CN116086792B - 一种共轴双旋翼减速器疲劳试验功率谱设计方法 - Google Patents
一种共轴双旋翼减速器疲劳试验功率谱设计方法Info
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Abstract
本申请提供一种共轴双旋翼减速器疲劳试验功率谱设计方法,属于直升机设计技术领域,该方法先计算功率谱中各功率状态下差动行星轮系传递的功率;得到行星齿轮疲劳试验功率;令旋翼内轴功率与旋翼外轴功率的比值等于K值临界值,使得旋翼内轴、旋翼外轴功率均只由差动行星轮系提供,计算旋翼内轴和旋翼外轴功率值;计算减速器输入功率;最后确定减速器疲劳试验功率谱。本发明采用旋翼内轴、旋翼外轴功率均只由差动行星轮系提供的方式,能避免减速器疲劳试验过程中其内部封闭差动行星齿轮传动产生封闭功率,在考核差动行星轮系中行星齿轮的同时,降低定轴行星轮系中零件提前破坏的风险,同时提高减速器的工作效率,提高减速器疲劳试验的可靠性。
Description
技术领域
本申请属于直升机设计技术领域,尤其涉及一种共轴双旋翼减速器疲劳试验功率谱设计方法。
背景技术
共轴双旋翼直升机减速器,其结构不同于以往国内常见减速器结构,采用封闭差动行星齿轮传动机构来实现同轴反向扭矩输出。封闭差动行星齿轮传动机构由一级定轴行星齿轮传动和一级差动行星齿轮传动组成,具有结构紧凑、传动比大,体积相对双级行星齿轮传动更小等优点。封闭差动行星齿轮传动内部功率传输较复杂,设计不当会产生很大的封闭功率。封闭功率存在时,回路中无有效功率流过,存在有较大的平衡力矩,会增加齿轮和轴承载荷、增加系统的摩擦损失,造成减速器温度升高,降低总体传动效率,影响减速器寿命,因而应尽力避免封闭功率的产生。
对于共轴双旋翼直升机减速器,对封闭差动行星轮系中的行星齿轮进行疲劳试验考核时,应防止定轴行星轮系中的零件在试验过程中提前损伤。所以,减速器疲劳试验功率谱设计需避免产生封闭功率,提高疲劳试验的可靠性。现有技术中没有成熟可靠的疲劳试验功率谱设计方法,缺乏这一种方法能够指导共轴双旋翼直升机减速器疲劳试验功率谱设计,开展行星齿轮疲劳试验考核。
发明内容
为了避免减速器疲劳试验过程中其内部封闭差动行星齿轮传动产生封闭功率,在考核差动行星轮系中行星齿轮的同时,降低定轴行星轮系中零件提前破坏的风险,同时提高减速器的工作效率,提高减速器疲劳试验的可靠性,本发明提供一种共轴双旋翼减速器疲劳试验功率谱设计方法,所述技术方案如下:
一种共轴双旋翼减速器疲劳试验功率谱设计方法,所述方法包括:
步骤1、确定共轴双旋翼减速器封闭差动行星轮系传动比,包括中央齿轮与定轴传动齿圈的传动比和太阳齿轮与行星架的传动比两部分;
步骤2、进行封闭差动行星轮系功率流分析,确定定轴行星轮系中星轮轴组件负载与差动行星轮系中行星齿轮负载的关系;
步骤3、根据步骤三得到的关系,确定减速器旋翼内轴、旋翼外轴功率分配的多种情形对应的K值临界值,K为旋翼外轴负载与旋翼内轴负载的比值;
步骤4、根据共轴双旋翼直升机整机功率谱,计算功率谱中各功率状态对应的旋翼外轴与旋翼内轴功率的比值Ki;
步骤5、判断功率谱中各功率状态旋翼内轴、旋翼外轴功率分配属于步骤4中多种情形中的哪一种情形;
步骤6、计算功率谱中各功率状态下差动行星轮系传递的功率;
步骤7、确定差动行星轮系传递的最大功率,并得到行星齿轮疲劳试验功率;
步骤8、令旋翼内轴功率与旋翼外轴功率的比值等于K值临界值,使得旋翼内轴、旋翼外轴功率均只由差动行星轮系提供,计算旋翼内轴和旋翼外轴功率值;
步骤9、根据步骤7中得到的行星齿轮疲劳试验功率,计算减速器输入功率;
步骤10、确定减速器疲劳试验功率谱。
其中,步骤10具体为:
计算需考核齿轮转速,按照考核要求5兆周,计算齿轮考核时间;
根据得到的输入、输出部位功率及考核时间,确定减速器疲劳试验功率谱。
