[科普中国]-铰接式旋翼

分类

旋翼是由桨毂和桨叶组成的，发动机工作时，通过减速器和旋翼轴，使桨毂和桨叶一起旋转。根据桨毂的构造形式不同，可以分为全铰接式旋翼、无铰接式旋翼、半铰接式旋翼(跷跷板式旋翼)和无轴承式旋翼四种，其中全铰接式旋翼目前使用得最多。2

全铰接式旋翼桨毂上有三个双耳片，分别通过铰接构件与三片桨叶相连接。当桨毂绕旋翼转轴转动时，带动桨叶一起旋转。同时，桨叶还可以绕三个铰(轴向铰、垂直铰和水平铰)的轴线转动，相对于桨毂在一定范围内作相对运动。

(a)水平铰的作用：发动机丁作时，旋翼便以一定的转速转动。在飞行过程中(如前飞)，由于飞行速度的存在，使得旋翼前行桨叶的相对气流速度大于后行桨叶的相对气流速度，从而使前行桨叶产生的升力大于后行桨叶产生的升力。若没有水平铰，则由两侧桨叶升力大小不等所构成的滚转力矩，将使直升机倾斜。有水平铰时，情况则不同。前行桨叶升力大，便绕水平铰向上挥舞；后行桨叶升力小，便绕水平铰向下挥舞。这样，横侧不平衡的滚转力矩就不会传到机身，从而避免了直升机在前飞中产生倾斜。

(b)垂直铰的作用：直升机前飞时，桨叶在绕旋翼轴转动的同时还要绕水平铰挥舞。桨叶作挥舞运动时，桨叶重心距旋翼轴的距离不断变化。由理论力学得知，旋转着的质量对旋转轴沿径向有相对运动时，会受到科氏力的作用。

而挥舞运动引起的科氏力是周期交变力。有关直升机空气动力的资料表明，一片桨叶的科氏力的最大幅值可以高达桨叶自重的7倍以上。这样大的科氏力会在旋转平面内造成很大的交变弯矩，在没有垂直铰的条件下，容易使桨叶根部因材料疲劳而提前损坏；传到机身，还会引起机身振动加剧。有垂直铰时，就可以使桨叶绕垂直铰前后摆动一个角度，从而使桨叶根部承受的沿旋转方向的交变弯矩大为减小。

(c)轴向铰的作用：通过操纵机构，可以使桨叶绕轴向铰偏转，以改变桨叶角(或称桨距角)的大小，从而改变桨叶的拉力。桨叶角增大，拉力增大；反之桨叶角减小，则拉力减小。

其它形式(a)与全铰接式旋翼相比，无铰接式旋翼留有轴向铰用来操纵桨叶角，取消了水平铰和垂直铰，桨叶的挥舞与摆振通过浆叶及桨毂有关部位的弹性变形来实现，由于材料问题，无铰接式旋翼目前仅存少量的中、小型直升机上得到采用。

(b)半铰接式(跷跷板式)旋翼是用由卜环、下环和桨毅组成的万向支架充当水平铰，两片桨叶装在下环上，由于没有垂直铰，桨叶承受负荷较大，两片桨叶同连一环，不能按各自的规律挥舞，因而这种旋翼只在某螳小型直升机上采用。2

运动形式水平铰，也称为挥舞铰，允许桨叶上下运动，这种运动被称为挥舞，是设计用于补偿升力的不对称性，挥舞铰可以位于螺旋桨旋翼不同距离的位置上，并且可能有不止一个铰链。

垂直铰，也称为摆振或摆振铰，允许桨叶前后运动，这种运动被称为摆振。阻尼器通常用于防止绕摆振铰前后超过限制。摆振铰和阻尼器的作用是补偿因科里奥利效应造成的加速和减速运动。

每片桨叶也都能变距，即绕桨叶展向轴旋转。桨叶变距意味着桨叶角的改变。通过改变桨叶的桨叶角，可以控制主旋翼桨盘的拉力和方向。3

结构特点铰接式(又称全铰接式)旋翼桨毅是通过桨毂设置挥舞铰(水平铰)、摆振铰(垂直铰)和变距铰(轴向铰)来实现桨叶的挥舞、摆振和变距运动。典型的铰接式桨毂铰的布置顺序(从里向外)是挥舞铰、摆振铰、变距铰。铰接式桨毂构造复杂，维护检修的工作量大，疲劳寿命低。

万向接头式旋翼桨毂的两片桨叶通过各自的轴向铰和桨毂壳体互相连接，而桨觳壳体又通过万向接头与旋翼轴相连。分别通过万向节上不同的轴实现变距和挥舞运动。

跷跷板式旋翼由万向接头式旋翼发展而来，主要区别是桨毂壳体只通过一个挥舞铰与旋翼轴相连，这种桨毅构造比万向接头式简单一些，但是周期变距也是通过变距铰来实现。万向接头式旋翼和跷跷板式旋翼与铰接式相比，其优点是桨毂构造简单，去掉了摆振铰、减摆器，两片桨叶共同的挥舞铰不负担离心力而只传递拉力及旋翼力矩，轴承负荷比较小，没有“地面共振”问题。

无铰式旋翼的桨毂尺寸比较紧凑，刚度也很大，变距铰在桨叶根部与桨毂相连，桨叶挥舞和摆振运动是通过玻璃钢桨叶根部的弯曲变形来实现的。

上面所说的无铰式旋翼只是没有挥舞铰和摆振铰，却仍然保留了变距用的轴向铰，因此也还不是真正的“无铰”。由于保留了承受很大力矩和离心力的变距铰，结构重量难以减轻，结构的简化也受到了限制。无铰式旋翼合乎逻辑的进一步发展，就是取消变距铰。4