直升机设计课程设计.doc

《直升机设计》课程设计

姓名:席华彬
学号:01990127

一、 题目
无人直升机旋翼桨毂（跷跷板式）设计
二、 任务
1． 选定桨毂结构型式，进行结构布置（重要是轴向铰）。
2． 桨毂外载荷计算。
3． 绘制桨毂装配工作图和零件（选1~2个重要零件）工作图。
4． 零件强度计算。
5． 编写桨毂设计说明书。
三、 原始数据
旋翼直径D 5.8m
旋翼转速n 491rpm
桨尖速度ΩR 150m/s
桨叶弦长b 0.2m
全机重量G 280kg
桨叶重量 8.6kg
桨盘载荷 102.41N/㎡
桨叶实度 0.0443
旋翼旋转方向 右旋（俯视）
旋翼输入功率N 55HP
四、 桨毂结构参数
桨毂预锥角δ 2.5°
桨毂悬挂高度 64mm
挥动调节系数 0
下限动角 δ 9°30′
五、设计规定
桨毂结构要合理，安全可靠，在满足强度规定的情况下，要尽量减轻桨毂的重量。

六、设计参数的计算与拟定
1、 桨毂预锥角δ
旋停状态下

δ=2.47º
在水平飞行下，拉力大于旋停状态，所以预锥角取大。
取δ=2.5º
2、 当量挥动铰外伸量
假定=1.124,当用铰接式旋翼代替，其挥动一阶固有频率一致。
=(1+/) , = =
求得
=0.433m
3、 桨毂悬挂高度h
在预锥角δ=2.5º时，桨叶重心高
h=Rsin2.5º/2=63.2mm
在水平飞行状态，桨叶的锥度角变大，所以h取大
取h=64mm

七、桨毂外载荷计算
桨毂承受由桨叶传来的各种载荷（挥动面的载荷、旋转面的载荷、铰链力矩）。在直升机各种工作状态，载荷情况各不相同。根据直升机强度规范，选用直升机在使用中会发生的并决定结构元件或整机最严重的工作状态的载荷作为桨毂静强度计算的载荷。
三种外载荷情况下，安全系数=1.2
1、 飞行状态，最大正过载系数n=2，旋翼转速1.25
桨毂受力图：

桨叶对桨毂的最大拉力 =
离心力 =
简化分析求弯矩
=-
最大弯矩
=
弯矩图：

桨毂受到的拉力图：

2、 旋翼加速，过载系数n=4
桨毂受到桨叶的惯性作用。
=0.82 n=55HP k=2
=1.570 KN·m
弯矩图：

3、 桨叶坠落在下限动块上，过载系数n=4.67
桨叶自重引起在中心的弯矩

在过载n=4.67下
=684.8 N·m
在桨叶任一剖面处弯矩：

弯矩图：

小结：
桨毂受力最严重的状态：
1、 在最大飞行正过载时，桨毂受到径向的拉力60.59KN。
2、 在加速启动时，桨毂在旋转平面受到最大弯矩为1.570 KN·m
所以设计桨毂时按以上两种载荷设计。

