高重合度直齿圆柱齿轮在直升机传动系统中的应用.pdf

第37 卷第5期2023年9 月文章编号：16 7 1-3559(2 0 2 3)0 5-0 6 48-0 7济南大学学报（自然科学版）Journal of University of Jinan(Science and Technology)Vol.37 No.5Sept.2023D0I:10.13349/ki.jdxbn.20230724.001高重合度直齿圆柱齿轮在直升机传动系统中的应用康丽霞，唐朋，唐鑫，李发家2 3，陈皓晖4，崔焕勇3（1.中国人民解放军32 38 1部队，北京10 0 0 7 1；2.中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲412 0 0 2；3.济南大学机械工程学院，山东济南2 50 0 2 2；4.中国人民解放军32 38 2 部队，北京10 0 0 7 1)摘要：针对国外高重合度直齿圆柱齿轮传动技术已逐步在航空传动系统中进行工程应用，而在国内该技术存在一定的差距，尚未形成成熟的设计理论和方法的现状，对高重合度直齿圆柱齿轮在直升机传动系统中的应用进行总结，包括国内外高重合度直齿圆柱齿轮在直升机传动系统中的应用以及国内外研究现状，探索国内外的研究差距，并指明我国高重合度直齿圆柱齿轮传动技术的工程应用函待解决的4项问题，即强度计算标准问题、齿面修形方法问题、轮齿加工和热处理问题，以及润滑散热问题。关键词：高重合度；直齿圆柱齿轮；航空传动；强度；加工；修形中图分类号：TH132文献标志码：A开放科学识别码（OSID码）：苟Application of High Contact Ratio Spur Cylindrical Gears inHelicopter Transmission SystemsKANG Lixia,TANG Peng,TANG Xin,LI Fajia23,CHEN Haohuit,CUI Huanyong(1.Unit 32381 of the Chinese Peoples Liberation Army,Beijing 100071,China;2.Aero Engine Corporation of China Hunan Aviation Powerplant Research Institute,Zhuzhou 412002,Hunan,China;3.School of Mechanical Engineering,University of Jinan,Jinan 250022,Shandong,China;4.Unit 32382 of the Chinese Peoples Liberation Army,Beijing 100071,China)Abstract:In view of the fact that transmission technology of high contact ratio spur cylindrical gears has been graduallyapplied in engineering in aviation transmission systems in foreign countries,while there is a certain gap in this technologyin China,and mature design theories and methods have not been formed,application of high contact ratio spur cylindricalgears in helicopter transmission systems was summarized,including application of high contact ratio spur