CN110083979A - 一种重型直升机主减速器分扭传动均载设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种重型直升机主减速器分扭传动均载设计方法，属于齿轮传动技术领域，所述重型直升机主减速器的分扭传动结构包括一输入轴和两输出轴，两输出轴均与输入轴通过一对锥齿轮进行啮合传动，通过扭转刚度的调整实现分扭均载，具体包括以下步骤：步骤1：建立分扭传动结构三维模型；步骤2：建立分扭传动结构有限元模型；步骤3：计算均载系数Ω；步骤4：调整输出轴扭转刚度；步骤5：结果验证及调试。本发明采用计算机瞬态有限元仿真分析对分扭传动模型进行模拟分析，并通过调整输出轴的扭转刚度以匹配对应锥齿轮的接触力，最终实现分扭传动结构的均载传动。与传统理论计算调试方法相比，本发明具有效率高、成本低、工作量小的优势。

Description

一种重型直升机主减速器分扭传动均载设计方法

技术领域

本发明涉及齿轮传动技术领域，具体涉及一种重型直升机主减速器分扭传动均载设计方法。

背景技术

主减速器是直升机三大关键动部件之一，其性能的优劣直接影响直升机整体性能水平的高低。重型直升机主减速器主要采用两路分流技术将来自发动机的功率传输至并车齿轮上，再汇流以驱动螺旋桨转动。与传统行星传动相比，该减速器在相同条件下具有更大传动比、更轻质量的优势。其动力分流与汇流结构通常称为分扭传动结构，分扭传动结构的可靠传动和精确分流的实现有赖于加工方案的合理选择，主要考虑加工方案的可行性，以及加工误差和安装误差等的影响。

目前比较主流的均载方法是从齿轮误差(包括制作误差和安装误差)、刚体运动和齿轮变形三个方面展开，并通过计算得出理论的均载结构。这种研究方法理论复杂、计算量大、结果验证耗时长，无法快速、有效地得到调整方案。

因此，有必要提出一种新的分扭传动均载设计方法，可以快速得到调整方案，对于缩短调试周期、提高工作效率和降低成本提供帮助。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种重型直升机主减速器分扭传动均载设计方法，采用计算机瞬态有限元仿真分析对分扭结构进行计算、调整弹性轴的扭转刚度，从而使分扭传动结构实现均载传动，解决了现有技术效率低、成本高的问题。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种重型直升机主减速器分扭传动均载设计方法，所述重型直升机主减速器的分扭传动结构包括一输入轴和两输出轴，两所述输出轴均与输入轴通过一对锥齿轮进行啮合传动，其特征在于：通过输出轴的弹性模量调整扭转刚度，通过扭转刚度的调整实现分扭均载，具体包括以下步骤：

步骤1：建立分扭传动结构三维模型；

步骤2：建立分扭传动结构有限元模型；

步骤3：计算均载系数Ω；

步骤4：调整输出轴扭转刚度；

步骤5：结果验证及调试。

进一步，两对锥齿轮的均载系数分别为Ω1、Ω2，其表达式分别为：

其中，F1、F2分别为两对锥齿轮的接触力。

进一步，均载评价标准：Ω1、Ω2为1±0.05。

进一步，步骤4)中，根据两接触力的线性关系进行输出轴的扭转刚度的调整。

进一步，所述接触力取平稳阶段接触力的均方根值。

进一步，通过输出轴的弹性模量调整扭转刚度，使两输出轴的扭转刚度之比与两输出轴所对应锥齿轮的接触力之比相同。

本发明的有益效果在于：

本发明采用计算机瞬态有限元仿真分析对分扭传动模型进行模拟分析，并通过调整输出轴的扭转刚度以匹配对应锥齿轮的接触力，最终实现分扭传动结构的均载传动。与传统理论计算调试方法相比，本发明具有效率高、成本低、工作量小的优势。

附图说明

图1为本发明所涉及的分扭传动结构的结构简图；

图2为本发明所涉及的分扭传动结构的结构示意图；

图3为均载前输出轴的结构示意图；

图4为均载前接触力随时间波动图；

图5为均载前均载系数随时间波动图；

图6为均载后接触力随时间波动图；

图7为均载后均载系数随时间波动情况图；

图8为均截后输出轴的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的上述描述中，需要说明的是，术语“一侧”、“另一侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“相同”等术语并不表示要求部件绝对相同，而是可以存在微小的差异。术语“垂直”仅仅是指部件之间的位置关系相对“平行”而言更加垂直，并不是表示该结构一定要完全垂直，而是可以稍微倾斜。

本实施例提供一种重型直升机主减速器分扭传动均载设计方法，该设计方法所涉及的重型直升机主减速器的分扭传动结构1，如图1所示，其包括一输入轴2和两输出轴3，两输出轴与输入轴均通过一对锥齿轮4进行啮合传动，本设计方法主要创新在于：通过输出轴的弹性模量调整扭转刚度，通过扭转刚度的调整实现分扭均载，具体包括以下步骤：

