直升机旋翼桨毂结构形式

直升机旋翼桨毂（含主桨尾桨）结构形式
1.简介
尾桨是用来平衡反扭矩和对直升机进行航向操纵的部件。

旋转着的尾桨相当于一个垂直安定面，能对直升机航向起稳定作用。

虽然后桨的功用与旋翼不同，但是它们都是由旋转而产生空气动力、在前飞时处于不对称气流中工作的状态，因此尾桨结构与旋翼结构有很多相似之处。

尾桨的结构形式有跷跷板式、万向接头式、铰接式、无轴承式、“涵道尾桨”式等等。

前面几种形式与旋翼形式中的讨论相似，只是铰接式尾桨一般不设置摆振铰。

70年代以来，又发展了无轴承尾桨(包括采用交叉式布置无轴承尾桨)及“涵道尾桨”。

“涵道尾桨”是把尾桨置于机身尾斜梁的“涵道”之中。

涵道风扇直径小，叶片数目多。

前飞时尾面可以提供拉力，因此，可以减小尾桨的需用功率。

但在悬停时“涵道风功率消耗偏大，对直升机悬停和垂直飞行性能不利。

可以避免地面人员或机外物体与尾桨相碰撞，安全性好。

1.1. 名词解释（参考图
2.2-1）
1)水平铰（挥舞铰）的作用：发动机丁作时，旋翼便以一定的转速转动。

在飞
行过程中(如前飞)，由于飞行速度的存在，使得旋翼前行桨叶的相对气流速度大于后行桨叶的相对气流速度，从而使前行桨叶产生的升力大于后行桨叶产生的升力。

若没有水平铰，则由两侧桨叶升力大小不等所构成的滚转力矩，将使直升机倾斜。

有水平铰时，情况则不同。

前行桨叶升力大，便绕水平铰向上挥舞；后行桨叶升力小，便绕水平铰向下挥舞。

这样，横侧不平衡的滚转力矩就不会传到机身，从而避免了直升机在前飞中产生倾斜。

2)垂直铰（摆振或摆振铰）的作用：直升机前飞时，桨叶在绕旋翼轴转动的同
时还要绕水平铰挥舞。

桨叶作挥舞运动时，桨叶重心距旋翼轴的距离不断变化。

由理论力学得知，旋转着的质量对旋转轴沿径向有相对运动时，会受到
科氏力的作用。

而挥舞运动引起的科氏力是周期交变力。

有关直升机空气动力的资料表明，一片桨叶的科氏力的最大幅值可以高达桨叶自重的7倍以上。

这样大的科氏力会在旋转平面内造成很大的交变弯矩，在没有垂直铰的条件下，容易使桨叶根部因材料疲劳而提前损坏；传到机身，还会引起机身振动加剧。

有垂直铰时，就可以使桨叶绕垂直铰前后摆动一个角度，从而使桨叶根部承受的沿旋转方向的交变弯矩大为减小。

3)轴向铰的作用：通过操纵机构，可以使桨叶绕轴向铰偏转，以改变桨叶角(或
称桨距角)的大小，从而改变桨叶的拉力。

桨叶角增大，拉力增大；反之桨叶角减小，则拉力减小。

1.2. 运动形式（参考图2.2-1）
1)水平铰，允许桨叶上下运动，这种运动被称为挥舞，是设计用于补偿升力的
不对称性，挥舞铰可以位于螺旋桨旋翼不同距离的位置上，并且可能有不止一个铰链。

2)垂直铰，允许桨叶前后运动，这种运动被称为摆振。

阻尼器通常用于防止绕
摆振铰前后超过限制。

摆振铰和阻尼器的作用是补偿因科里奥利效应造成的加速和减速运动。

3)轴向铰，每片桨叶也都能变距，即绕桨叶展向轴旋转。

桨叶变距意味着桨叶
角的改变。

通过改变桨叶的桨叶角，可以控制主旋翼桨盘的拉力和方向。

2.铰接式
铰接式 (又称全铰接式 )旋翼桨毂是通过桨毂上设置挥舞铰、摆振铰和变距铰来实现桨叶的挥舞、摆振和变距运动。

典型的铰接式桨毂铰的布置顺序 (从里向外 )是由挥舞铰、摆振铰到变距铰，如图 2．2—1 所示。

也有挥舞铰与摆振铰重合的。

在轴向铰中除了用推力轴承来负担离心力并实现变距运动外，另一种流行的方式是利用弹性元件拉扭杆来执行这个功能，如图 2．2—2 所示。

这样在旋翼进行变距操纵时必须克服拉扭杆的弹性及扭短，为了减小操纵力，就必须使拉扭杆有足够低的扭转刚度。

图2.2-1
2.1. 优点
1)无
2.2. 缺点
1)铰接式构造复杂，维护检修工作量大，疲劳寿命低。

2)操纵功效及角速度阻尼小。

3.万象接头式
图 2．2—8 所示为 Bell47 型直升机万向接头式旋翼桨毂的构造，图 22-9 为其原理图。

两片桨叶通过各自的轴向铰和桨毂壳体互相连接，而桨毂壳体又通过万向接头与旋翼轴相连，分别通过万向节上不同的轴实现变距和挥舞运动；挥舞运动通过万向接头 B-B 铰实现，改变总距是通过轴向铰实现的，而周期变距是通过万向接头绕a-a 铰的转动实现。

