直升机桨毂结构

旋翼系包括桨叶和桨毂。旋翼型式取决于桨毅型式。随材料、工艺及旋翼理论的发展而发展。迄今为止，已投入实际应用的旋翼型有铰接式、跷跷板式、无铰接式和无轴承式。

桨毂结构的特点。

㈠铰接式。

铰(也称为全铰接)旋翼桨毂是指通过在桨毂上设置摆动铰、摆振铰、变距铰等方式，实现桨叶的摆动、摆振和变距运动。通常，铰链桨铰的排列次序(由内到外)是由摆动铰链、摆动铰链和变距铰链组成，如图2.2—1所示。还有摆动铰和摆振铰的重合。

另外一个流行的方法是，在轴向铰中使用推力轴承来承受离心力和实现变距运动，而使用弹性元件拉杆来完成这个功能，如图2.2—2所示。因此，在旋翼进行变距操纵时，必须克服拉扭杆的弹性和扭矩过大的问题，使其具有足够低的扭转刚度，以减小操纵力。

关节桨毂结构复杂，维修保养工作量大，疲劳寿命低。所以我们一直致力于改进直升机的研制状况。层压弹性体轴承(橡胶轴承)也是解决这一问题的一种很好的方案，从60年代后期开始发展，现在已经得到实际应用。

如图2.2—3b中所示，层压型弹性体轴承也可以被称为核胶轴承，它由两层薄薄的橡胶层中间用金属片分隔和硫化。内因的相对转动通过胶层的剪切变形来完成，而径向载荷则通过压力来传递。该图还显示了层压弹性轴承的一些基本形态，并标明了其所允许的相对运动方向和受力方向。

图例2。2。4为桨毂支管结构。支承部件的主要部分是球面弹性体支承，通过支承实现桨叶的摆动和摆动运动。另外，在其靠近内端还有一层推力轴承件，轴承件叶片的变距运动的85%是通过轴承件的扭转变形实现的，其余的15%是通过球轴承实现的。该桨毂采用一组层压型弹性体轴承组件实现摆动铰链、摆动铰链、变距铰链三种铰链形式，使结构大大简化，零件数量大大减少。与此同时，由于无需润滑和密封，维修和保养的工作量也大大减少。

㈡桨毂减摆器。

铰式旋翼中的摆振铰均装有桨毂减摆器，简称减摆器，它对绕桨叶的摆振铰起到阻尼作用。为了防止“地面共振”的发生，减摆器必须具有足够的稳定裕度。另外，对于装备了涡轮轴发动机的直升机，其发动机、传动系统和旋翼整体系统的扭转振动，由于存在着燃油控制系统的闭合环，也存在操纵响应的稳定性问题。在这种自激振动情况下，减摆器还有利于集合型振荡所提供的阻尼，即能保证所需的稳定裕度。

液压减振器的研制。

利用油液流速的损失，产生压力差，从而起到阻尼作用。对于这个减摆器，图2.2-5描述了其原理，图2.2-6描述了它可能安装在桨毂上。由于桨叶在垂直铰链上来回摆动，减摆器外壳和活塞杆之间产生往复运动。此时，充填壳体内的油液也将以很高的速度流入壳体与活塞之间的间隙(或活塞上的节流孔)，活塞的左右压力差便形成减摆力矩。液力减摆器的减摆力矩比较稳定，不需要像摩擦减摆器那样频繁地检查和调整。但是，如果油液漏入了空气，就会明显改变减振器的特性。所以，除了在减摆器上装有密封装置外，通常还需要油液补偿装置。

粘弹减摆器。

由粘弹性材料硅橡胶制成的粘弹减摆器始于70年代。该减摆器利用粘弹性材料在变形时的较大内阻尼提供所需的减振阻尼，其构造原理见图2.2—7。所述减摆器由中间的金屑扳和两侧的两块外部金属板组成。内、外两个金屑板之间各有一层硅橡胶，与橡胶硫化结合在一起，内、外金屑板一端与铀向铰轴颈连接，外金属板与中间连接件连接。减摆器在垂直铰链上旋转时，由于硅橡胶层的往复剪切变形而产生往复轴向变形。粘弹性材料变形时会产生内摩阻力，内摩阻力在相位上滞后变形90’，这些变形就会消耗能量，从而产生阻尼。本实用新型具有结构简单，只需目测，无需维护等优点。该减摆器在提供阻尼的同时，还为桨叶摆振运动增加了刚度，提高了其固有频率。硅橡胶在低温下会变硬，这是设计中应该注意的问题。