cylindricalgears in helicopter transmission systems at home and abroad,as well as research status at home and abroad,researchgap at home and abroad was explored.It was pointed out that there were four urgent problems to be solved inengineering application of high contact ratio spur cylindrical gear transmission technology in China including strengthcalculation standard,tooth surface modification method,tooth processing and heat treatment,as well as lubrication andheat dissipation.Keywords:high contact ratio;spur cylindrical gear;aviation transmission;strength;machining;modification收稿日期：2 0 2 2-0 5-2 1基金项目：国家自然科学基金项目（519 7 52 7 4）；南京航空航天大学“直升机传动技术重点实验室”开放课题（HTL-0-20K02）第一作者简介：康丽霞（19 7 5一），女，内蒙古?城人。研究员，博士研究生，研究方向为直升机传动技术、齿轮传动技术。E-mail：kanglixia_。通信作者简介：李发家（19 8 0 一），男，山东泰安人。讲师，博士，硕士生导师，研究方向为直升机传动、传动强度和振动。E-mail：me_。网络首发地址：https:/ 0 2 3-0 7-2 4T17:00:17第5期齿轮是航空传动系统最重要的结构件之一，工作环境十分复杂，需要承受拉-压交变应力、切应力、冲击动应力，还需要具备耐磨损、耐腐蚀、耐高温等能力。航空减速器的质量、承载能力、干运转能力、寿命等核心指标均与齿轮传动系统的传动能力息息相关。相对于斜齿圆柱齿轮、人字圆柱齿轮，直齿圆柱齿轮的承载能力较弱，但是结构更简单,经济性更好，并且不承受轴向力，可以简化支承的设计，有利于减小传动系统的质量，是航空传动系统中应用最广泛的一种齿轮形式，在直升机主减速器中广泛采用的行星轮系一般都是直齿圆柱齿轮-2 。随着科学技术的进步，齿轮传动系统在航空、航天等领域朝着高速、重载、高精度的方向发展3,对齿轮的承载能力提出了更高的要求。通过增加直齿圆柱齿轮的模数、增大齿宽等方式可以增强齿轮的承载能力，但同时增大了齿轮传动系统的体积和质量，与航空齿轮传动的小体积和高功重比的要求相矛盾2 。直升机传动系统的高功重比需求对齿轮的承载能力提出了较高的要求，常规直齿圆柱齿轮已经逐渐不能满足直升机传动系统对齿轮的发展需求，而新材料、新工艺的出现需要长期的积累4-5。新的非常规齿形齿轮设计成为增强齿轮承载能力的一个突破点，是解决航空领域对齿轮传动功重比高、体积小和振动幅值小的高要求困局的突破口和重要发展方向之一。齿轮传动是由2 对轮齿间依次啮合实现的，只有保证前一对轮齿尚未脱离啮合时后一对轮齿已进入啮合才能使齿轮以连续定角速比进行传动6 。普通重合度（lowcontactratio,LCR）直齿圆柱齿轮副的重合度为1 2,即有1对或2 对齿轮同时处于啮合状态；高重合度（highcontactratio,HCR）直齿圆柱齿轮的重合度为2 3,即有2 对或3对齿轮同时处于啮合状态。与LCR直齿圆柱齿轮传动相比，由于HCR直齿圆柱齿轮同时啮合的轮齿对数较多，每对轮齿承担的载荷相对减小，因此可以有效减小动载荷，改善载荷分配,增强齿轮承载能力和改善传动的平稳性，减小振动幅值和噪声1,7 ，对舒适性有苛刻要求的直升机非常有利。