韩小溪 戴日辉 李晨曦

引言

無人直升机是指由无线电地面遥控飞行或自主控制飞行的可垂直起降不载人飞行器。无人直升机与有人直升机相比，具有体积小、战场生存力强的特点[1]。无人直升机传动系统的主要功能是将发动机输出的功率按照规定的转速和转向通过动力轴传向旋翼和尾桨。旋翼和尾桨是衡量直升机性能的重要结构，所以作为传递部件的传动系统十分重要，具有较高的可靠性要求[2]。无人直升机传动系统具体的设计流程如图1所示[3]。

通过本文开展可靠性设计优化研究并形成工程适用的程序与方法，可以将可靠性设计与关键参数设计紧密结合起来，使设计过程考虑可靠性要求的实现，改善传统的安全系数法牺牲一定性能的缺陷，使设计得到最优的结果，支持在零部件设计阶段进行最优关键几何参数的设计，得到的关键几何参数可以使传动系统体积达到最小，满足规定的可靠性要求。

可靠性优化设计（reliability-based design optimization，RBDO）是指将可靠性作为目标函数或者约束条件考虑到设计中去的一种设计方法，基于数学规划方法得到最优的在设计中要确定的参数[4]。

机械产品可靠性优化设计理论相关研究在国内一直在不断开展，主要研究内容集中于两个方面：一是可靠性设计优化模型建立的研究；二是模型求解算法的研究。在模型建立的相关研究中，秦勤[5]以汽车变速器为对象提出了一种以减少传动量为目的的可靠性设计优化方法。王苍劲[6]建立了液压支架的可靠性优化设计，使可靠性得以提升。李明昊[7]等人以行星盘为研究对象，得到行星盘设计变量的最优解。雷婧宇[8]对涡轮叶片建立了可靠性设计优化模型。可以看出，现阶段将可靠性设计优化方法应用于零件级别的机械产品较有效，但对于无人直升机传动系统缺乏合适的应用模型。

综上所述，本文为了在可靠性指标和性能指标同时达到要求的条件下确定设计几何参数，研究传动系统主要部件之间的关系，建立传动系统可靠性设计优化模型，建立基于可靠性的适用于无人直升机传动系统的设计优化方法。

无人直升机传动系统可靠性设计优化模型建立

无人机直升机传动系统结构

不同类型的直升机其主减速器和尾减速器的构型也不相同，以典型传动系统为例展开分析，该型传动系统的主减速器为同时换向并车型，有两级减速齿轮副，和尾减速器通过连接轴连接，采用螺旋锥齿轮副进行减速，使尾桨达到规定的转速。其结构原理图如图2所示。依据结构原理图可以看出，传动系统实际上是主要有行星轮系、螺旋锥齿轮副和传动轴串联而成的机械结构，要想求得传动系统的设计参数，最重要的是确定行星轮系、螺旋锥齿轮副和传动轴的关键参数。

无人直升机传动系统可靠性分析

传动系统的关键几何参数的确定分为如下四个部分，其流程如图3所示。

由于对整个传动系统求解关键参数较为困难，所以将传动系统分解为可以进行设计的单元，对其分别可靠性分析、可靠性分配、建立可靠性设计优化模型，各单元达到最优后，整个传动系统也达到最优，即达到整个传动系统关键设计参数设计的目的。本方法适用于各分系统及整机的优化设计。

无人直升机传动系统可靠性设计优化方法应用验证

无人直升机传动系统是一个复杂的系统，若针对整个系统为对象开展优化设计方法的应用验证所需数据量及相关建模计算等工作量较大，不易实施。因此，本文在应用验证时采用了各分系统设计最优方法同样适用于整机的结论，所以选取传动系统中尾减速器为例进行分析验证。

该型传动系统的材料使用的是渗碳钢18CrNi4A/E，其输入转速为6511r/min，输出转速为2121r/min，得到传动比为3.07，尾桨的最大功率为300kW，小齿轮的工作扭矩为685N·m，轴夹角为90°，压力角为20°，标准的等顶隙收缩齿的螺旋角为35°。

通过对比分析优化前后的体积，优化后体积总体优化了2.24%，且带入上述参数，得到尾减速器优化后的可靠度水平接近1，符合可靠度约束，说明该优化方法有一定的效果。并且通过计算得到在优化前尾减速器接触疲劳可靠度为0.87，且整体可靠度为0.8687，未达到分配给尾减速器的可靠性指标要求，说明在以往的设计过程中未考虑到可靠性的要求，使设计出来的产品可靠度未达到指标要求，存在规定的工作时间内出现故障的可能性，从侧面说明了本方法的必要性和有效性。

结束语

本文研究形成典型无人直升机传动系统可靠性设计优化方法，对传动系统的齿轮和传动轴进行可靠性分析，使其作为可靠性设计优化模型中的约束。并基于此建立了传动系统螺旋锥齿轮、行星齿轮、传动轴的可靠性设计优化模型，用以确定传动系统设计的关键几何参数，以支持满足可靠性要求、同时体积最小的传动系统设计。采用本文建立的方法对传动系统尾减速器的关键参数进行设计，该应用验证证明了本文建立方法的可行性，一定程度上说明了本方法的有效性。本文所考虑的是简化结构后的无人直升机传动系统，后期应对传动系统的整体结构进行完善补充，尽可能考虑所有的关重件以确定整个传动系统的关重件的设计参数，使优化设计方法更加完善。

参 考 文 献

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[2]佘亦曦，康丽霞，唐朋.直升机传动系统的现状与发展研究[J].航空科学技术，2021，32（01）：78-82. DOI：10.19452/1007-5453.2021.01.013.

[3]李晨曦. 直升机传动系统性能可靠性一体化设计与评价研究[D].北京：北京航空航天大学，2022.

[4]陈志豪，宫琦，李永华.基于子模型技术的车体结构可靠性优化设计[J].机械工程师，2022，（11）：12-16.

[5]秦勤.汽车机械式变速器的可靠性优化设计[J].电子技术与软件工程，2022（12）：106-109.

[6]王苍劲.液压支架可靠性优化设计[J].机械管理开发，2022，37（04）：47-49.DOI：10.16525/ 14-1134/ th.2022.04.019.

[7]李明昊，赵丽娟，乔捷，等.掘进机截割部一级行星盘疲劳可靠性优化设计[J].煤矿机械，2022，43（05）：104-107.DOI：10.13436/ 202205035.

[8]雷婧宇，吕震宙，贾贝熙.含气膜孔涡轮叶片寿命可靠性设计优化中的网格参数化方法[J].国防科技大学学报，2022，44（02）：55-63.