1、建立三维模型：

通过UG、PRO－E或SOIDWORKS等三维软件建立分扭传动结构的参数化模型；

2、建立有限元模型：

将分扭传动结构的三维参数化模型导入ANSA软件中，进行有限元网格划分并施加相应的边界条件；

3、计算均载系数Ω：

运用Ls－Dyna软件进行有限元仿真模拟计算，得出原始扭转刚度条件下的均载情况，通过监测两对锥齿轮的啮合力大小得出均载系数，确定两个输出点的动力输出大小关系；

4、调整输出轴扭转刚度：

选取载荷和啮合力较大一侧的输出轴，调整其扭转刚度，在仿真中的具体操作为在有限元模型中调整其材料参数，修改弹性模量；

5、结果验证及调试：

对修改扭转刚度后的新模型再次进行仿真计算，监测两对锥齿轮啮合力，确定两个输出点的动力输出大小关系，根据新模型的均载情况再次对输出轴扭转刚度进行调整，直到实现均载为止。

经过实验表明：若F2/F1为K，F1所对应的输出轴的扭转刚度应调整为原始的K倍。

下面用一实施例对上述方法作进一步阐述：

先建立分扭传动结构的三维模型，如图2所示，其具体包括一输入轴2和两输出轴，两输出轴为设置在输入轴近端的输出轴I31和远端的输出轴II32，输出轴I与输入轴通过一对锥齿轮I41进行啮合传动，输出轴II与输入轴通过一对锥齿轮II42进行啮合传动，其中，输出轴I和输出轴II为相同尺寸的空心轴结构，其内径为φ20，外径为φ33.5，其截面如图3所示。

然后建立有限元模型并计算，得到锥齿轮I及锥齿轮II的接触力F1、F2，由F1、F2计算两对锥齿轮的均载系数Ω1、Ω2：

若均载系数Ω1、Ω2在1±0.05范围内，则满足均载要求。

但由于结构原因，两输出轴等刚度情况下，近端锥齿轮I接触力F1远大于远端锥齿轮II接触力F2，该结构的锥齿轮接触力随时间波动情况如图4所示，均载系数随时间波动情况如图5所示，此时，两输出轴等刚度的均载系数的误差为1±0.15，需要进行调整。

调整策略：载荷较大的动力支流需减小其输出轴的扭转刚度，以减小承受载荷；根据接触力之比对输出轴扭转刚度进行调整。

本实施例采用平稳阶段锥齿轮接触力的RMS值(即均方根值)作为接触力，可剔除一些异常值，使结果相对准确，更加接近于真实水平。

根据上述方法得到F1及F2，并得出F2/F1为0.74，则需将输出轴I的扭转刚度调整为原始的K倍。

同时，扭转刚度与材料弹性模量成正比。因此，在有限元模型里只需将输出轴的弹性模量调整为原始的0.74倍，即可实现其扭转刚度的调整。

调整后，再次计算，其锥齿轮接触力随时间波动情况如图6所示，均载系数随时间波动情况如图7所示，两输出轴等刚度的均载系数有了显著变化，其误差稳定在1±0.05范围内，已满足均载要求。

而在实际生产中，可通过有限元模型所确定的扭转刚度方案调整输出轴的内外径。为了将近端输出轴扭转刚度降低到0.74倍，通过扭转刚度计算公式和对原始输出轴内外径尺寸参数进行调整，最终得到输出轴内外径参数，如图8所示，其内径为φ19.5，外径为φ31.3。

上述实例采用计算机瞬态有限元仿真分析对分扭传动模型进行模拟分析，并通过调整输出轴的扭转刚度以匹配对应锥齿轮的接触力，最终实现分扭传动结构的均载传动。通过该方法，可以迅速得出调整方案，进而指导企业生产制造，有利于降低设计费用和制造成本。

Claims (6)

1.一种重型直升机主减速器分扭传动均载设计方法，所述重型直升机主减速器的分扭传动结构包括一输入轴和两输出轴，两输出轴均与输入轴通过一对锥齿轮进行啮合传动，其特征在于：通过输出轴的弹性模量调整扭转刚度，通过扭转刚度的调整实现分扭均载，具体包括以下步骤：

步骤1：建立分扭传动结构三维模型；

步骤2：建立分扭传动结构有限元模型；

步骤3：计算均载系数Ω；

步骤4：调整输出轴扭转刚度；

步骤5：结果验证及调试。

2.根据权利要求1所述的一种重型直升机主减速器分扭传动均载设计方法，其特征在于：两对锥齿轮的均载系数分别为Ω1、Ω2，其表达式分别为：

其中，F1、F2分别为两对锥齿轮的接触力。

3.根据权利要求2所述的一种重型直升机主减速器分扭传动均载设计方法，其特征在于：均载评价标准：Ω1、Ω2为1±0.05。

4.根据权利要求1所述的一种重型直升机主减速器分扭传动均载设计方法，其特征在于：步骤4)中，根据两接触力的线性关系进行输出轴的扭转刚度的调整。

5.根据权利要求4所述的一种重型直升机主减速器分扭传动均载设计方法，其特征在于：所述接触力取平稳阶段接触力的均方根值。

6.根据权利要求5所述的一种重型直升机主减速器分扭传动均载设计方法，其特征在于：通过输出轴的弹性模量调整扭转刚度，使两输出轴的扭转刚度之比与两输出轴所对应锥齿轮的接触力之比相同。