某新型直升机传动系统弯_扭耦合振动特性研究

( 6)
g
分
= 0 % i j- 1
+ c
i ujj+ 1
i u jj- 1 % i j
( -
%பைடு நூலகம்i j
) + k ujj- 1 (
i ujj+ 1 i j
i
i j
i j+ 1
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i j i j
(
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) + k
(
i j
-
)
∋m
i= 1
4
pi
r& c
2
+ F
i ii- 1 j
采用倾转旋翼技术的直升机, 它以普通直升机的 方式垂直起降, 以固定翼飞机的方式巡航飞行, 故其兼 具普通直升机受起降场地限制小, 固定翼飞机速度快 效率高的优点, 代表了未来直升机的发展方向, 目前美 [ 1] 国、 欧盟、 日本、 俄罗斯都在竞相发展倾转旋翼飞机 , 并已进入技术实用阶段, 而我国对该项技术 , 特别是对 倾转旋翼机传动系统的研究很少。倾转旋翼飞机的传 动系统是一个复杂的齿轮耦合转子系统, 在其工作过 程中, 受到旋翼的空气动力激励与传动系统中的不平 衡激励、 摩擦激励以及时变刚度等因素的综合影响 , 特 别是在飞行模式转换的过渡状态, 还受到较大的陀螺 力矩作用, 导致传动系统 产生复杂的振动特性。振动 一方面产生噪声 , 另一方面也减低了飞机的寿命、 可靠 性和舒适性。 倾转旋翼机在飞行过程中 所受的气动载荷, 特别 是旋翼所受气 动载荷是传动 系统的主要 激振力。 A. [ 3] Okan 等分析了某无人驾驶倾转旋翼机三种主要飞行 [ 4] 状态下的飞行力学特性。 Ohseop Song 等建立了某先 进倾转旋翼机翼系统的数学模型并计算分析了其振动 [ 5] 特性。 Jayanarayanan 等 利用 耦 合 计算 流 体 动 力学 ( CFD) 分析了倾转旋翼机桨叶上的气动载荷。 在倾转 旋 翼 机传 动 系 统的 研 究方 面 , Robert C. B ill 博士在美国陆军先进旋翼飞行器传动系统项目 概要中给出了 倾转旋翼 飞机传动 系统的经 典结构方 [ 7] 案。缪君 等研究了倾转旋翼飞机传动系统的扭转振 动特性 , 取得了开创性的成果 , 但在其研究中未考虑横
振 第 28卷第 10期
动 与
冲
击 V o. l 28 N o . 10 2009
J OU RNAL O F V IBRAT I ON AND SHOCK
某新型直升机传动系统弯 - 扭耦合振动特性研究
郭家舜, 王三民, 刘海霞
( 西北工业大学 机电学院 , 西安 710072)
摘
要: 倾转旋翼机是一种新型直升机, 是各航空强国争相研 究的航空前 沿技术, 传动系统 作为倾转 旋翼机的 关
1. 涡轮轴发动机 2 . 联轴器及离合器 6、 11 . 附属 装置 3、 4、 5 、7 、 8、 9、 10、 12 、13. 定轴 轮系 部分中 的齿 轮 14 . 中间 齿 轮箱 15. 太阳轮 16 . 行星轮 ( 4 个均布 ) 17. 内 齿圈 18 . 行 星架 19. 旋翼与桨毂 图 1 倾转旋翼机传动系统的传动简图 表 1 传动系统中各齿轮的部 分参数 齿轮编 号 3 4 5 7 8 9 10 12 13 15 16 17 齿数 25 76 29 30 71 32 34 40 40 25 41 107 法面模数 /mm 螺旋角 / 3. 5 3. 5 3. 5 4 4 4 4 4. 6 4. 6 3. 56 3. 56 3. 56 25 25 25 24 24 24 24 30 30 33 33 33 齿宽 /mm 52 52 21 73 71 61 61 79 79 80 80 80
统各部件作为集中质量元件 ; ! 把各轴段质量按质心 不变的原理等效到轴的两端, 并将其视为连接两个相 邻集中质量元件的扭转弹簧和弯曲弹簧; ∀ 把每个集 中质量元件的弹性支承处理为弹簧。 # 不考虑行星 轮系和旋翼的横向振动; ∃ 阻尼的作用方式与刚度相 同 , 为了简化图示没有在图中标出。 由于传动系统是一个多轴 齿轮耦合复杂系统 , 对