进一步地,在步骤1之后,该方法还包括:步骤2、对差动行星轮系中的行星齿轮进行受力分析。
其中,步骤2中定轴行星轮系中星轮轴组件负载与差动行星轮系中行星齿轮负载的关系包含旋翼外轴负载与旋翼内轴负载的比值K。
其中,步骤3中的多种情形包括:
当K等于临界值时,旋翼内轴与旋翼外轴的功率全部由差动行星轮系传递,定轴行星轮系传递的功率为0;
当K大于临界值时,旋翼内轴功率全部由差动行星轮系传递,旋翼外轴输出功率由差动行星轮系和定轴行星轮系共同传递;
当K小于临界值时,旋翼内轴、旋翼外轴功率全部由行星轮系传递,并且定轴行星轮系会形成内部功率循环,循环功率的存在加大构件上的载荷,降低减速器的效率。
其中,步骤9中,根据步骤7中得到的行星齿轮疲劳试验功率,以及减速器其它输出部位齿轮疲劳试验功率、附件功率,计算减速器输入功率。
其中,步骤7中,确定的差动行星轮系传递的最大功率乘以安全系数,得到行星齿轮疲劳试验功率。
其中,安全系数为1.4。
本发明提供的一种共轴双旋翼减速器疲劳试验功率谱设计方法,能够指导共轴双旋翼减速器疲劳试验功率谱设计;采用旋翼内轴、旋翼外轴功率均只由差动行星轮系提供的方式,能避免减速器疲劳试验过程中其内部封闭差动行星齿轮传动产生封闭功率,在考核差动行星轮系中行星齿轮的同时,降低定轴行星轮系中零件提前破坏的风险,同时提高减速器的工作效率,提高减速器疲劳试验的可靠性。
附图说明
图1为定轴行星轮系示意图;
图2为差动行星轮系示意图;
图3为本发明实施例提供的共轴双旋翼减速器疲劳试验功率谱设计方法流程图;
图4为某共轴双旋翼直升机减速器传动简图;
图5为K=0.72506时的功率流向示意图;
图6为K>0.72506时的功率流向示意图;
图7为K<0.72506时的功率流向示意图。
其中,图1中,1-太阳齿轮、2-中央齿轮、3-齿轮链机匣盖、4-定轴传动齿圈、5-小星轮、6-大星轮、7-齿轮链机匣;图2中,8-花键法兰、9-行星传动齿圈、10-行星齿轮、11-行星架。
具体实施方式
下面通过具体的实施方式和附图对本申请作进一步详细说明。
本发明一实施例提供一种共轴双旋翼减速器疲劳试验功率谱设计方法,包括如下步骤:
步骤一、确定共轴双旋翼减速器封闭差动行星轮系传动比,该传动比包括中央齿轮与定轴传动齿圈的传动比和太阳齿轮与行星架的传动比两部分。
步骤二、对差动行星轮系中的行星齿轮进行受力分析。
步骤三、进行封闭差动行星轮系功率流分析,假设旋翼外轴负载与旋翼内轴负载的比值为K,推导出定轴行星轮系中星轮轴组件负载与差动行星轮系中行星齿轮负载的比的表示式,该表示式用K来表示上述负载的比。
步骤四、通过步骤三推导出的表示式,确定减速器旋翼内轴、旋翼外轴功率分配的三种情形对应的K值临界值。这三种情形分别为:当K等于临界值时,旋翼内轴与旋翼外轴的功率全部由差动行星轮系传递,定轴行星轮系传递的功率为0;当K大于临界值时,旋翼内轴功率全部由差动行星轮系传递,旋翼外轴输出功率由差动行星轮系和定轴行星轮系共同传递;当K小于临界值时,旋翼内轴、旋翼外轴功率全部由行星轮系传递,并且定轴行星轮系会形成内部功率循环,循环功率的存在加大构件上的载荷,降低减速器的效率。
步骤五、根据共轴双旋翼直升机整机功率谱,确定功率谱中各功率状态对应的旋翼外轴与旋翼内轴功率的比值Ki。
步骤六、判断功率谱中各功率状态旋翼内轴、旋翼外轴功率分配属于步骤四所述的三种情形中的哪一种情形。
步骤七、计算功率谱中各功率状态下差动行星轮系传递的功率。
步骤八、确定差动行星轮系传递的最大功率,乘以安全系数1.4,得到行星齿轮疲劳试验功率。
步骤九、根据步骤四计算得到的K值临界值,令旋翼内轴功率与旋翼外轴功率的比值等于K值临界值,使得旋翼内轴、旋翼外轴功率均只由差动行星轮系提供,计算旋翼内轴和旋翼外轴功率值。
步骤十、利用步骤八中得到的行星齿轮疲劳试验功率,加上减速器其它输出部位齿轮疲劳试验功率、附件功率,同时考虑功率损失,确定减速器输入功率。