同时,HCR直齿圆柱齿轮传动系统的重合度大于2,即使在失去一个齿的情况下也能继续运转，可以改善和增强直升机传动系统安全性和抗损伤能力。本文中基于HCR直齿圆柱齿轮的国内外研究康丽霞，等：高重合度直齿圆柱齿轮在直升机传动系统中的应用严重的胶合问题5。1.1理论研究1.1.1齿轮强度现阶段关于HCR直齿圆柱齿轮的文献较少，国内外大部分学者采用试验法或有限元法计算齿根应力，缺乏采用国家标准或国际标准化组织（Inter-national Standard Organization,ISO)标准中齿轮计算公式研究HCR直齿圆柱齿轮齿根应力的文献。仙波正莊9 对2 0 世纪8 0 年代前的HCR直齿圆柱齿轮研究进行了总结，指出相对于普通重合度直齿圆柱齿轮,HCR直齿圆柱齿轮在强度和噪声方面具有较大的优势，相对于LCR直齿圆柱齿轮，HCR直齿圆柱齿轮的齿面强度显著增大，当齿顶高系数增大后,齿轮的弯曲强度增大，当直齿圆柱齿轮的重合度超过2 时，齿轮的弯曲强度出现阶梯式增大。Wang 等10 、Li1、尹刚12 、李杰等13、罗立风等14 采用有限元法计算了HCR直齿圆柱齿轮的刚度、齿间载荷分配、接触应力和齿根弯曲应力，分析了HCR直齿圆柱齿轮和LCR直齿圆柱齿轮的齿根弯曲应力和接触应力的分布规律，与已有试验结果能够很好地吻合，表明HCR直齿圆柱齿轮可以有效增强齿轮的承载能力。方宗德等15 采用激光散斑法测量了HCR直齿圆柱齿轮的刚度，根据测量的刚度对HCR直齿圆柱齿轮和LCR直齿圆柱齿轮的载荷分配进行计算,并对HCR直齿圆柱齿轮的动态性能进行试验，提出了HCR直齿圆柱齿轮的优化设计方法。李庆远等16 通过将轮齿外形简化为变649现状,分析HCR直齿圆柱齿轮的理论研究基础和工程应用进展，总结HCR直齿圆柱齿轮的优势和我国HCR直齿圆柱齿轮传动技术的工程应用函待解决的问题。1HCR 直齿圆柱齿轮传动技术HCR直齿圆柱齿轮传动并不完全属于全新的齿轮传动形式，而是通过减小齿轮压力角、增大齿顶高系数、增加齿数或改变变位系数等方法获得高接触比。增加重合度后,齿面接触线的总长度增大，齿面单位接触线长度上的平均载荷减小8 ,同时，齿轮外侧最恶劣的加载点远离齿顶，有利于增大齿轮的弯曲强度；但是采用HCR直齿圆柱齿轮又会带来新的问题,HCR直齿圆柱齿轮的齿顶宽较小,齿顶较尖，在进行渗碳或渗氮等热处理时，齿顶尖部会存在过多的碳,造成齿轮轮齿断裂或变脆，发生齿顶崩边等问题；同时，高接触比使滑动速度增大，会导致650截面梯形,计算HCR直齿圆柱齿轮的刚度和齿间载荷分配,对比了HCR直齿圆柱齿轮和LCR直齿圆柱齿轮的载荷分布。Ajmi 等17 、Yaldirim等18 渠珍珍等19-2 0 、牛等2 1、余松林等2 、黄康等2 3 对HCR直齿圆柱齿轮的实现方式进行研究，给出了齿轮的设计参数的选择方法。李发家等2 4、范士超等2 5 对HCR直齿圆柱齿轮的强度计算和参数优化等进行研究，给出齿轮弯曲和接触强度的计算方法，并进行了验证试验，同时开展了工程化应用验证,结果表明,HCR直齿圆柱齿轮在强度方面具有先天优势。1.1.2齿轮振动与噪声许多学者对HCR直齿圆柱齿轮的动态性能进行了研究。仙波正莊 指出HCR直齿圆柱齿轮在噪声方面优于LCR直齿圆柱齿轮，重合度为1.53、1.75、2.0 9 的直齿圆柱齿轮振动特性试验结果表明，当齿轮的重合度大于2 时，齿轮的振动幅值明显减小,高频振动频率显著下降。Lin 等2 6 、Cormell等2 7 采用质量弹簧模型建立齿轮振动方程，分析了参数对HCR直齿圆柱齿轮动态特性的影响,并着重分析了不同重合度对系统动载荷系数的影响规律2 6 。李同杰等7 、方宗德等15、渠珍珍等19,2 8 、李发家等2 9-31、张祖芳等32 对HCR直齿圆柱齿轮动态性能进行理论研究,分析了HCR直齿圆柱齿轮传动系统的动态特性，并进行了试验验证，试验结果很好地验证了理论计算结果，填补了国内对该齿轮动态特性研究的欠缺。