《直升机设计》课程设计姓名:齐伟学号:1101433070一、题目直升机旋翼桨毂（跷跷板式）设计二、任务1．选定桨毂结构型式，进行结构布置（主要是轴向铰）。
2．桨毂外载荷计算。
3．绘制桨毂装配工作图和零件（选1~2个主要零件）工作图。
4．零件强度计算。
5．编写桨毂设计说明书。
三、原始数据旋翼直径D 5.8m旋翼转速n 491rpm桨尖速度ΩR 150m/s桨叶弦长b 0.2m全机重量G 280kg桨叶重量m8.6kgb桨盘载荷102.41N/㎡桨叶实度0.0443旋翼旋转方向右旋（俯视）旋翼输入功率N 55H P四、桨毂结构参数桨毂预锥角δ 2.5°桨毂悬挂高度64mm挥舞调节系数0下限动角δ9°30′五、设计要求桨毂结构要合理，安全可靠，在满足强度要求的情况下，要尽量减轻桨毂的重量。
六、设计参数的计算与确定1、桨毂预锥角δ旋停状态下⎰Ω===Rl b e rdr R M N k Mg T tg N T 2)/(,/,δ δ=2.47º在水平飞行下，拉力大于旋停状态，所以预锥角取大。
取δ=2.5º2、当量挥舞铰外伸量e l假定12βΩ=1.1242Ω,当用铰接式旋翼代替，其挥舞一阶固有频率一致。
12βΩ=(1+e l e S /e I )2Ω , e I =⎰R l b e dr r R M 2)/( e S =⎰Rl b e rdr R M )/( 求得e l =0.433m3、桨毂悬挂高度h在预锥角δ=2.5º时，桨叶重心高h=Rsin2.5º/2=63.2mm在水平飞行状态，桨叶的锥度角变大，所以h 取大取h=64mm七、桨毂外载荷计算桨毂承受由桨叶传来的各种载荷（挥舞面的载荷、旋转面的载荷、铰链力矩）。
在直升机各种工作状态，载荷情况各不相同。
根据直升机强度规范，选用直升机在使用中会发生的并决定结构元件或整机最严重的工作状态的载荷作为桨毂静强度计算的载荷。
三种外载荷情况下，安全系数f =1.21、飞行状态，最大正过载系数n=2，旋翼转速1.25rotor n桨毂受力图：桨叶对桨毂的最大拉力max T max T =2/Mgnf离心力max N max N =225.1Nf简化分析求弯矩1F =max T -max N δtg最大弯矩max M =e l F 1弯矩图：桨毂受到的拉力图：2、旋翼加速，过载系数n=4桨毂受到桨叶的惯性作用。
k nf n N M rotor n /)/(9549ζ= ζ=0.82 n=55HP k=2n M =1.570 KN ·m弯矩图：3、桨叶坠落在下限动块上，过载系数n=4.67桨叶自重引起在中心的弯矩Rg m g mR M b b 21212== 在过载n=4.67下Rg nfm f nM M b b d 21===684.8 N ·m 在桨叶任一剖面处弯矩：2)(34.812/)()(r R r R Rm r r nf M b r -=--= 弯矩图：小结：桨毂受力最严重的状态：1、在最大飞行正过载时，桨毂受到径向的拉力60.59KN 。
2、在加速启动时，桨毂在旋转平面受到最大弯矩为1.570 KN ·m所以设计桨毂时按以上两种载荷设计。
八、浆毂的构造分析说明旋翼系统是跷跷板式，只有两片桨叶，这两片桨叶在结构上连成一体而共用一个水平饺，没有垂直饺。
为了消除不变气动载荷即拉力所引起的根部弯矩，在结构上将两片桨叶上翘一个结构锥度角δ，实现离心力和拉力在根部的弯矩平衡，使桨叶在挥舞面卸载。
由于有了结构锥度角，在旋转面会引起一阶谐波的哥氏力，所以将悬挂点布置在桨叶的重心等高处，消除哥氏力。