键系统 , 其振动特性对直升机的飞行性能和飞行安全有直接影 响。以该型直 升机发动机 短舱内的传 动系统为 研究对象 , 根据其传动结构 , 采用集中质量法 , 在考虑时变啮合刚度等 因素的情况下 , 建立了新型直升机传动系统的弯 - 扭 耦合动力 学模型和动态响应方程 , 根据倾转旋翼机的飞行特点 , 针对 其在起降、 巡航和过渡三种状态下的旋翼激励对传动 系统动态 响应进行了数值求解 , 最后研究了传动系统中齿轮啮合的动载系数 的变化特 点 , 得 出在过渡状 态下系统存 在拍振现 象的 结论。研究工作对倾转旋翼直升机的传动系统的可靠性分 析、 动态 效率分析 和动态优化 设计等均有 重要意义 , 并为我 国 新型直升机传动系统的研制奠定基础。 关键词 : 直升飞机 ; 倾转旋翼 ; 传动系统 ; 弯 扭耦合 ; 飞行状态 ; 激励 ; 动载系数 中图分类号 : TH 113 文献标识码 : A
%
F sp i = csp ! sp i + ksp ( t ) ! spi,
%
i= 1 , 2 , 3 , 4
图 3 第 i 个轴上的第 j个集中质量
m x + c x + k x + k + k
i j j+ 1
i%% i j j
i% i bj j i j
i i bj j
i j j- 1
(x - x
i%% i j j ii+ 1 i ii- 1
! rp i = [ r p i pi - r& c c cos ] cos∀ 在式 ( 1 ) ~ 式 ( 6) 中 : x ( 各集中质量沿 x 方向的位移 ; y ( 各集中质量沿 y 方向的位移 ; ( 1) ( 各集中质量的振动角位移, 式 ( 4 ) 中 R 、 别是旋翼、 与太阳轮相连接的齿轮的振动角位移 ; I ( 各集中质量的转动惯量 , 式 ( 4 )中 : I& c = Ic + m ( 各集中质量的质量 ;
每个轴建立一个局部坐标系 , 针对建立一个整体的总 坐标系 OX Y, 如图 2( a) 所示。为了清楚地表示行星轮 系中各构件间的作用关系, 图 2( b) 给出了行星轮系的 局部动力学模型。图 2( c) 为平行轴之间的相位关系, 其相位角分别为 1 ~ 5。行星轮系中的部件和旋翼各 具有 1 个自由度 , 其它集中质 量各具有 3 个自 由度。 最终的模型共有 49 个自由度。
∋F
i= 1
4
rp i
r& c cos = 0
s
%%
+ cusg (
4 sp i s
-
% g
) + k usg (
-
g
)
( 4)
∋F
i= 1 %%
r = 0
Ip p i - F sp i rp + F rp i rp = 0 , i= 1 , 2 , 3 , 4 太阳轮和行星轮啮合时沿啮合线方向的啮合力 F spi 和 相对位移 ! spi 为: ( 5) ! sp i = [ rs s - r p i pi - r& c c cos ] cos∀ 内齿圈和行星轮啮合时沿啮合线方向的啮合力 F rpi 和 ! rp i相对位移为 : F rp i = crp ! rp i + krp ( t ) ! rpi,
r - F
i ii+ 1 j
r = T
i- 1 j
若 m 不是齿轮, 则 F ii- 1 = F ii + 1 = 0 。 若 m 是齿轮 , 则 m
i j i j
是主动轮 , m
i j
i+ 1 j
是从动轮 ,
i- 1
m 是中间轮。且当 m 是斜齿轮时 , m 和 m j 合力 F ii - 1和相对位移 ! ii - 1的表达式为: F ii- 1 = cii- 1 ! ii- 1 + k ii- 1 ( t ) ! ii- 1 ! ii- 1 = [ ( x j (y - y rj
i j i- 1 i- 1 j i j i- 1 j i- 1 %
间的啮
r ( 各集中质量的半径 , 式 ( 4 )中 r & c = rs + rp i; , ii- 1 = ii- 1 ii+ 1 = ii+ 1 第 i+ 1 ii - 1, ii + 1 ( 第 i 个轴分别和第 i - 1 个轴、 个轴之间的相位角 ; ( 齿轮的压力角; ∀( 斜齿轮的螺旋角; ∀ m ( 弧齿锥齿轮的中点螺旋角; p ( 弧齿锥齿轮对中主动轮的节锥角 ; k ( 刚度系数, 具有下标 u 的是扭转刚度 ; c( 阻尼系数, 具有下标 u 的是扭转阻尼; k ( t ) ( 齿轮间的时变啮合刚度函数
