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傳動(dòng)部件與發(fā)動(dòng)機(jī)、旋翼共同構(gòu)成了無人直升機(jī)的一個(gè)完整的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其中傳動(dòng)系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速按照一定比例傳遞至旋翼。一般傳動(dòng)系統(tǒng)均為單路承載方式，且傳動(dòng)過程中的載荷情況較復(fù)雜，一旦發(fā)生故障將是災(zāi)難性的，尤其是對于軍用無人機(jī)，這就要求傳動(dòng)系統(tǒng)必須具有很高的可靠性。齒輪傳動(dòng)通過輪齒嚙合接觸傳遞載荷，因其結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率高，承載力大，傳動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于無人直升機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，掌握和了解嚙合過程中齒輪上的應(yīng)力分布規(guī)律，對齒輪設(shè)計(jì)和齒輪副安全工作具有重要意義。由于齒輪的承載情況較為復(fù)雜，且嚙合過程中難以用測量手段獲取相關(guān)信息，工程上傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)校核方法均是通過大量的理論假設(shè)、簡化公式來進(jìn)行估算，無法得到全面、準(zhǔn)確的結(jié)果。
本文采用有限元分析方法，對某型無人直升機(jī)的主傳動(dòng)齒輪嚙合過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了齒輪副上從嚙合到分開的瞬態(tài)應(yīng)力變化全過程，并根據(jù)該齒輪副的工作載荷級數(shù)對其疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)計(jì)，為該齒輪傳動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考和依據(jù)。
某型無人直升機(jī)主傳動(dòng)是由一對正交的弧齒錐齒組成，如圖1中所示，其中小齒輪為主動(dòng)齒輪，大齒輪為從動(dòng)齒輪。在CATIA中建立三維模型，利用HYPERMESH前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，基于ANSYS有限元分析軟件，采用接觸單元模擬齒輪嚙合，建立齒輪副的有限元計(jì)算模型。考慮到齒輪的接觸是循環(huán)的，可以簡化計(jì)算模型從而減少計(jì)算的工作量和時(shí)間，故建出了大齒輪的6個(gè)齒，小齒輪只選取了前端接觸區(qū)域部分，后端軸部分則略去不予考慮。選擇SOLID95實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型總單元數(shù)為95296，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為140179，建立的有限元計(jì)算模型如圖中所示，圖所示為建立的接觸對。載荷及約束的施加采用剛體運(yùn)動(dòng)控制法，模擬齒輪副轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的傳遞。對于主動(dòng)輪，定義一個(gè)速度控制剛體，施加繞主軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，將主齒輪定義為變形體，這樣速度控制剛體可以控制主動(dòng)齒輪的運(yùn)動(dòng)。對于從動(dòng)齒輪，定義一個(gè)載荷控制剛體，定義剛體控制節(jié)點(diǎn)和輔助節(jié)點(diǎn)，將實(shí)際的轉(zhuǎn)矩以點(diǎn)載荷的形式施加到輔助節(jié)點(diǎn)上，相當(dāng)于在載荷控制剛體上施加了一個(gè)繞從動(dòng)輪軸線的轉(zhuǎn)矩。定義從動(dòng)齒輪為變形體，轉(zhuǎn)矩即施加到了從動(dòng)齒輪上。主傳動(dòng)副的大、小兩個(gè)齒輪的材料均為20CrMnMo材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能參數(shù)如表所示。
齒輪嚙合是一個(gè)循環(huán)的過程，本文計(jì)算了一個(gè)循環(huán)中(即從嚙合狀態(tài)到分離狀態(tài))齒輪上的應(yīng)力變化情況見表，所示為變化的曲線示意圖。一個(gè)嚙合過程中齒輪副上最大等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，可以看出，最小應(yīng)力出現(xiàn)在兩個(gè)齒輪剛開始嚙合時(shí)，而最大應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)在兩個(gè)齒輪快要分離時(shí)，圖中所示分別為最小應(yīng)力狀態(tài)和最大應(yīng)力狀態(tài)時(shí)齒輪副上的應(yīng)力分布情況。齒輪副在一個(gè)嚙合循環(huán)過程中的最大等效應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度，其靜強(qiáng)度是安全的。
發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率視為總功率，主傳動(dòng)齒輪副承受的載荷情況按照其工作功率所占總功率的百分比劃分為4級，分別如表中所示。 根據(jù)上述的工作載荷級數(shù)、齒輪轉(zhuǎn)數(shù)以及靜強(qiáng)度計(jì)算得到的不同工作載荷下齒輪上的應(yīng)力幅值，采用材料的S-N曲線確定每一級載荷對應(yīng)的可用循環(huán)，應(yīng)用Miner損傷累計(jì)法則，計(jì)算得到各級載荷造成的損傷，對所有損傷求和，最終得到齒輪的疲勞壽命估計(jì)值，約為4400 h。
采用有限元分析的方法，利用HYPERMESH前處理和ANSYS分析軟件，應(yīng)用接觸對模擬齒輪擬合面的傳動(dòng)過程，計(jì)算了某無人直升機(jī)主傳動(dòng)齒輪嚙合強(qiáng)度，得到了在嚙合過程中應(yīng)力變化過程和靜強(qiáng)度安全系數(shù)，確定了危險(xiǎn)部位及其發(fā)生時(shí)間，并根據(jù)該齒輪副的工作載荷級數(shù)對其疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)計(jì)。有限元分析的結(jié)果與實(shí)際情況較符合，表明該方法用于無人直升機(jī)的齒輪傳動(dòng)校核、設(shè)計(jì)是可行的和有效的，也可以為其它齒輪嚙合強(qiáng)度分析借鑒。
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