1.2应用研究与进展HCR直齿圆柱齿轮具有承载能力强、传动平稳、振动幅值小和噪声低等优势，因此多个世界一流航空公司均对HCR直齿圆柱齿轮在直升机减速器方面开展应用研究，并在多个新型直升机传动系统中采用该项技术，在一些服役型号直升机的技术改进、改型中也采用HCR直齿圆柱齿轮替代原有的LCR 直齿圆柱齿轮3-36 20世纪7 0 年代，美国贝尔直升机公司在贝尔-222直升机传动系统中首次采用HCR直齿圆柱齿轮。19 9 2 年，贝尔直升机公司在美国军方与美国国家航空航天局（NASA）联合进行的ART（A d-vancedRotorcraftTransmission）计划中最初的尝试是制造一个质量更小且重合度大于2.1的2 级HCR直齿圆柱行星齿轮系统37 ,该结构的行星齿轮传动系统与原来的2 级LCR直齿圆柱行星轮传动系统具济南大学学报（自然科学版）有相同的减速比和齿数；但是在设计过程中发现了高速级的HCR直齿圆柱齿轮行星轮传动系统的温度过高，而低速级HCR直齿圆柱齿轮行星轮的行星轴承承载能力不足等问题，因此对该2 级行星齿轮的齿数进行调整，增加每个齿轮轮齿的数量，增大轴承尺寸，减速比由原来的3.8 7 5降为3.8 18，2级行星齿轮结构如图137 所示，与LCR直齿圆柱行星齿轮传动系统相比，质量减小约3.6 kg，弯曲强度增大2 0%。相对于LCR直齿圆柱行星齿轮传动，HCR直齿圆柱行星齿轮传动质量更小，噪声更低，寿命更长37 。图1美国贝尔直升机公司研制的2级高重合度直齿圆柱行星齿轮结构37 贝尔直升机公司还通过试验对比了LCR直齿圆柱齿轮行星传动、封闭差动传动、自由行星传动、复合行星传动和HCR直齿圆柱齿轮行星传动5种不同的行星传动构型，结果表明，相对于其他4种行星传动构型，HCR直齿圆柱齿轮行星传动构型在轻质、低噪声、低成本、小风险、小空间尺寸、高寿命、强生存力和效率高等方面具有最优性能组合参数37 。贝尔直升机公司研制的XV-15型倾转旋翼机即贝尔-30 1延续了前期的研究基础，将HCR直齿圆柱齿轮行星轮系设置为2 级行星齿轮系的高速级，为了满足胶合限制而增加了端面齿宽，虽然增大了齿轮的质量，在强度方面也不具备明显的优势；但是降低了整个传动系统噪声且生存能力更强，因此与ART计划中设计的行星传动系统相比，XV-15型倾转旋翼机的行星传动系统的运行具有更安静、振动幅值更小的优势。美国波音公司同样开展了HCR直齿圆柱齿轮、非渐开线齿形直齿圆柱齿轮的研究，通过增大齿顶高系数、改变压力角和变位系数，得到了重合度大于2.1的HCR直齿圆柱齿轮38 ,该HCR非渐开线齿第37 卷第5期轮试验装置如图2 38 所示。新齿形齿轮的沿齿廓曲率半径相对不变，齿轮在啮合线两端（啮合起始及终止位置附近)出现相对滑动速度大、相对曲率半径小的状态，使齿轮齿面胶合承载能力减弱，而齿面接触耐久性改善。为了平衡胶合承载能力和接触耐久性，最终采用改进载荷分配和通过采用非渐开线齿形加大在啮合起始及终止位置附近相对曲率半径的方式，解决胶合和接触强度的问题，为解决困扰HCR直齿圆柱的胶合损伤问题提供了很好的方法。康丽霞，等：高重合度直齿圆柱齿轮在直升机传动系统中的应用651在美国麦克唐纳-道格拉斯公司（麦道公司）参与ART计划的主减行星传动齿轮设计中,采用HCR直齿圆柱行星齿轮和节点内啮合行星齿轮2 种方案,HCR直齿圆柱行星齿轮的重合度约为2.2 2。根据ART的设计要求,HCR直齿圆柱齿轮行星轮系主减速器如图339 所示，在扭矩及轮齿弯曲应力相同时，与LCR直齿圆柱齿轮行星传动相比，其传动效率有所下降，齿面接触温度升高幅度较大，数据见表1,但质量仅为31kg，减小约5%，噪声声压级减小约9.5dB,寿命延长约1倍,取得较满意的效果。