中國民航飛行學院新津分院,四川 成都 611431

尾傳動軸將發(fā)動機扭轉(zhuǎn)力矩傳遞至尾槳槳葉，以平衡主旋翼的反作用力矩、保證直升機的航向操縱以及改善直升機的方向穩(wěn)定性。大多數(shù)民用直升機尾傳動系統(tǒng)采用節(jié)段式傳動軸加柔性聯(lián)結(jié)盤的配置方案，以解決傳動跨度較大的問題。柔性聯(lián)結(jié)盤參與傳動軸傳遞發(fā)動機扭矩，同時，抵抗因氣動載荷而引發(fā)的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，使傳動軸的準直度保持在一個穩(wěn)態(tài)的、可以接受的水平。本文通過對柔性連接盤的機械加工的晶粒方向、組合裝配、扭矩以及剪應(yīng)力解析等層面進行綜合分析，并從實際機載應(yīng)用方面提出一些建議。

1 晶粒方向

柔性聯(lián)結(jié)盤實際為一個組件，是由數(shù)個單片柔性鋼片按照各自的晶粒方向（分度平面）重疊組合而成。每一片柔性鋼片均為熱軋型鋼片，自由扭轉(zhuǎn)剛度較高，抗扭性能較好，并且可沿熱軋碾制設(shè)定金屬晶粒的方向延伸。鋼片的180°對應(yīng)邊界機械加工出與晶粒方向一致的分度平面，圖1、2。其柔韌性主要是以晶粒方向為轉(zhuǎn)軸而表現(xiàn)彎曲[1]；表面經(jīng)過硬化處理，以防止磨損損傷；同時，鋼片表面進行陽極化處理，以防止電化學腐蝕。

圖1 柔性鋼片的晶粒方向/分度平面Fig.1 Grain direction/indexing flats of the flexible sheet steel

圖2 柔性鋼片實圖（單片）Fig.2 A single flexible sheet steel

2 組合裝配

柔性聯(lián)結(jié)盤由數(shù)片柔性鋼片疊加組合而成，相鄰兩片的分度平面兩兩相錯90°，也即，晶粒方向是兩兩相錯90°，如圖3。這樣的裝配方式，使得柔性聯(lián)結(jié)盤既保持其整體剛性，又能具備一定的整體柔韌性。一是滿足尾傳動軸在高速轉(zhuǎn)動過程中進行及時有效的功率（扭矩）傳遞需要，二是允許在柔性聯(lián)結(jié)盤轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)輕微形變[2]。這種輕微形變正是尾傳動軸高速轉(zhuǎn)動過程中抵抗或衰減因氣動載荷引發(fā)的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形進行的角位移補償?shù)谋憩F(xiàn)形式。

圖3 柔性聯(lián)結(jié)盤組合后的機載安裝Fig.3.Assembly of flexible coupling disc

3 扭矩Mn 以及剪應(yīng)力解析

直升機在飛行過程中的氣流擾動（顛簸氣流、風切變）以及著陸時的撞擊載荷通過機身結(jié)構(gòu)傳遞尾傳動軸上，因此，尾傳動軸也將隨之承受這種振動而產(chǎn)生的交變載荷[3]。這種交變載荷可以作用在傳動軸任意一個截面上的任意一點，使轉(zhuǎn)動的軸心線偏離傳動軸的設(shè)計中軸線，導致傳動軸在該一截面的質(zhì)量不平衡，產(chǎn)生較大的振動載荷，其振動效應(yīng)呈數(shù)倍，甚至數(shù)十倍疊加，具有極大的危害性，嚴重影響飛行安全。以某型直升機為例。

尾傳動軸轉(zhuǎn)速為6016 RPM，假定距傳動軸中軸線3 cm 處出現(xiàn)1 g 質(zhì)量不平衡。

離心力計算公式：F=m×r×ω2

其中F為離心力，m為偏離軸心的質(zhì)量，r為距軸心的距離，ω為轉(zhuǎn)軸角速度。

經(jīng)計算得出離心力F=11.89 kg，表明距軸心r處，1 g 質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力。在沒有任何消除或衰減這種偏離的裝置時，r值將會繼續(xù)增加，離心力F將被急劇“增益”放大，其后果是振動值也將急劇增加，扭矩增加，剪應(yīng)力也隨之增加。這對于高速旋轉(zhuǎn)的尾傳動系統(tǒng)極具破壞性，很可能導致尾傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性損傷。

為了將扭矩或由扭矩引起的剪應(yīng)力衰減至一個可以接受的水平，在每一根節(jié)段軸的兩端安裝柔性聯(lián)結(jié)盤，由柔性聯(lián)結(jié)盤承受并衰減傳動軸扭矩和剪應(yīng)力。