由于桨叶要上翘一个角度,在结构上采用轴和桨毂连成一体时,在工艺性上,不易制造,所以采用轴和桨毂中心块分离,用螺栓固定,至于结构锥度角的设计,中心块上下螺栓孔偏 2.5°,在轴上的螺栓孔就不必偏转角度.桨毂中心块直接与旋翼轴通过销或螺栓相连,同时设计要求上要求有个限动角,在中心块上必须固定两个限动块,限动块要能更换,限动时通过限动块与旋翼轴相碰来限动,为了避免旋翼轴表面受到损伤,在旋翼上胶粘橡皮块.桨毂中心块的材料采用铝合金,中心块内部需要切削的较多,铝合金的切削性能较好,比强度较高.轴向铰的轴是个重要受力部件,材料采用合金钢,轴向铰设计成传统的形式,离心力由推力滚子轴承来承受,弯矩由两个向心轴承来承受.离心力的传力:桨叶固定在桨壳的夹板上,桨壳通过挡片传递离心力到套筒,套筒抵住推力轴承,而推力轴承的另外一侧由套筒和轴帽,所以离心力最终传到轴帽上,由螺纹来承受,为了增加安全性,在轴帽和轴通过螺纹固定后,在外加销子,防止松动.弯矩的传递:弯矩直接由桨壳传递给两个向心轴承,在传给轴,轴的材料密度高,所以采用空心轴降低重量,但在其与中心块连接处仍然是实心的,由于轴向铰存在轴承,所以必须用油润滑,并在挡片与桨壳连接处加密封圈,在桨壳的上下各设计一个加油和放油螺栓.同时用保险丝固定两螺栓.加油孔开在靠近桨毂中心,这样油在离心力的作用下能流动. 摇臂固定在挡片和桨壳中间.九、轴向铰中主要构件的强度计算1、向心轴承的选取向心轴承承受的最大弯矩1.570/1.2=1.308 KN·m初取轴承间距为l=60mm因该向心轴承工作状态为摆动，载荷必须乘系数c≥0.5，取c=0.6推力滚子轴承也参与承受小于30%弯矩，取30%=KN=cMFl70<9.42KN%156.9/rn轴承选取：深沟球特轻（0）系列6008内径d=40mm 外径D=68mm 宽B=15mm 额定动负荷C=13.2KNr额定静负荷C =9.42KN0r2、推力滚子轴承的选取⑴、设推力轴承上传递30%的最大弯矩预取推力轴承的外径70mm压力P=1.570×30%/70/1.2=5.607KN⑵、在飞行最大正过载时压力P=60.59/1.2=50.49KN所以按最大飞行正过载选取：推力滚子轴承 81108内径d=40mm 外径D=60mm 宽B=13mm 额定动负荷C=37.2KNr额定静负荷C=115KN0r轴外径D=40mm ，材料为合金钢40CrNi ，MPa b 980=σ⑴、在承受最大弯矩时危险截面为固定两向心轴承处MPa D M W M b 98032/42≤==δπσ 得轴的厚度δ≥2.55mm⑵、在最大飞行正过载时得轴的厚度δ≥0.25mm考虑到轴上要攻螺纹,其轴的厚度不能太薄,取4mm.其剩余强度系数η=57.155.24= 固定轴的螺栓校核螺栓采用标准件，材料40Cr ，s σ=785Mpa螺栓个数z=4 可靠性系数c=1.1 接合面数m=2 摩擦系数f=0.1控制预紧力,安全系数S=1在最大飞行正过载下KN F 15.154/59,60==KN mfCF F a 33.83=≥ mm F d sa 258.1343.11=⨯≥πσ 考虑到轴与中心连接的螺栓过多过大，设计上采用两个螺栓，加套筒承受横向力。
套筒选用材料铝合金LY4，MPa 290=τ其外径暂取D=12mm则套筒受到的剪力τδπ≤D F 2 F=60.59KN/2 套筒的厚度为δ ≥2.77mm取厚度δ=3mm其剩余强度系数 η08.177.23== 螺栓不受横向力和轴向力，但螺栓的直径不能太小,否则由于是标准件,螺杆的长度不够,所以取螺栓M8,螺杆长6～81mm 其小径1d =6.647mmMPa D KN 980259.60≤=δπσ桨壳的材料为铝合金，MPa b 461=σ其外径约为80mm ～100mm ，在最大弯矩下，MPa D MW M b 46132/42≤==δπσ求得0.87mm ≤δ≤1.36mm在最大飞行正过载时所需厚度更小，由于桨壳内部是钻孔加工的,厚度不能太薄,取厚度δ=4mm桨壳通过螺栓与桨毂相连，预取螺栓个数为z=4个螺栓最大工作载荷KN KN z T F E 15.154/59.60/m ax ===因E F 是个不变的力，取残余预紧力E R F F 2.0=螺栓的总拉伸载荷 KN F F F R E a 18.18=+=螺栓采用标准件，材料40Cr ，s σ=785Mpa控制预紧力 安全系数S=1螺纹小径1d mm F d s a 193.6)/(3.141=⨯≥πσ取螺栓M8 1d =6.647mm5、 套筒及轴的螺帽强度校核套筒两个,作用是固定向心轴承和传递离心力其外径约80mm ～90mm 材料为铝合金，MPa b 461=σ在最大飞行正过载时MPa D KN461259.60≤=δπσ得厚度0.26mm ≥δ≥0.21mm设计套筒时可按固定要求设计,厚度条件很容易满足.