图2 美国波音公司研制的高重合度非渐开线齿轮试验装置38 表1美国麦克唐纳-道格拉斯公司研制的高重合度行星轮系与基本型普通重合度行星传动比较主减速器行星轮系类型齿面接触温度/普通重合度直齿圆柱齿轮行星传动1.59高重合度直齿圆柱齿轮行星传动2.22美国西科斯基飞行器公司对HCR直齿圆柱齿轮进行动力学分析，根据动力学分析结果对HCR直齿圆柱齿轮的齿面进行了动力学修形，结果表明，HCR直齿圆柱齿轮可以采用二次曲线作为修形曲线，最佳修形区域为由齿顶高9 0%处开始修形至齿顶位置；该公司同时开展了修形后HCR直齿圆柱齿轮和LCR直齿圆柱齿轮的性能对比试验,结果表明，修形后HCR直齿圆柱齿轮在失效率为10%时的疲劳寿命为LCR直齿圆柱齿轮的2 倍，胶合承载能力略强于LCR直齿圆柱齿轮的。由此可知,对HCR直齿圆柱齿轮进行合理修形，可以有效降低齿轮的齿面接触温度,增强齿轮的抗胶合能力，但是目前对HCR直齿圆柱齿轮修形方法的研究处于借鉴LCR直齿圆柱齿轮的阶段,还需要深人研究以解决HCR直齿圆柱齿轮升温过高、抗胶合能力不足的问题。法国国营航空宇宙航行工业公司研制的SA-图3麦克唐纳-道格拉斯公司研制的高重合度直齿圆柱齿轮行星轮系主减速器39 重合度齿面宽度/mm10083365N型“海豚”直升机主减速器行星传动系统如图440所示。该系统同样采用了HCR直齿圆柱齿轮的传动形式，其中太阳轮与行星轮、行星轮与固定齿圈啮合重合度分别为2.17、2.18,试飞结果表明，图4法国国营航空宇宙航行工业公司研制的SA-365N 型“海豚 直升机主减速器行星传动系统40 传动效率/%99.9399.85131170652HCR直齿圆柱齿轮可以大幅增强行星轮系的承载能力，同时降低和减小传动系统的噪声和振动幅值。意大利Agusta公司在A109型直升机主减速器输入级齿轮的改进升级中采用了HCR直齿圆柱齿轮，改进后的直升机型号为AW109，该直升机主减速器输人级如图533 所示。相对于改进前,该传动系统传动功率增大10%，齿轮齿宽减小2 0%，质量减小8%，在试验台上测量的齿轮啮合频率噪声声压级平均减小9 dB，在不同飞行状态下噪声声调（频率）稳定，最大噪声A计权声压级减小13dB。图5意大利Agusta公司研制的AW109型直升机主减速器输入级332HCR直齿圆柱齿轮在我国航空领域中应用的技术挑战国内针对HCR直齿圆柱齿轮传动技术的研究起步于2 0 世纪8 0 年代，我国引进了法国SA365N1型“海豚”I直升机的生产专利进行生产和国产化，国产型号为直8 重型直升机，该直升机主减速器采用HCR直齿圆柱齿轮，直至2 1世纪初，国内才真正开始对HCR直齿圆柱齿轮进行应用研究。鉴于HCR直齿圆柱齿轮在航空传动系统中的独特优势和广阔应用前景，国内明显加大了对HCR直齿圆柱齿轮传动技术的研究力度，以求有所突破，从而实现我国航空传动系统的技术跨越。南京航空航天大学、西北工业大学、济南大学等高校的研究人员针对HCR直齿圆柱齿轮的强度分析、齿接触分析、振动特性分析等开展了持续性的研究，促进了国内HCR直齿圆柱齿轮传动的理论发展。国内一些研究机构开展HCR直齿圆柱齿轮传动的应用研究，初步获取了HCR直齿圆柱齿轮传动济南大学学报（自然科学版）特性。近年来，国内虽然在HCR直齿圆柱齿轮传动技术领域取得了一定的研究进展,但是HCR直齿圆柱齿轮在我国航空传动系统技术应用仍然偏少，主要技术难度有以下几个方面：1)HCR直齿圆柱齿轮疲劳强度计算标准缺乏。目前尚无公开的HCR直齿圆柱齿轮传动强度计算标准和软件。美国齿轮制造协会（AGMA）齿轮计算标准中明确说明，该标准不适用于端面重合度大于2的直齿圆柱齿轮的精确设计；ISO齿轮计算标准虽然考虑了重合度大于2 的情况，但是并未对载荷在多对啮合轮齿间的分配进行计算，而是进行了简单的修正41-43，也不能准确计算HCR直齿圆柱齿轮的强度。