3.1 扭矩Mn 的界定

組合后的柔性聯(lián)結(jié)盤是具有一定厚度的薄壁筒，在柔性聯(lián)結(jié)盤任一截面n-n上的內(nèi)力合成必定是一個力偶，這一內(nèi)力偶為該截面的扭矩。如圖4。

m—作用在柔性聯(lián)結(jié)盤上的轉(zhuǎn)矩；

nn—柔性連接盤任一截面；

x—柔性連接盤中軸線；

Mn—在柔性聯(lián)結(jié)盤某截面的扭矩；

由平衡條件∑mx=0，得Mn=m。

3.2 柔性聯(lián)結(jié)盤橫截面剪應(yīng)力

當Mn=m=0 時，柔性聯(lián)結(jié)盤為靜止狀態(tài)或理想勻速狀態(tài)，兩個截面e之間無扭角，剪應(yīng)力為0。如圖5。

圖4 作用在柔性聯(lián)結(jié)盤上的轉(zhuǎn)矩Fig.4 Torque acting on flexible coupling discs

當Mn=m＞0 時，柔性聯(lián)結(jié)盤承為非靜止狀態(tài)或非理想勻速狀態(tài)，兩個截面e之間出現(xiàn)扭角φ，剪應(yīng)力τ＞0。如圖6。

圖5 柔性聯(lián)結(jié)盤無扭角Fig.5 No torsion angle on flexible coupling disc

圖6 柔性聯(lián)結(jié)盤扭轉(zhuǎn)Fig.6 Torsion of flexible coupling disc

τ—剪應(yīng)力；Mn—橫截面扭矩；r—橫截面半徑；t—截面處的壁厚度。

由剪應(yīng)力公式得知：

①橫截面的剪應(yīng)力與扭矩成正比；

②橫截面的剪應(yīng)力與其半徑平方成反比；

③橫截面的剪應(yīng)力與其管壁厚度成反比。

某一型號的發(fā)動機對應(yīng)的機型，發(fā)動機功率為定值；從直升機結(jié)構(gòu)設(shè)計上已考慮、設(shè)定了到遭受氣流擾動和著陸撞擊載荷的最大極限值[4]。在剪應(yīng)力公式中，Mn可看著是一個在一定范圍內(nèi)的隨機值，此條件下Mn看著是一個“常數(shù)”。因此，在柔性聯(lián)結(jié)盤的設(shè)計過程中，為了將減小剪應(yīng)力τ設(shè)置在一個可接受的范圍內(nèi)，可盡量通過增加柔性連接盤的半徑r和壁厚t，參閱圖3，以此可最大限度的降低或減小柔性聯(lián)結(jié)盤所承受的剪應(yīng)力。

y—剪應(yīng)變（弧度）；r—橫截面半徑；φ—扭角；l—橫截面長度。

由剪應(yīng)變公式得知：

①橫截面的剪應(yīng)變與半徑成正比；

②橫截面的剪應(yīng)變與其扭角成正比；

③橫截面的剪應(yīng)變與其截面長度成反比。

剪應(yīng)變實際是扭轉(zhuǎn)變形量，以弧度度量，扭矩Mn越大，扭角φ越大，剪應(yīng)變y越大。如果考慮到扭矩Mn以及扭角φ值是一個在一定范圍內(nèi)的隨機值，半徑r已滿足剪應(yīng)力設(shè)計要求，扭角φ和半徑r可以當作是“常數(shù)”值。因此，在柔性聯(lián)結(jié)盤的設(shè)計過程中，為了將剪應(yīng)變設(shè)置在一個可接受的范圍內(nèi)，應(yīng)盡量通過增加柔性連接盤的厚度l，參閱圖3，以此最大限度的降低或減小柔性聯(lián)結(jié)盤所承受的剪應(yīng)變。

3.3 角位移補償

柔性聯(lián)結(jié)盤任一截面角位移，如圖7。Δθ=θ2-θ1，其中Δθ角位移，θ1是初始角位置，θ2是最終的角位置，角位移是角位置的變化量。柔性聯(lián)結(jié)盤的扭轉(zhuǎn)補償值誤差被限定在角位移補償量范圍內(nèi)，角位移在設(shè)計上界定了不可能無限增大，有限大的角位移不是矢量。