步骤十一、确定需考核齿轮转速,按照考核要求5兆周,确定齿轮考核时间。
步骤十二、结合上述步骤得到的输入、输出部位功率及考核时间,确定减速器疲劳试验功率谱。
本发明采用旋翼内轴、旋翼外轴功率均只由差动行星轮系提供的方式,能避免减速器疲劳试验过程中其内部封闭差动行星齿轮传动产生封闭功率,在考核差动行星轮系中行星齿轮的同时,降低定轴行星轮系中零件提前破坏的风险,同时提高减速器的工作效率,提高减速器疲劳试验的可靠性。
示例地,某共轴双旋翼直升机减速器通过封闭行星齿轮传动来实现同轴反向传扭。封闭行星齿轮传动由一级定轴行星齿轮传动和一级差动行星齿轮传动组成,定轴行星轮系为分扭传动结构,如图1所示,定轴行星轮系的中央齿轮2同时与5个星轮组件的大星轮6(斜齿轮)啮合传递扭矩,每个大星轮6通过花键副与小星轮5连接传扭,5个小星轮5同时与定轴传动齿圈4啮合传扭。定轴行星轮系的中央齿轮2与差动行星轮系的太阳齿轮1通过花键联接。差动行星轮系采用直齿圆柱齿轮传动,如图2所示,差动行星轮系的太阳齿轮1(见图1)同时与6个行星齿轮10啮合,6个行星齿轮10均安装在行星架11中,同时与行星传动齿圈9啮合,行星架11带动旋翼内轴旋转。
如图3所示,采用本发明实施例提供的共轴双旋翼减速器疲劳试验功率谱设计方法,进行疲劳试验功率谱设计的具体实施过程如下:
1)按图4计算共轴双旋翼减速器封闭差动行星轮系传动比,传动比包括中央齿轮2与定轴传动齿圈4的传动比和太阳齿轮1与行星架11的传动比两部分。
计算得到中央齿轮2与定轴传动齿圈4的传动比为-0.1594,太阳齿轮1与行星架11的传动比为0.1594。
2)对差动行星轮系中的行星齿轮进行受力分析。
F1-10T=1.0337F9-10T (1)
F11=2.0337F9-10T (2)
其中:
F1-10T为太阳齿轮1与行星齿轮10之间的切向力;
F9-10T为行星传动齿圈9与行星齿轮10之间的切向力;
F11为行星架11的切向力。
3)进行封闭差动行星轮系功率流分析,设旋翼外轴功率为P外,旋翼内轴功率为P内,令P外=K×P内,得到:
其中:
P2-6为中央齿轮2与大星轮6之间传递的功率;
P1-10为太阳齿轮1与行星齿轮10之间传递的功率。
4)由式(3)可以看出,K值临界值为0.72506。当K=0.72506时,旋翼内轴与旋翼外轴功率全部由差动行星轮系传递,定轴轮系传递功率为0,其功率流向示意见图5。当K>0.72506时,旋翼内轴功率全部由差动行星轮系传递,旋翼外轴输出功率由差动行星轮系和定轴行星轮系共同传递,其功率流向示意见图6。当K<0.72506时,旋翼内轴、旋翼外轴功率全部由行星轮系传递,并且定轴行星轮系会形成内部功率循环,其功率流向示意见图7。
5)根据直升机功率谱,计算功率谱中各功率状态对应的旋翼外轴与旋翼内轴功率的比值Ki,均大于0.72506,因此该减速器旋翼内轴功率来自差动行星轮系,旋翼外轴功率来自差动行星轮系和定轴行星轮系。则定轴行星轮系与差动行星轮系传递的功率同时满足:
P2-6+P1-10=P外+P内 (4)
其中,
P2-6为中央齿轮2与大星轮6之间传递的功率;
P1-10为太阳齿轮1与行星齿轮10之间传递的功率;
P外为旋翼外轴功率;
P内为旋翼内轴功率。
6)计算功率谱中各功率状态下差动行星轮系传递的功率,确定差动行星轮系传递的最大功率为2660.8kW,乘以安全系数1.4,得到行星齿轮疲劳试验功率3725kW。
7)令旋翼内轴功率与旋翼外轴功率的比值等于0.72506,使得旋翼内轴、旋翼外轴功率均只由差动行星轮系提供,计算旋翼内轴和旋翼外轴功率值分别为2167kW和1558kW。
8)利用步骤6中得到的行星齿轮疲劳试验功率,加上减速器其它输出部位齿轮疲劳试验功率、附件功率,功率损失按3%,计算减速器输入总功率:
减速器输入总功率=[3725+65(发电机传动齿轮考核功率)+2(滑油泵功率)+51.5(风扇功率)]/(1-0.03)=3962kW。