轴与螺帽螺纹连接,螺纹必须满足强度条件.螺纹校核 螺纹细牙 M40-2,螺距3mm实际旋合长度抗剪强度完满系数均分布系数载荷在各螺纹间的不平::::H K m dKH m F a ττπ≤KN KN 8.23728020409.08/359.60=⨯⨯⨯⨯⨯≤π所以螺纹的强度达到要求固定桨叶的螺栓的强度校核固定桨叶的螺栓选取:螺栓沿径向布置,个数z=2取螺栓的可靠性系数c=1.3 接合面数m=2 摩擦系数f=0.15考虑两个受力状态⑴、最大弯矩状态暂设螺栓间距l=80mmKN p mkN pl 63.19570.1=∙=螺栓的轴向力KN mf cFF a 98.7115.0263.191.1=⨯⨯=≥⑵、最大飞行正过载时KNmf cF F KNKN P a 9.11015.02245.301.1245.302/59.60=⨯⨯=≥==所以按最大飞行正过载选取螺栓材料40Cr ，s σ=785Mpa螺栓受到一个不变的力,安全系数S=1取M20，其mm d 294.171=.由于螺栓太大,采用螺栓加套筒的形式.套筒选用材料铝合金LY4，MPa 290=τ其外径暂取D=12mmmmF d sa 296.153.141=⨯≥πσ则套筒受到的剪力τδπ≤D F 2 F=60.59KN/2 套筒的厚度为δ ≥2.77mm取厚度δ=3mm其剩余强度系数 η08.177.23== 螺栓不受横向力和轴向力，但螺栓的直径不能太小,否则由于是标准件,螺杆的长度不够,所以取螺栓M8,螺杆长6～81mm 其小径1d =6.647mm6、 挥舞铰销子强度校核材料合金钢40CrNi ，MPa s 785=σ暂取销子长l=60mm⑴、在最大飞行正过载时PKN P Gn P 744.228.92802=⨯⨯==⑵PKN P M l P n167.26==⨯所以取最大弯矩状态校核3/42s DP σπ≤ 得D=8.6mm作为旋翼轴的销子,其受力为交变应力,所以出于安全考虑,销子直径取大.旋翼轴直径为60mm ，取销子直径d=25mm7、限动块的销的强度校核桨叶坠落在下限动块上，过载系数n=4.67桨叶自重引起在中心的弯矩为684.8KN ﹒m销的材料暂取合金钢11 其强度极限MPa b 785=σ销受剪力作用,假定弯矩对限动块的力臂长48mm KN D KN b 62.61427.14488.6842=⨯≤=πσ 销的强度符合要求参考资料：1、杨可桢 程光蕴主编：《机械设计基础》，第四版，高等教育出版社，2000年2、孙之钊 萧秋庭 徐桂祺编：《直升机强度》，航空工业出版社，1990年3、张呈林 张晓谷 郭士龙 朱《直升机部件设计》，航空专业教材编审组，1986年4、Thomas A.Stellman G.V.Krishnan 著，王淇等译《精通Autocad2000》，机械工业出版社，2000年5、刘鸿文主编：《材料力学》就，第三版，高等教育出版社，1992年6、朱如鹏 郭学陶编：《机械设计课程设计》，航空工业出版社，1995年7、《航空机械设计手册》，1975年7、 王适存著《直升机空气动力学》，南京航空航天大学设计小结：通过为期一个月的课程设计,初步掌握了直升机零件设计的步骤,从强度分析,计算到结构形式的选取,从材料的选取和强度的校核.比较系统地应用了所学到的部件设计,气动,材料力学,及机械设计的基础知识.但从整个设计过程来说,也暴露了一些问题.一,对设计步骤的了解不是很清晰.二,对手册的应用能力不强,这也反映了机械设计课程学习不扎实.三,由于是初次设计直升机部件,其最小重量设计原则的设计要求没有很好的注意,导致剩余强度系数偏大.。