整個節(jié)段式傳動軸通過柔性聯(lián)結(jié)盤進行連結(jié)，柔性聯(lián)結(jié)盤所表現(xiàn)出的剛性使整個節(jié)段軸同步旋轉(zhuǎn)以保證傳遞發(fā)動機扭矩的需要。同時，其柔韌性抵抗或衰減因氣動載荷而引發(fā)的傳動軸彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，在Δt時間內(nèi)以Δθ角位移進行轉(zhuǎn)角補償，緩沖和衰減了整個節(jié)段式傳動軸的扭轉(zhuǎn)和振動，提高節(jié)段式傳動軸動態(tài)工作性能，將傳動軸的準直度保持在穩(wěn)態(tài)的、可以接受的水平。

圖7 角位移補償Fig.7 Angular displacement compensation

4 柔性聯(lián)結(jié)盤的機載應(yīng)用

4.1 保持柔性聯(lián)結(jié)盤剖面構(gòu)型

在扭矩Mn的作用下，剖面上產(chǎn)生相應(yīng)的剪流，剪流沿剖面周線的分布是一個常數(shù)，它與剖面周線的形狀無關(guān)，而與閉剖面周線所圍面積成反比。圓形剖面面積最大，所遭受的剪流最小。因此，在實際機載應(yīng)用時，應(yīng)注意檢查柔性聯(lián)結(jié)盤各截面保持設(shè)計制造時的構(gòu)型，不能出現(xiàn)不可恢復的扭曲、彎曲以及變形，使得柔性聯(lián)結(jié)盤剖面構(gòu)型面積減小[5]。如果出現(xiàn)這類情形，柔性聯(lián)結(jié)盤所能承受的剪流降低，能承受的剪應(yīng)力也隨之降低，導致柔性聯(lián)結(jié)盤功能降低或失效，從而危及飛行安全。

4.2 保持柔性聯(lián)結(jié)盤邊緣線型完整

單閉剖面薄壁結(jié)構(gòu)在純扭矩作用下，邊緣厚度最薄的地方它的強度最弱。因此，在實際機載應(yīng)用時，應(yīng)注意檢查柔性聯(lián)結(jié)盤的圓形邊緣線，必須保持設(shè)計制造時的完整和平滑，尤其不能出現(xiàn)因機械損傷或腐蝕損傷而引起的缺口或磨損。這類缺口或磨損使得圓盤邊緣線型不連續(xù)，薄壁結(jié)構(gòu)厚度不均勻，形成局部薄壁厚度“最薄”，強度被弱化，在正常范圍扭矩值作用下，都可能導致柔性聯(lián)結(jié)盤性能降低或失效。

4.3 保持柔性聯(lián)結(jié)盤表面鍍層的完整

經(jīng)過陽極化處理的表面，用以防止柔性連接盤的電化學腐蝕。隨機載時間增加，其表面鍍層可能會出現(xiàn)脫落情況，尤其是螺桿頭和螺帽區(qū)域，在拆卸安裝過程中容易造成鍍層脫落，導致電化學腐蝕幾率增加。而發(fā)生電化學腐蝕后，安裝孔徑附近區(qū)域的結(jié)構(gòu)強度減弱，即或在遭遇正常的扭轉(zhuǎn)或剪應(yīng)變時，沿腐蝕區(qū)域發(fā)生撕裂性裂紋且急劇擴展。如圖9。從圖9 中可以清楚地看到整個安裝孔附近區(qū)域已出現(xiàn)鍍層脫落，遭受到電化學腐蝕，首先發(fā)生腐蝕疲勞裂紋，繼而發(fā)展為撕裂性裂紋。

選取尾梁的前端面進行固定約束，對尾梁的總變形進行模態(tài)有限元求解。通過尾梁的一階模態(tài)云圖。如圖8，可以明顯地觀察到，在尾梁中部靠后區(qū)域彎曲和扭矩最大，所承受的剪應(yīng)力也最大，這也是數(shù)次柔性聯(lián)結(jié)盤裂紋都發(fā)生在這一區(qū)域的原因所在。

圖8 一階模態(tài)云圖Fig.8 First order modal cloud

圖9 柔性聯(lián)結(jié)盤鋼片裂紋Fig.9 Cracks in flexible coupling sheet steel

對于不可恢復的彎曲、扭曲或邊緣線型不完整以及出現(xiàn)任何目視可見裂紋的柔性聯(lián)結(jié)盤組件都應(yīng)被成套更換。

4.4 柔性聯(lián)結(jié)盤的可靠性優(yōu)勢

柔性聯(lián)結(jié)盤是由數(shù)片柔性鋼片組合而成。如圖9，柔性聯(lián)結(jié)盤鋼片裂紋，僅屬于單片鋼片的失效，對于整個柔性聯(lián)結(jié)盤的功能影響有限，需及時檢查、及時更換即可，較其他類型的柔性聯(lián)結(jié)件具有較高的可靠性和安全裕度。