㈢万向接合式和跷跷板式。

在四十年代中期，在全铰旋翼被广泛使用的同时，贝尔公司开发了万向铰旋翼，并成功地用于一吨重的轻型直升机Bell47型。五十年代中期又将万向联轴器发展为统板式，研制成功了总重量超过4吨的UH-l直升机和重9吨的BeH214型直升机。尽管除了贝尔公司以外，这两种翼型都很少被采用，但Bell47和UH-l系列的翼型都是大量生产和应用的。

图2.2—8是贝勒-47型直升机万向联轴器旋翼叶片的结构，图2。二、九是它的示意图。通过各自的轴向铰和桨毂壳体将两片桨叶相互连接，桨毂壳体又通过万向接头与桨轮轴相连接。摇摆运动是通过B—B型万向接头来实现的。通过轴向铰接实现变距，通过万向铰接实现周期变距。实现了铰链的a--a转动。

螺旋式与万向联轴器旋翼之间的主要差异在于螺旋式桨轮壳与万向联轴器仅通过水平铰连接在旋翼轴上，桨轮轴结构比万向联轴器简单，但周期变距也可通过变距铰接来实现。普通的变距铰链采用扭拉杆承受离心力。与铰接式相比，这两种桨毂形式的优点是结构简单，不需要去绰有摆振铰、减摆器，两片桨叶共同的挥动铰链不需要承受离心力，只需要传递拉力和旋翼力矩，轴承载荷较小，不存在“地面共振”问题。但这种旋翼操纵效能与角速度阻尼之间存在着较小的差异，为了增大角速度阻尼，该型式的旋翼均采用机械增稳装置——稳定杆，无法提高操纵效能，对于机动性要求较高的直升机，上述缺陷十分突出。

㈣无铰链

从40年代到60年代，铰接式旋翼是主要的旋翼形式。在长期的应用中这种形式发展得比较成熟，经验也比较多。但是，由于结构复杂、维护工作量大、操纵功效及角速度阻尼小等固有的缺点，这种形式不够理想。因此，从50年代起，除了简化铰接式旋冀结构外，还开始了无铰式旋翼的研究工作。经过长期的理论与试验研究，印年代末及70年代初无铰式旋翼进入了实用阶段。带有无铰式旋翼的宜升机如德国的BO—105，英国的“山猫”(WG—13)等，它们取得了成功并投入了批生产。

相对于铰接式旋翼，非铰接式旋翼结构的力学性能与飞行性能有更密切的关系。这类旋翼将引起一些新的动力稳定性问题，本节重点讨论无铰旋冀的结构特征。

图2.2—10显示了BO—105型直升飞机的非铰接式旋翼，其桨毂尺寸相对较小，刚度也较大，桨叶根部有可变距铰连接，桨叶摆动和摆振运动是由玻璃钢桨叶根部的弯曲变形完成的。该桨叶为碎屑摆振柔软旋翼桨叶，其摆振频率n,1,0.65，旋翼锥度角度为2.5。

(2)“山猫”直升机的无铰旋翼图2.2—l所示为与BO—105直型、升机桨毂相比刚度较小的山猫直升机桨毂结构，桨叶的摆动通过与桨轴相联的摆动挠性件的弯曲变形来实现，而摆振运动则通过可变间距的铰链延伸段的弯曲变形来实现。这类翼型采用消除耦合设计，其振动频率较高。WVL=0.43，也就是摆振软旋翼。

