面齿轮传动技术在航空领域的应用分析

面齿轮传动技术在航空领域的应用分析

摘要：本文论述了国内外面齿轮传动技术在航空领域的发展情况，分析了不同面齿轮传动的结构特点，为后续面齿轮的结构研究提供参考。

关键词：面齿轮航空领域传动构型

1 概述

面齿轮传动是一种圆柱齿轮和面齿轮相啮合的传动，其最大优点为与其啮合的主动圆柱齿轮轴向位置精度要求低，不需要对主动齿轮进行精确的定位，同时面齿轮传动具有单级传动比大、结构紧凑等优点。面齿轮传动应用在航空领域，可以简化系统结构，提高可靠性。

2 国内外研究发展现状

2.1 国外面齿轮研究发展现状

大多数国外研究者把面齿轮的应用价值集中在航空业上。Handschuh和他的科研小组做了两个实验，分别是传动力矩在分流方面和动力学方面的，Handschuh提出小齿轮即使在自己的固有频率下工作同样能运行平稳，无共振发生，这是因为圆柱齿轮夹在两面齿轮中间，使其两侧轴向力相互抵消避免了共振情况出现。这种面齿轮可以应用于高速度、大功率的啮合传动装置，这使面齿轮应用在航天器上成为可能。

在2005年美国军方应用航空技术董事会AATD主办的一个研究成果中，把面齿轮啮合传动结构用在直升飞机的动力装置中（AH-64DApache武装直升机），在这个实验中已试运行60小时，面齿轮传动系统未出现异常。试验结果显示，面齿轮啮合传动可以提供大功率动力，从而达到重载荷的承受力。另外由芝加哥北星航宇公司和波音公司联合研究同样把面齿轮技术应用于直升机上，也已经平稳地运行了400多个小时，这些研究为面齿轮应用于实际奠定了基础。

面齿轮最新研究集中在高速重载齿轮啮合传动上，军用直升机减速器设计采

用两面齿轮夹一个小圆柱齿轮的结构。如果用两对锥齿轮传递动力，与联轴器相

连的轴上必须安装两个圆锥齿轮，对轴抗扭转性和支撑结构要求较高，因而重量

增加很大，但如果把两个大锥齿改为两个面齿轮，把两个小锥齿设计成一个小圆

柱齿轮轴，它的重量比原来结构降低了40%，且圆柱齿轮轴径向力正好平衡，振

动小、噪声低，研究效果显著。

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，其中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

果应用于阿帕奇最新改进型AH-64E，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， AH-

64E直升机于2009年试飞成功。

2.2 国内面齿轮研究发展现状

我国的工业起步较世界发达国家晚得多，在面齿轮方面还是局限在传动轴正

交的面齿轮传动系统，南京航空航天大学朱如鹏博士对面齿轮研究做了很大贡献，而且他领导的科研小组已成功研制出我国第一台面齿轮插齿机床，为我国研究面

齿轮起了带头作用，并给面齿轮的加工制造提供了设备条件。沈云波等对面齿轮

的啮合理论进行了研究，做了大量的数值仿真分析。分别对直齿和斜齿面齿轮进

行分析研究，提出了用于这两种面齿轮齿廓修形的方法。赵庆彬等对面齿轮传动

的啮合刚度理论展开了研究，将面齿轮传动中的圆柱齿轮和面齿轮简化为变截面

弹性悬臂梁。

国内近年也开展了面齿轮传动技术的研究与加工制造，主要进行了正交面齿

轮齿面设计、传动强度分析、接触印痕分析、动力学特性分析、面齿轮磨齿加工

工艺及齿面误差测量等方面的研究，并完成多类型面齿轮分扭主减速器试制加工

及试验验证等工作。

3 面齿轮传动构型分析

大量研究表明，大型、重型直升机主减速器采用分扭传动是传动系统发展的

大趋势，分扭传动采用大减速比并车齿轮可使传动系统的传动效率更高，结构简

单紧凑，能够有效减轻直升机传动系统的重量，提高传动系统的可靠性。对直升

机传动系统主减速器的结构形式进行了研究，形成以下三种面齿轮分扭传动结构

方案：

3.1 面齿轮分扭—人字齿轮并车传动构型

由于面齿轮传动可以同时实现换向和较大的减速比，采用一级面齿轮分扭—

一级人字齿轮并车的分扭传动方案，传动路线为“发动机—高速弹簧离合器—面

齿轮分扭—人字齿轮并车—旋翼轴”。该方案可同时实现减速、换向、分扭传动，减少了一级传动，结构简单，零件数目少，系统可靠性高，能够显著减轻主减速

器的重量。但该方案同时采用并车级大尺寸人字齿轮和换向级大尺寸面齿轮，造

成主减径向尺寸较大，在重型运输直升机传动系统中需要具有一定的应用空间，

但在径向尺寸要求十分紧凑的攻击直升机传动系统中装机适应性稍差。

3.2 面齿轮分扭—面齿轮并车传动构型

面齿轮分扭—面齿轮并车输出主减构型第一级采用非正交面齿轮分扭输入，

第二级采用面齿轮并车输出。该方案对比面齿轮分扭—人字齿轮并车传动构型，

第二级采用面齿轮并车，径向尺寸可减少，同时具有结构简单，传动级数少，能

有效减轻主减重量的效果，但并车距适用范围小，对于采用撑杆安装的武装直升

机同样存在装机适应性不强的缺点，且高速输入级和输出级均采用面齿轮传动，

尤其是输入级必须采用非正交面齿轮传动，技术难度大。

3.3 锥齿轮换向—面齿轮并车—行星轮系传动构型

锥齿轮换向—面齿轮分扭并车—行星轮系传动主减构型第一级采用锥齿轮输入，第二级采用面齿轮分扭并车，第三级采用行星轮系输出。第二级面齿轮分扭

并车传动由两个输入小齿轮、两个惰轮、尾传输出齿轮和上、下两个面齿轮组成，功率经输入小齿轮后分两路传递至上、下两个面齿轮，其中下端面齿轮功率又由

两个惰轮流向上端面齿轮以及由尾传输出齿轮流向尾传系统，功率在上端面齿轮

汇流后输出到第三级行星传动级。该结构相较前两种方案，可适当调整并车距范