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振 动 与 冲 击
2009 年第 28卷
方程联立, 即可获得传动系统的振动微分方程。如图 3 i 所示的第 i 个轴上第 j 个集中质量 m j 的振动微分方程 如下:
I& c Is +
%% c 4
+ cucR (
sp i
% c
-
% R
) + k ucR (
c
-
R
)
∋F
i= 1 s
r& c cos % s
[ 6]
向振动与扭转振动的耦合作用 , 也未考虑啮合刚度的 时变性。在实际中 , 传动系统的 各个部件的支承都具 有一定弹性, 这样传动系统中的各个部件不仅有扭转 方向的振动, 其横向振动也变得的不可忽视, 且扭转振 动和横向振动由于齿轮间的啮合作用 , 产生了较强的 耦合效应。本文以某倾转旋翼直升机传动系统为研究 对象 , 建立了该系统精细的弯 - 扭耦合振动模型 , 对传 动系统在起降、 巡航、 过渡三种飞行状态下的弯 - 扭耦 合振动特性进行了研究 , 这对我国开展倾转旋翼飞机 技术的研究, 追赶世界先进水平具有重要的现实意义, 为我国倾转旋翼机传动系统的研制提供了理论支持。
ii- 1
i j
i j- 1
)
i= 1 , 2 , 3 , 4
(x - x
i% i bj j i
i j+ 1
) + F ii- 1 sin
i i i i
- F ii+ 1 sin
i%% i j j i
ii+ 1
= 0
i
m y + c y + kbj yj + kj j- 1 ( yj - y j- 1 ) + kj j+ 1 ( y j - yj+ 1 ) - F ii- 1 cos + F ii+ 1 cos I
2 振动微分方程
采用轴单元法建立图 2 所示的多轴 齿轮耦合复杂 系统振动方程。首先在各轴的局部坐标系 o i x i y i 下 , 建 立该轴上各集中质量的振动微分方程 , 并将各集中质 量的振动微分方程联立得各轴单元的振 动微分方程; 然后建立各齿轮副的耦合方程 ; 最后将各轴单元的振 动微分方程转换到总坐标系 OX Y 下, 并与各齿轮耦合
1 动力学模型
倾转旋翼直升机两侧机翼的端部各有一个发动机 短舱 , 两副旋翼分别安装在发动机短舱的前部 , 每侧的 发动机短舱内各有一台发动机, 以及一套主传动系统。 通过发动机短舱的旋转, 起飞时 ( 或降落时 ) 旋翼的升 力面与地面平行, 飞机以直升机方式起飞 (降落 ) ; 达到 一定高度后, 旋翼的升力面与地面垂直 , 推动飞机以固 定翼飞机的方式 (巡航模式 )飞行。传动系统将发动机 的动力转化为需要的输出功率及旋翼转速 , 并通过传 动系统驱动其它附属装置。当倾转旋翼机的一台发动 机因故障停车时, 另一台发动机可以通过中间协调同 步减速器及固定翼中的横轴同时驱动两 副旋翼工作, 以保证飞行安全。 图 1 为某型倾转旋翼直升机的传动系统方案。整 个系统可分为五部分 : 涡轮轴发动机、 倾转 减速器、 中 间协调同步减速器、 互联驱动轴、 其它附属装置 ( 发电 机、 油泵、 液压泵等 )。为了减轻重量 , 缩小 尺寸, 提高 可靠度, 采用了高重合度的斜齿轮和弧齿锥齿轮传动,
基金项目 : 航空科学基金资助项目 ( 2006ZB53016 ) 收稿日期 : 2008 - 10- 13 修改稿收到日期 : 2008- 12- 02 第一作者 郭家舜 男 , 博士 , 1984年生
第 10 期
郭家舜等 : 某新型直升机传动系统弯 - 扭耦合振动特性研究
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系统中具有一 对弧齿锥 齿轮, 其它齿轮 均为 斜齿轮。 部分参数见表 1 。
注 : 各齿轮分度圆压力角均为 25
针对此传动系统, 本文 建立了如图 2 所示的集中 质量模型。图 2( a) 是整个传动系统动力学模型; 图 2 ( b)是对行星传动部分的细化 ; 图 2 ( c) 表示各平行轴 之间的相位关系。 在该模型中, 采用了如下处理原则:
图 2 传动系统动力学模型
把传动系