八、浆毂的构造分析说明
旋翼系统是跷跷板式，只有两片桨叶，这两片桨叶在结构上连成一体而共用一个水平饺，没有垂直饺。
为了消除不变气动载荷即拉力所引起的根部弯矩，在结构上将两片桨叶上翘一个结构锥度角δ，实现离心力和拉力在根部的弯矩平衡，使桨叶在挥动面卸载。
由于有了结构锥度角，在旋转面会引起一阶谐波的哥氏力，所以将悬挂点布置在桨叶的重心等高处，消除哥氏力。
由于桨叶要上翘一个角度,在结构上采用轴和桨毂连成一体时,在工艺性上,不易制造,所以采用轴和桨毂中心块分离,用螺栓固定,至于结构锥度角的设计,中心块上下螺栓孔偏2.5°,在轴上的螺栓孔就不必偏转角度.
桨毂中心块直接与旋翼轴通过销或螺栓相连,同时设计规定上规定有个限动角,在中心块上必须固定两个限动块,限动块要能更换,限动时通过限动块与旋翼轴相碰来限动,为了避免旋翼轴表面受到损伤,在旋翼上胶粘橡皮块.
桨毂中心块的材料采用铝合金,中心块内部需要切削的较多,铝合金的切削性能较好,比强度较高.
轴向铰的轴是个重要受力部件,材料采用合金钢,轴向铰设计成传统的形式,离心力由推力滚子轴承来承受,弯矩由两个向心轴承来承受.
离心力的传力:桨叶固定在桨壳的夹板上,桨壳通过挡片传递离心力到套筒,套筒抵住推力轴承,而推力轴承的此外一侧由套筒和轴帽,所以离心力最终传到轴帽上,由螺纹来承受,为了增长安全性,在轴帽和轴通过螺纹固定后,在外加销子,防止松动.
弯矩的传递:弯矩直接由桨壳传递给两个向心轴承,在传给轴,轴的材料密度高,所以采用空心轴减少重量,但在其与中心块连接处仍然是实心的,
由于轴向铰存在轴承,所以必须用油润滑,并在挡片与桨壳连接处加密封圈,在桨壳的上下各设计一个加油和放油螺栓.同时用保险丝固定两螺栓.加油孔开在靠近桨毂中心,这样油在离心力的作用下能流动.
摇臂固定在挡片和桨壳中间.

九、轴向铰中重要构件的强度计算
1、 向心轴承的选取
向心轴承承受的最大弯矩1.570/1.2=1.308 KN·m
初取轴承间距为l=60mm
因该向心轴承工作状态为摆动，载荷必须乘系数c≥0.5，取c=0.6
推力滚子轴承也参与承受小于30%弯矩，取30%

轴承选取：深沟球 特轻（0）系列6008
内径d=40mm 外径D=68mm 宽B=15mm 额定动负荷=13.2KN
额定静负荷 =9.42KN
2、 推力滚子轴承的选取
⑴、设推力轴承上传递30%的最大弯矩
预取推力轴承的外径70mm
压力P=1.570×30%/70/1.2=5.607KN
⑵、在飞行最大正过载时
压力P=60.59/1.2=50.49KN
所以按最大飞行正过载选取：
推力滚子轴承 81108
内径d=40mm 外径D=60mm 宽B=13mm 额定动负荷=37.2KN
额定静负荷=115KN
3、 轴的强度校核
轴外径D=40mm，材料为合金钢40CrNi，
⑴、在承受最大弯矩时
危险截面为固定两向心轴承处

得轴的厚度δ≥2.55mm
⑵、在最大飞行正过载时

得轴的厚度δ≥0.25mm
考虑到轴上要攻螺纹,其轴的厚度不能太薄,取4mm.
其剩余强度系数
η=
固定轴的螺栓校核
螺栓采用标准件，材料40Cr，=785Mpa
螺栓个数z=4 可靠性系数c=1.1 接合面数m=2 摩擦系数f=0.1
控制预紧力,安全系数S=1
在最大飞行正过载下

考虑到轴与中心连接的螺栓过多过大，设计上采用两个螺栓，加套筒承受横向力。
套筒选用材料铝合金LY4，
其外径暂取D=12mm
则套筒受到的剪力
F=60.59KN/2
套筒的厚度为
≥2.77mm
取厚度=3mm
其剩余强度系数
η
螺栓不受横向力和轴向力，但螺栓的直径不能太小,否则由于是标准件,螺杆的长度不够,所以取螺栓M8,螺杆长6～81mm其小径=6.647mm
4、 桨壳强度校核
桨壳的材料为铝合金，
其外径约为80mm～100mm，在最大弯矩下，