9)计算需考核齿轮转速,按照考核要求5兆周,计算齿轮考核时间。齿轮考核时间=5×106/齿轮转速。
10)结合上述步骤得到的输入、输出部位功率及考核时间,确定减速器疲劳试验功率谱。
在实际应用中,步骤10)需根据实际需求执行,比如可以参考表1来完成该步骤。
表1减速器疲劳试验功率谱
以上仅表达了本申请的实施方式,其描述较为具体和详细,但且不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。另外,本发明未详尽部分均为常规技术。
Claims (8)
1.一种共轴双旋翼减速器疲劳试验功率谱设计方法,其特征在于,所述方法包括:
步骤1、确定共轴双旋翼减速器封闭差动行星轮系传动比,包括中央齿轮与定轴传动齿圈的传动比和太阳齿轮与行星架的传动比两部分;
步骤2、进行封闭差动行星轮系功率流分析,确定定轴行星轮系中星轮轴组件负载与差动行星轮系中行星齿轮负载的关系;
步骤3、根据步骤三得到的关系,确定减速器旋翼内轴、旋翼外轴功率分配的多种情形对应的K值临界值,K为旋翼外轴负载与旋翼内轴负载的比值;
步骤4、根据共轴双旋翼直升机整机功率谱,计算功率谱中各功率状态对应的旋翼外轴与旋翼内轴功率的比值Ki;
步骤5、判断功率谱中各功率状态旋翼内轴、旋翼外轴功率分配属于步骤4中多种情形中的哪一种情形;
步骤6、计算功率谱中各功率状态下差动行星轮系传递的功率;
步骤7、确定差动行星轮系传递的最大功率,并得到行星齿轮疲劳试验功率;
步骤8、令旋翼内轴功率与旋翼外轴功率的比值等于K值临界值,使得旋翼内轴、旋翼外轴功率均只由差动行星轮系提供,计算旋翼内轴和旋翼外轴功率值;
步骤9、根据步骤7中得到的行星齿轮疲劳试验功率,计算减速器输入功率;
步骤10、确定减速器疲劳试验功率谱。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤10具体为:
计算需考核齿轮转速,按照考核要求5兆周,计算齿轮考核时间;
根据得到的输入、输出部位功率及考核时间,确定减速器疲劳试验功率谱。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤1之后,该方法还包括:步骤2、对差动行星轮系中的行星齿轮进行受力分析。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤2中定轴行星轮系中星轮轴组件负载与差动行星轮系中行星齿轮负载的关系包含旋翼外轴负载与旋翼内轴负载的比值K。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤3中的多种情形包括:
当K等于临界值时,旋翼内轴与旋翼外轴的功率全部由差动行星轮系传递,定轴行星轮系传递的功率为0;
当K大于临界值时,旋翼内轴功率全部由差动行星轮系传递,旋翼外轴输出功率由差动行星轮系和定轴行星轮系共同传递;
当K小于临界值时,旋翼内轴、旋翼外轴功率全部由行星轮系传递,并且定轴行星轮系会形成内部功率循环,循环功率的存在加大构件上的载荷,降低减速器的效率。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤9中,根据步骤7中得到的行星齿轮疲劳试验功率,以及减速器其它输出部位齿轮疲劳试验功率、附件功率,计算减速器输入功率。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤7中,确定的差动行星轮系传递的最大功率乘以安全系数,得到行星齿轮疲劳试验功率。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,安全系数为1.4。
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