(3)星形挠性叶片。

在图2.2—12中，可以看到法国航宇公司的SA—365N“海豚”II型直升飞机的星形挠性桨毂结构，它主要由中央星形件、球面弹力弹力体轴承、粘弹减摆器(亦称频率匹配器)、夹板和自润滑关节轴承等组成。中心星形件直接用螺栓固定在旋翼轴接合盘上，球关节轴承套安装在星形件的四个支臂外端，轴承座通过粘弹式减摆器与夹板连接。上下夹板外端连接桨叶，内端通过固定在星形件孔内的球面压式弹性体轴承与星形件连接。在摇摆时，星形件上伸出的四个支臂具有灵活性。1.整流罩2.自动润滑关节轴承3.粘弹性减摆器4.夹板5.球面弹性轴承6.垫片7.中心星形件8.销子。

螺旋桨上的离心力通过夹板传递给弹性轴承，而弹性轴承则通过压力传递给星形件(图2.2-13)。弹性轴承的扭矩是由可变距拉杆通过摇臂作用于夹板的扭矩引起扭转变形，夹板带动桨叶一起绕弹性体轴承球心和关节轴承中心的连线转动，从而实现桨叶的可变距运动，如图2.2—14所示。

挥动叶片时，由于星形件柔性臂在挥动方向上是柔性的，因此，当叶片与夹板组件一起在弹性体轴承中心处上下挥动时，弹性体轴承本身绕球心产生剪切变形，而星形件柔性臂产生上下弯曲变形(见图2.2—15)。因为星形件柔臂在摆振方向上的刚度远大于在摆动方向上的刚度，所以当桨片与夹板组件一起绕着弹性体轴心前后摆动时，弹性体轴承本身就会产生剪切变形，粘弹减摆器的硅橡胶层也会产生剪切变形，而粘弹减摆器在摆振方向上的刚度远低于星形件柔臂的刚度(见图2.2—16)。

从上面的描述中可以看出，这种桨毂形式实际上是铰接式旋翼，其位置为弹性约束。它的摆动一阶固有频率wV1=1.04，等效水平铰外移约为4.9%，接近铰链式旋翼的上界；摆振的一阶固有频率。WV1=0.62，与摆振软无铰翼下界接近。因此，星形柔性旋翼的结构动力学特性介于铰接和无铰两种情况下。该结构动力学布局的出发点，可能是为了提高铰接式的操纵效能和角速度阻尼，从而达到更好的效果。与无铰旋翼一样，该型翼也有一个结构锥度角，以消除由于旋翼拉力而产生的固定弯度。该旋翼的结构锥度角为4.5度，直升机桨叶也具有2度的后掠角，这主要是为了在巡航状态下提高桨毂的受力。

第五，不含轴承的旋翼。

上述无铰旋翼只是没有摆动铰链和摆动铰链，但仍保留有用于变距轴的铰链，因此还不是真正的“无铰”。在有限元分析中，由于保留了可承受较大力矩和离心力的变距铰链，使结构重量难以降低。取消变距铰是无铰旋翼的必然趋势。该旋翼取消了摇动铰链、摇摆铰链和变距铰链，桨叶的摇动、摇动和变距铰链运动均由桨叶根部的柔性元件完成。

Sicksky公司制作了一个所谓的“横梁”型无轴承旋翼结构，其原理简图见图2.2—17。叶片承载的主要部件是单向碳纤维横梁。在45'铺层上的玻璃钢蒙皮形成了桨叶的形状，在蒙皮和横梁之间填充泡沫，然后到达根部蒙皮变成中空的扭管。中空扭管与大梁无关联，其内侧连动摇劈。作用在操纵接臂上的操纵力由扭管向外传递到大梁，从而使扭管中的大梁产生扭转变形，从而实现变距。该方案突出地采用了横梁布局，桨叶的离心力在横梁中自行平衡，有可能大大减轻旋翼的重量。相对于普通的无铰旋工具，重量减少50%。图2.2—18为美国波音伏托尔公司开发的BO—105型直升飞机无轴承旋翼结构。其特点是采用开孔型单向碳纤维横梁结构，横梁内端与固定在旋翼轴上的连接圆盘相连，外端与桨叶相连，由士45'铺层的碳纤维组成，在两个“]”型横梁之间布置有固定操纵摇臂的扭管。二者之间无任何联系，扭管的外端与“]”型梁的外端固定，内端连接操纵摇劈，所受操纵摇劈的操纵力由扭管传递给“]”型梁，产生扭转变形，实现变距。