状，需要进行复杂的参数调整以得到良好的啮合印痕，另外齿距精度也不易控制。

图7 CONIFACE面齿轮磨削方法与设备

通过多年的研究和积累，美国UIC、Boeing，加拿大North-Star等公司研制出了8～9轴高精度面齿轮蜗杆砂轮磨齿机床[14](见图8)，能够磨削不同锥角、尺寸范围较大、满足航空使用要求的面齿轮，目前已生产出精度达AGMA12级的面齿轮，面齿轮的外半径尺寸从200mm到500mm。

图8 Northstar公司的面齿轮磨齿机

2 面齿轮在直升机传动系统中的应用研究与进展

面齿轮传动逐渐成为航空领域较先进的传动方式，目前除美国军方与NASA外，该技术还为少数单位与公司所掌握，如University of Illinois at Chicago、Northstar Aerospace Inc、格里森公司等。美国NASA经过多年的试验研究，已将面齿轮副应用在直升机主减速器分流—汇流传动中，并发挥了独特的优越性，在航空领域的应用中表现出了相当的优势。

1992年，道格拉斯直升机公司、伊利诺伊大学等参加美国军方与NASA联合进行的ART(the Advanced Rotorcraft Transmission)计划，对高速重载下的面齿轮传动进行了研究，并设计了使用面齿轮传动的新型航空动力传动装置的分流传动结构，如图9所示。一个渐开线圆柱齿轮作为主动轮驱动上下两个面齿轮，分流传输发动机的动力，然后通过圆柱齿轮合并动力传输，这样的分流结构对称配置于中央大齿轮的两侧，合并传输双发动机动力。相比于当时传统的结构方案，该方案重量减轻约40%，并节省了大量空间[15]。

图9 ART计划的面齿轮分扭传动

1998年，一种比ART设计更简约先进的分流传动装置由TRP(the DARPA Technology Reinvestment Program)计划研制成功，该装置如图10所示。两个输入动力的圆柱齿轮与两个惰轮(Idler spur gear)分别对称布置，动力由主动小圆柱齿轮分流给上下两个面齿轮，惰轮把下部面齿轮分流的动力合并传输给上部的面齿轮。该设计与应用当代先进设计方法的传统构型相比，重量减轻约25%[16]。

以上两个面齿轮分流传动成功应用的范例，显示了面齿轮传动在直升机乃至其它机械动力传动中潜在的优势。

进入21世纪后，美国推动RDS-21计划，继续开展面齿轮分扭传动技术研究。参与公司包括波音和西科斯基，主要对面齿轮功率分流传动的结构和均载进行研究。研究的直接目的是对AH-64进行改进。其主要研究方向涵盖了面齿轮传动的强度、传动比的适合范围以及5100马力的面齿轮分扭传动结构的设计。研究成果用于“阿帕奇”最新改进型AH-64E。如图11所示，改进设计后的主减速器由三级变为两级(不含头部减速器)，体积和重量皆明显减小。根据波音公司公布的资料可知，应用面齿轮功率分流传动技术的AH-64E直升机已于2009年11月23日试飞成功。

图10 TRP计划中的面齿轮分流传动机构

图11 “阿帕奇”AH-64E主减速器结构

1998年2月，欧洲五国联合开始了题为“面向航空航天传动系统应用的面齿轮传动(FACET)研究计划”。该计划的目标是研究面齿轮代替锥齿轮在航空飞机传动系统中的应用，共有英国、意大利、法国、德国以及瑞士的相关的七家公司或高校及研究所参加研究，由韦斯特兰直升机公司(GKN)牵头协调。

3 面齿轮在航空领域的应用前景及其面临的技术挑战

3.1 面齿轮在航空领域的应用前景

相比螺旋锥齿轮传动，面齿轮对安装误差不敏感，在一个圆柱齿轮与两个面齿轮啮合传动中具有安装与调整简单、误差敏感性弱等优势，因此在共轴对转传动、功率分流传动等航空动力传动系统中具有良好的应用前景。

1)在共轴对转传动机构中，采用上、下面齿轮和圆柱齿轮换向惰轮的结构实现内、外输出轴共轴对转，如图12所示。该传动装置结构简单，零件数量少，重量轻，圆柱齿轮无轴向力，支撑与安装简便，相比复合行星对转传动和螺旋锥齿轮对转传动，具有重量、可靠性等方面的优势。

2)在功率分流传动中，采用面齿轮同轴分扭或面齿轮分扭-圆柱齿轮并车的结构，分别如图13和图14所示。相比传统结构，可明显减少并车齿轮的径向尺寸，并利用面齿轮传动较大的传动比，减小高速级的扭矩，减轻重量，在大功率传动中具有明显的优势。

图12 面齿轮共轴对转传动

图13 面齿轮同轴分扭传动

图14 面齿轮分扭-圆柱齿轮并车传动

3.2 我国面齿轮传动应用中面临的技术挑战

国内针对面齿轮传动技术的研究起步于20世纪90年代。南京航空航天大学、中南大学、西北工业大学等高校的研究人员针对面齿轮的齿面生成、强度分析、轮齿接触分析、振动特性分析以及面齿轮轮齿成形方法等开展了持续性的研究，促进了国内面齿轮传动理论的快速发展，但欲实现面齿轮在传动系统中应用仍面临着诸多技术挑战。

3.2.1 新齿形面齿轮传动的齿形设计方法

国内在正交直齿面齿轮传动方面已有一定的研究基础，但在非正交斜齿面齿轮传动方面的认识离工程应用仍有一定的距离。目前国外AH-64E上应用的非正交小锥角斜齿/直齿面齿轮(如图15)相比正交直齿面齿轮，具有承载能力更高、节点适应能力更强的特点。

图15 非正交小锥角斜齿面齿轮传动

3.2.2 面齿轮传动的接触分析方法

国内在直齿面齿轮接触分析方面开展了一定的理论研究，但尚难以反映航空面齿轮真实的工作环境，亦缺乏足够的试验数据；需考虑柔性支撑环境、轴向安装误差、系统综合变形等因素的影响，形成面齿轮接触印痕设计的理论方法和软件模块，为载荷多变工况下航空面齿轮传动提供分析工具。

3.2.3 面齿轮高精度磨齿加工方法及检测标准

国内虽在面齿轮加工理论方面取得了一定进展，但加工精度和加工效率尚不能满足产品需要。国外已在直升机上应用的面齿轮采用带小锥角的非正交斜齿面齿轮传动和小轴交角面齿轮传动，国内尚不具备加工能力。因此需继续开展新齿形加工和高精度磨齿研究，制定相应的检测与精度评判标准。

3.2.4 面齿轮功率分流传动系统的均载设计

面齿轮最大的优势是配合分流传动结构在大功率航空动力传动系统中应用。因此，需研究面齿轮功率分流复杂传动系统的建模理论与分析方法，建立面齿轮分流传动系统的功率闭环变形协调条件，包括各种误差、结构参数等的作用，形成面齿轮功率分支传动系统及均载机构的设计理论与方法，为其在直升机传动系统中的工程应用提供技术指导。

4 结论

国外通过对面齿轮传动技术多年的深入研究，目前已逐步在航空传动系统中进行工程应用。鉴于面齿轮在航空传动系统中的独特优势和巨大应用前景，近年来国内明显加大了对面齿轮及其功率分流传动技术的研究力度，以求有所突破。但我国面齿轮传动技术的工程应用仍存在诸多的技术问题亟待解决，主要表现在面齿轮新齿形设计、接触分析方法、齿面高精度加工方法、面齿轮功率分流传动的均载设计方法等。