大扭矩宽工作转速传动轴设计研究
聂慧阳 倪德
摘要：本文概述了某大扭矩宽工作转速传动轴设计过程中遇到的主要问题，通过分析传动轴设计过程中的影响因素，如强度、动力学特性、重量等，提出了对应的解决方法，并综合评估得到了符合该型传动轴设计要求的较优结构，可为后续同类大扭矩宽工作转速传动系统传动轴设计提供借鉴与参考。
关键词：传动轴;设计;重量;强度;动力学特性
中图分类号：G4 文献标识码：A
0 引言
传动轴是传动系统中的重要部件[1]，某传动轴具有扭矩大、工作转速变化范围大等特点。该型传动轴的主要功能是将减速器的输出转速及功率传递给后传组件。由此可知，传动轴设计的优劣将直接影响直升机的性能，一旦传动轴发生失效将造成严重事故。针对大扭矩宽工作转速传动轴，在设计中主要考虑对传动轴的强度设计[2]及临界转速设计[3-5]。
本文通过对该传动轴设计要求的分析，根据传动轴扭矩大、宽工作转速的特点，将传动轴设计成由2段轴组件组成的亚临界轴系，同时还对整个传动轴进行了重量评估，最终确定一种较优的设计构型。
1 主要设计要求
1.1传递功率与扭矩
传动轴传递的最大功率：2500kW;
传动轴最大传输扭矩：10000 N·m;
1.2转速
地慢转速：900～1100r/min
额定工作转速：1600～2400r/min
1.3振动和动力学
在工作范围内，传动轴在全部设计使用状态下，不应与直升机其他系统发生有害的扭转共振和过度振动;传动轴与旋翼耦合扭振频率应避开旋翼激振频率及发动机扭转激振频率[4]。
1.4重量要求
传动轴重量：不超过40kg。
2 传动轴设计的主要问题
a）工作转速范围宽
根据表1可知，该传动轴工作转速范围宽，即70%～120%额定转速，这不同于以往的传动轴的工作转速范围窄（通常为95%～110%）。另外，考虑到地慢转速及其波动范围（45%～55%），因此在传动轴设计时应考虑传动轴临界转速不能落在其工作转速范围内，并保证有足够的裕度，其动力学设计是该型尾传动设计是应考虑的主要问题之一;
b）传输扭矩大
根据1.1节可知，该传动轴传递的扭矩最大达10000Nm，远大于传统传动系统传动轴传递的扭矩，并考虑传动轴长度、重量问题，其设计往往不适宜采用钢材一类强度大但密度大的材料，因此强度、寿命设计是该传动轴的应考虑的主要问题之一。
3 传动轴设计影响因素分析
3.1动力学影响因素分析
根据传动系统传动轴转速要求，该传动轴的工作转速范围比较大，结构设计时，首先应将轴设计为亚临界轴，使轴在亚临界转速下运行，且在临界转速和最大工作转速之间具有足够的裕度（一般裕度为10%）。
3.2强度影响因素分析
根据该传动轴传输扭矩大的特点，传动轴应满足在限制载荷下的静强度要求，以及满足疲劳强度要求，最终确定传动轴轴管结构尺寸，进而设计支撑传动轴的轴承及支座尺寸，考虑传输扭矩大，采用现有成熟材料，应考虑采用低密度的铝合轴管及复合材料轴管设计，因低密度材料的力学性能普遍较低问题，设计时应考虑通过增大轴管管径或壁厚的方式来降低轴管截面当量应力。
4 传动轴结构设计
在进行本项目传动轴结构设计时，对比以往项目的构型设计，并结合本项目传动轴的设计技术要求，考虑传输扭矩大，工作转速范围宽的特点及轻量化设计要求，最终确定采用两段轴带减振支座的构型设计，采用亚临界传动轴构型（详见图1），具体分析如下：
a j根据主要设计指标，该传动轴工作转速范围宽，需适应多种转速的工作状况，因此应考虑亚临界传动轴设计;
b j考虑该传动轴传递大扭矩及轻量化要求，需降低轴管截面当量应力，因此采用大管径薄壁轴管设计;
c j考虑亚临界轴在工作过程中的振动问题，在传动轴支撑处设计减振支座，用以吸收传动轴工作过程中的振动，起到吸振、减振作用。
5 结构设计主要计算分析
5.1强度、寿命计算分析
按照最大载荷，对两种构型（铝合金轴管构型和复合材料轴管构型）中的传动轴法兰盘、传动轴轴管等零部件强度、寿命进行计算，结果如下：
法兰盘 静强度安全系数：0.55/0.35;疲劳寿命（h）：2000/1000
轴管 静强度安全系数：0.50/0.65;疲劳寿命（h）：3000/-
通过分析上述的强度计算结果可知，两个构型的传动轴强度和寿命均满足设计技术要求。据此初步确定了联轴节、传动轴法兰盘、轴管等部件的结构参数。
5.2临界转速分析
根据传动轴的设计输入条件，结构设计时，传动轴的临界转速裕度应不小于10%，进行传动轴临界转速计算分析。
本型传动轴结构设计过程中采用铝合金轴管和复合材料轴管两种设计构型，均为亚临界轴设计，两种设计构型均满足临界转速设计准则要求。
临界转速裕度计算公式：
临界转速及安全裕度计算结果如下：
构型A 一阶临界转速：3900 r/min;临界转速裕度：62.5%
构型B 一阶临界转速：4000 r/min;临界转速裕度：66.7%
5.3重量评估
根据两种传动轴构型的强度、动力学计算结果分析，两种构型相当;考虑复合材料轴管尺寸较大，从重量角度出发对两种构型进行评估分析，分析结果如下。
构型A 35kg;构型B 38kg。
6 设计构型选择
根据传动轴轴管材料选择不同，分为上述A和B两种构型，经综合评估，构型A重量最轻、研制成本低、技术成熟度高、研制风险低，具体分析详见表1。
通过对上述两种构型的对比分析，构型A的重量较轻且技术风险小，认为构型A为最优选择，根据构型论证情况，选择构型A的设计。
7 结论
本文通过对大扭矩宽工作转速传动轴设计要求分析，梳理出结构设计过程中遇到的主要问题，通过影响因素分析，得到了对应的解决方法。通过综合评估得到了符合该型传动轴设计要求的较优构型，可为后续同类大扭矩宽工作转速传动轴结构设计提供借鉴与参考。
参考文献
[1] 丁文强.先进的直升机传动系统技术应用研究[C].航空科学技术，2013（2）：7-10.
[2] 张云麒等.《机械设计手册》第三卷[M].机械工业出版社.1991年
[3] 航空航天工业部科学技术研究院.直升机动力学手册[M].北京：航空工业出版社，1991.
[4] 鄭兆昌.机械振动（上） [M].北京：机械工业出版，1980.
[5] 顾家柳.转子动力学 [M].北京：国防工业出版社，1984.
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