3.1.优点
1)桨毂构造简单，去掉了摆振铰、减摆器。

3.2.缺点
1)铰接式构造复杂，维护检修工作量大，疲劳寿命低。

2)操纵功效及角速度阻尼小。

4.跷跷板式
跷跷板式旋翼由万向接头式旋翼发展
而来，跷跷板式旋翼有一个共用的中心水平
(挥舞)铰，没有垂直铰，而有轴向铰（或当
量变距铰），这种形式的尾桨既有铰接式的
特点，又有无铰式的特点。

跷跷板尾桨一般
没有结构锥度角，这是由子使拉力与离心力
平衡所需的结构锥度角很小，而且要兼顾带
功率状态和悬停状态力方向相反的鉴本特性所决定。

同时，往往挥舞铰与轴向铰不垂直布置，这样可以避免变距铰轴承每转1次的周期变距运动，减少磨损，提高寿命。

对于高性能的轻型直升机还可采用双跷跷板式尾桨，交错叠装在尾桨轴上的两套跷跷板式尾桨，可以提高尾桨推力(拉力)，并适当减小桨尖速度和降低噪声水平。

4.1.优点
1)桨毂构造简单，桨毂壳体只通过一个挥舞铰与旋翼轴相连。

2)去绰了摆振铰、减摆器，两片桨叶共同的挥舞铰不负担离心力而只传递拉力
及旋翼力矩，轴承负荷比较小，没有“地面共振”问题。

3)两片桨叶的离心力在桨毂轴套上相平衡，不传给挥舞铰，从而大大减轻了挥
舞铰轴承的负担，可以选用较小的轴承。

4)并且尾桨桨毂构造简单、紧凑、重量轻，通常用于轻型直升机的尾桨设计。

4.2.缺点
1)但是，这种旋翼操纵功效和角速度阻尼比较小，为了加大角速度阻尼，这种
形式的旋翼都要带机械增稳装置——稳定杆，没有办法改善操纵功效，对于机动性要求较高的直升机，上述缺点就很突出。

5. 无铰式
从 40 年代到 60 年代，铰接式旋翼是主要的旋翼形式。

在长期的应用中这种形式发展得比较成熟，经验也比较多。

但是，由于结构复杂、维护工作量大、操纵功效及角速度阻尼小等固有的缺点，这种形式不够理想。

因此，从 50 年代起，除了简化铰接式旋冀结构外，还开始了无铰式旋翼的研究工作。

经过长期的理论与试验研究，印年代末及 70 年代初无铰式旋翼进入了实用阶段。

带有无
铰式旋翼的宜升机如德国的 BO—105 ，英国的“山猫”(WG—13)等，它们取得了成功并投入了批生产。

与铰接式旋冀相比，无铰式旋翼的结构的力学特性与飞行的力学特性联系更为密切。

5.1.优点
1)尺寸比较紧凑，刚度也很大
2)变距铰在桨叶根部与桨毂相连，桨叶挥舞和摆振运动是通过玻璃钢桨叶根部
的弯曲变形来实现的。

5.2.缺点
1)会产生一些新的动力稳定性问题。

6. 无轴承式
不论是半铰接式尾桨还是“跷跷板”式尾
桨，都仍然带有挥舞铰、变距铰，致使结构重
量难以减轻，而且维护工作量大、寿命低。

同
旋翼一样，合乎逻辑的发展就是取消这些铰，
使结构简化，以提高尾桨使用的可靠性和寿命。

因此，作为发展无轴承旋翼的先导，在20
世纪70年代初出现了无轴承式尾桨，无轴承
式尾桨采用全复合材料结构，取消了挥舞铰和
变距铰，桨叶的变距运动由复合材料大梁扭转
变形来实现。

右图为S-76的无轴承尾桨。

它
由四片复合材料桨叶组成，采用交叉梁结构，
相对的两片桨叶大梁是一个整体，两个大梁交
叉叠置，用夹板夹持在一起；桨叶大梁是石墨复合材料，离心力在大梁中自身得到平衡，没有单独的桨毂，结构非常简单，与一般传统的尾桨相比，结构零件减少大约87%，重量减轻约30%。

6.1.特点
结构非常简单，重量轻，无轴承旋翼取消了挥舞铰、摆振铰和变距铰的旋翼，桨叶的挥舞、摆振和变距运动都以桨叶根部的柔性元件来完成。

7.涵道风扇式
直9直升机的“涵道风扇”式尾桨
7.1.优点
1)涵道风扇直径小，叶片数目多。

2)前飞时尾面可以提供拉力，因此，可以减小尾桨的需用功率。

3)可以避免地面人员或机外物体与尾桨相碰撞，安全性好。

7.2.缺点
1)但在悬停时“涵道风”功率消耗偏大，对直升机悬停和垂直飞行性能不利。

2)重量大，结构复杂，维护较烦琐。

8.电动尾桨
无人直升机尾旋翼变螺距独立驱动结构，该无人直升机尾旋翼变螺距独立驱动结构包括尾旋翼独立驱动结构本体和尾旋翼变螺距结构本体；其中，尾旋翼独立驱动结构本体包括：无刷电机、传动轴、三叶尾桨和三个尾旋翼；尾旋翼变螺距结构本体包括：变距滑环、变距拉杆、变距连杆和三个扭力杆。

本实用新型的无人直升机尾旋翼变螺距独立驱动结构可实现主旋翼与尾旋翼之间无需固定传动比传动，且在直升机主旋翼任意转速下，尾旋翼都可以产生足够的力来抵消机身的反扭矩。

改装自Bell 429型直升机
8.1.优点
1) 这种电动尾桨能独立控制，在直升机巡航飞行中可以采用较低的转速，降低油耗。

2) 同时结构上也可取消复杂的轴和齿轮箱的连接结构。

3) 大大提高尾桨的使用效率、直升机的安全性和其他性能。