求得0.87mm≤δ≤1.36mm
在最大飞行正过载时所需厚度更小，
由于桨壳内部是钻孔加工的,厚度不能太薄,取厚度δ=4mm
桨壳通过螺栓与桨毂相连，预取螺栓个数为z=4个
螺栓最大工作载荷

因是个不变的力，取残余预紧力
螺栓的总拉伸载荷
螺栓采用标准件，材料40Cr，=785Mpa
控制预紧力 安全系数S=1
螺纹小径

取螺栓M8 =6.647mm
5、 套筒及轴的螺帽强度校核
套筒两个,作用是固定向心轴承和传递离心力
其外径约80mm～90mm材料为铝合金，
在最大飞行正过载时

得厚度0.26mm≥δ≥0.21mm
设计套筒时可按固定规定设计,厚度条件很容易满足.
轴与螺帽螺纹连接,螺纹必须满足强度条件.
螺纹校核 螺纹细牙 M40-2,螺距3mm

所以螺纹的强度达成规定
6、 固定桨叶的螺栓的强度校核
固定桨叶的螺栓选取:
螺栓沿径向布置,个数z=2
取螺栓的可靠性系数c=1.3 接合面数m2 摩擦系数f=0.15
考虑两个受力状态
⑴、最大弯矩状态
暂设螺栓间距l=80mm

螺栓的轴向力

⑵、最大飞行正过载时

所以按最大飞行正过载选取
螺栓材料40Cr，=785Mpa
螺栓受到一个不变的力,安全系数S=1

取M20，其.由于螺栓太大,采用螺栓加套筒的形式.
套筒选用材料铝合金LY4，
其外径暂取D=12mm
则套筒受到的剪力
F=60.59KN/2
套筒的厚度为
≥2.77mm
取厚度=3mm
其剩余强度系数
η
螺栓不受横向力和轴向力，但螺栓的直径不能太小,否则由于是标准件,螺杆的长度不够,所以取螺栓M8,螺杆长6～81mm其小径=6.647mm

7、 挥动铰销子强度校核
材料合金钢40CrNi，
暂取销子长l=60mm
⑴、在最大飞行正过载时

P P

⑵
P

P

所以取最大弯矩状态校核

得D=8.6mm
作为旋翼轴的销子,其受力为交变应力,所以出于安全考虑,销子直径取大.
旋翼轴直径为60mm，取销子直径d=25mm

8、限动块的销的强度校核
桨叶坠落在下限动块上，过载系数n=4.67
桨叶自重引起在中心的弯矩为684.8KN﹒m
销的材料暂取合金钢
其强度极限
销受剪力作用,假定弯矩对限动块的力臂长48mm

销的强度符合规定

十一、参考资料：
1、杨可桢 程光蕴主编：《机械设计基础》，第四版，高等教育出版社，2023年
2、孙之钊 萧秋庭 徐桂祺编：《直升机强度》，航空工业出版社，1990年
3、张呈林 张晓谷 郭士龙 朱《直升机部件设计》，航空专业教材编审组，1986年
4、Thomas A.Stellman G.V.Krishnan著，王淇等译《精通Autocad2023》，机械工业出版社，2023年
5、刘鸿文主编：《材料力学》就，第三版，高等教育出版社，1992年
6、朱如鹏 郭学陶编：《机械设计课程设计》，航空工业出版社，1995年
7、《航空机械设计手册》，1975年
8、 王适存著《直升机空气动力学》，南京航空航天大学
设计小结：
通过为期一个月的课程设计,初步掌握了直升机零件设计的环节,从强度分析,计算到
结构形式的选取,从材料的选取和强度的校核.比较系统地应用了所学到的部件设计,气动,
材料力学,及机械设计的基础知识.但从整个设计过程来说,也暴露了一些问题.一,对设计环节的了解不是很清楚.二,对手册的应用能力不强,这也反映了机械设计课程学习不扎实.三,由于是初次设计直升机部件,其最小重量设计原则的设计规定没有很好的注意,导致剩余强度系数偏大.