目前关于HCR直齿圆柱齿轮的研究还主要局限于齿根弯曲应力计算分析，所进行的弯曲应力测量验证试验也是在非运转条件下进行的，后续还需要对HCR直齿圆柱齿轮的接触强度、胶合强度等进行进一步探讨，并开展全尺寸航空传动试验件真实工况条件下的验证，为HCR直齿圆柱齿轮在轻质大功率航空动力传动系统中的工程应用提供指导。2)HCR直齿圆柱齿轮的修形方法欠缺。由于HCR直齿圆柱齿轮设计需要采用较小的压力角和较大的齿顶高系数，因此在齿顶易出现较大滑动率，从而增大胶合风险。HCR直齿圆柱齿轮设计节省的质量很有可能超过为了保证胶合承载能力而增大齿宽所导致的质量增加。为了减小胶合风险，需要通过修形等措施避免齿轮发生胶合损伤，改善运行可靠性。根据麦道公司和西科斯基飞行器公司的试验结果,要降低HCR直齿圆柱齿轮的齿面接触温度，减小胶合风险，必须对齿轮进行修形。HCR直齿圆柱齿轮的修形方法的研究现在还处于借鉴LCR直齿圆柱齿轮的阶段，虽然取得了一定的效果,但是效果较差。有学者从振动的角度考虑修形，以振动为目标进行修形，这些均与实际需求有一定差距。3)HCR直齿圆柱齿轮齿面渗碳工艺不完善。通常情况下,HCR直齿圆柱齿轮齿顶高系数较大，齿顶厚较小，齿顶较尖，但是为了使齿轮具有更长的使用寿命，会采用渗碳、渗氮等工艺，薄齿面渗碳和渗氮容易造成齿顶变脆而发生崩齿。为了避免齿顶尖部出现崩齿或断裂,HCR直齿圆柱齿轮齿顶一般不渗碳，在渗碳前进行镀铜保护。镀铜保护后齿顶的硬度降低,这时齿轮的耐磨性成为一个突出问题，第37 卷第5期因此齿轮的热处理工艺成为HCR直齿圆柱齿轮生产中的一个难点，需要进一步深人研究。4)HCR直齿圆柱齿轮润滑设计不完善。采用HCR直齿圆柱齿轮存在的不可避免的缺陷是轮齿高度增加使齿间啮合的滑动速度增加，导致较高的功率损耗，齿面温度较高，传动效率降低。HCR直齿圆柱齿轮虽然在齿轮的弯曲和接触强度方面具有优势，但是胶合风险增大。为了顺利带走产生的热量，减小胶合发生概率,HCR直齿圆柱齿轮需要更苛刻的润滑要求。3结论国外HCR直齿圆柱齿轮传动技术已逐步在航空传动系统中进行工程应用，而在国内该技术存在一定的差距，尚未形成成熟的设计理论和方法，工程应用仍存在的一些技术问题呕待解决，主要表现在以下几个方面：1)HCR直齿圆柱齿轮强度计算未形成通用的标准，关键设计参数的选取和计算系数的修正值还需要进一步确定，而不是简单套用；由于HCR直齿圆柱齿轮采用了大齿顶高系数、大变位系数和非标准的压力角，因此在强度计算时,如果采用标准齿轮的强度进行代替，则会产生较大误差，影响结果的准确性。2)HCR直齿圆柱齿轮的修形还未形成成熟的理论。HCR直齿圆柱齿轮接触形式的特殊性使得现有的修形理论无法满足需求，需要加强关于修形的研究，给出适合工程需求的修形方式和修形公式。3)HCR直齿圆柱齿轮齿轮的齿形特点决定了齿轮的齿顶厚度较小，对加工和热处理提出了新的挑战,现在加工方式和热处理工艺较单一，效果一般，需要对HCR直齿圆柱齿轮的加工和热处理工艺进行有针对性的研究。4)HCR直齿圆柱齿轮在齿顶和齿根处的滑动率较大，造成传动效率下降、发热量增加等问题，需要在设计中充分考虑，防止发生胶合等形式的破坏。参考文献：【1李发家。高重合度行星齿轮传动系统强度及动力学研究D.南京：南京航空航天大学，2 0 15.2范士超.考虑齿面弹性变形的高重合度直齿轮的修形及胶合研究D.济南：济南大学，2 0 2 1.3 鲍和云.两级星型齿轮传动系统分流特性及动力学研究D.南京：南京航空航天大学，2 0 0 6.【4唐鑫，朱如鹏，杨卯生，等。新型高温渗碳不锈航空齿轮钢齿康丽霞，等：高重合度直齿圆柱齿轮在直升机传动系统中的应用2010,33(7):53.13李杰，张磊，赵旗大重合度汽车变速器齿轮的接触应力与噪声分析J汽车技术，2 0 0 9（4)：7.14 罗立风，陈谌闻.大重合度直齿轮刚度的测量研究与边界元计算J.齿轮，19 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