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指导教师：朱如鹏教授

论文题目：基于封闭差动轮系的共轴直升机主减速器动态特性研究

答辩委员会

主席：汤文成教授东南大学

委员：李东波教授南京理工大学

    周瑾教授南京航空航天大学

    黄巍教授南京航空航天大学

    李政民卿教授南京航空航天大学 

    岳林教授南京航空航天大学

    朱如鹏教授南京航空航天大学

秘书：陆俊华副教授南京航空航天大学

时间：2021年03月26日08:30

地点：南航明故宫校区A15#341

学位论文简介：

共轴双输出主减速器是双旋翼直升机的关键动部件，是发动机动力传输到双旋翼的唯一路径，其可靠工作是共轴直升机安全运行的基础。本文对双旋翼直升机广泛采用的基于封闭差动轮系实现共轴输出的主减速器进行了动态特性研究。分别建立了封闭差动轮系、输入锥齿轮副和箱体的动力学模型，并耦合建立了主减速器转静子系统动力学模型；研究了系统的振动响应与动态载荷特性。并采用有限元方法分析了系统支承力的激励下箱体的动态响应；设计并搭建了电加载试验台，进行了主减速器的动态特性的试验验证。为共轴双输出主减速器的动态设计与分析提供理论参考。。

论文主要完成的工作及取得的成果如下：

（1）建立了封闭差动轮系的平移-扭转动力学模型。分析了封闭差动轮系实现共轴对转的运动关系、载荷关系,推导了封闭差动系统各齿轮副啮合相位差和时变刚度表达式，基于集中参数法建立了系统的平移-扭转动力学模型，获得了系统的振动微分方程。

（2）研究了封闭差动轮系的系统固有特性。分析了固有频率对啮合刚度、扭转刚度和转动惯量等参数的灵敏度，推导并验证了随参数变化过程中，频率轨迹接近时相互穿过还是发生的跃迁的判定准则。

（3）研究了封闭差动轮系的稳定性和动态载荷特性。采用多尺度法进行系统的稳定性分析，推导了不稳定的区域边界表达式；数值求解了系统动力学微分方程得到时域和频域下的啮合力的动态特性；研究了不同啮合相位下系统啮合力动载系数随转速的变化情况，并分析了输入扭矩对动载系数的影响规律。

（4）建立了箱体有限元模型，提取了箱体动力学参数。进行了减速器箱体的计算模态分析和模态试验，选取关键几何、材料参数为优化参数，以计算模态频率与试验模态频率的偏差值最小为优化目标，建立了基于试验模态数据的优化修正模型，对箱体进行了模态修正；采用模态综合超单元法缩聚了内部自由度，获得了箱体模型主自由度的动力学参数。

（5）建立了主减速器的转静子耦合系统动力学模型，分析了耦合系统动态特性。建立了输入锥齿轮副子结构的振动模型，耦合各子结构建立了主减速器的耦合系统动力学模型。分析了得到了耦合系统的动态啮合力、动载支承力和功率流等，并研究了箱体柔性对啮合力动载系数、振动加速度和位移等的影响；采用有限元瞬态动力学方法分析了动态支承力作用下箱体的振动响应。

（6）开展了振动响应和动载荷特性试验研究。搭建了电加载共轴主减速器原理性试验台，测量了内外输出轴承受不同负载时传动齿圈的应变，获得了封闭级和差动级的功率分流情况；并测量了主减速器箱体的振动加速度响应；试验与分析结果比较有较好的一致性，验证了分析方法的正确性。

主要创新点如下：

（1）提出了封闭差动轮系的综合啮合相位差的分析模型，解决了轮系中含双联星轮和双联中心轮的相互耦合的关系，为封闭差动轮系动力学建模时准确引入时变啮合刚度提供了基础；

（2）建立了基于试验模态数据修正的箱体动力学模型，以计算模态频率和试验模态频率偏离值最小为优化目标修正了箱体的有限元模型，获得了箱体的模态综合超单元的质量、刚度和阻尼参数；

（3）建立了综合考虑主减速器封闭差动轮系子结构、输入锥齿轮副子结构和箱体子结构的耦合动力学模型，分析了主减速器耦合系统的转静子的动力学响应，获得了转速和载荷对振动响应的影响规律；

（4）建立了基于封闭差动轮系的共轴双输出主减速器动态特性的测试方法，设计并搭建了电加载减速器试验台，开展了双输出主减速器各传递路径的功率流特性和箱体振动响应的试验研究。