直升机主减速器噪声源控制技术研究概述

　　摘要：主减速器噪声是影响直升机舱内乘坐舒适度的关键因素。为实现主减速器噪声的有效控制，基于直升机主减速器内部结构特点，概括了国内外在齿轮、齿轮轴、轴承和机匣位置开展的噪声源控制技术的发展状况，包括被动、主动和半主动控制方法。已有研究结果表明，噪声源控制技术可在满足直升机轻量化需求基础上，实现主减速器总体降噪超过10dB，是改善直升机舱内噪声环境的关键技术储备。根据目前国内外研究现状，结合直升机舱内噪声环境需求，从主减速器噪声分析、控制及试验技术3方面提出了该领域的一些研究方向，为主减速器噪声源控制技术发展提供思路。

　　关键词：直升机;主减速器;噪声源;舱内噪声;降噪

　　主减速器噪声是直升机舱内主要噪声源之一，一般分布在500Hz~4000Hz频带范围内[1]，与人耳敏感及语音交互频段重合。根据欧洲2003/10/EC要求，舒适、健康的直升机在巡航飞行时舱内总声压级不应超过85dBA[2]，但已知国内外众多直升机型号舱内由主减速器产生的线谱噪声明显，幅值甚至超过95dBA[3]，故主减速器噪声逐渐成为制约直升机舱内降噪效果及乘坐舒适度的关键因素[4]，极大地限制了其在军用和民用航空市场上的发展。

　　为此，本文基于典型直升机主减速器结构及噪声特征，围绕内部齿轮、齿轮轴、轴承和机匣等关键零部件，总结了国内外现有的主减速器噪声控制技术。进一步结合我国直升机舱内降噪需求，提出了该领域的一些研究方向，以促进主减速器噪声源控制技术系统发展。

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　　1主减速器结构及噪声介绍

　　1.1主减速器结构

　　直升机主减速器位于发动机和旋翼之间，主要用于实现动力转向和减速，进而带动旋翼旋转产生升力。其传动比一般介于10-100[5-6]。为满足大功率、小尺寸、多系统动力传动等需求，主减速器结构复杂[7]，具体表现在：①结构紧凑、机匣表面复杂;②齿轮传动链长，传动形式多样，包括两级传动(如OH-58采用锥齿轮-行星齿轮)、三级传动(如Bell-214采用锥齿轮-两级行星齿轮)、四级传动(如SA-321采用斜齿轮-锥齿轮-两级行星齿轮)等方式[8];③内部齿轮种类繁多，通常包括锥齿轮和行星轮系[9]。

　　1.2主减速器噪声

　　由于上述结构和功能特点，主减速器在工作时同时承受发动机和旋翼力矩等外部激励，以及齿轮啮合刚度、传递误差、冲击等内部激励，最终在齿轮、齿轮轴、轴承和机匣(统称齿轮系统)上耦合形成复杂的机械振动并向外辐射噪声[10-11]。作为旋转系统，主减速器噪声具有典型的周期性特征，可通过谱分析法进行表征。图2给出了OH-58直升机在飞行状态下测得的主减速器机匣表面振动及其辐射噪声，由此看出主减速器齿轮啮合频率及其倍频的振动和噪声幅值明显。

　　1.3主减速器噪声传递

　　主减速器噪声向机舱的传递路径可分为2部分：(a)内部传递路径，包括：①空气传递，齿轮啮合噪声直接辐射至机匣，通过机匣或安装间隙向外传递;②结构传递，齿轮啮合振动依次通过齿轮轮齿、齿轮轮体、齿轮轴、轴承激励机匣，引起机匣产生振动并向外辐射噪声[10]。(b)外部传递路径，包括：①空气传递，机匣辐射噪声在主减舱内产生混响声场，后通过空气直接传递到舱壁或孔洞位置，引起舱内噪声;②结构传递，机匣振动通过主减速器与机体之间的连接结构传递到舱壁，激励框、梁、蒙皮同时振动，引起舱内辐射噪声[6,12]。图3给出了典型直升机舱内噪声频谱图[13]，可以看出主减速器齿频及其倍频噪声谱幅值明显，是影响舱内A计权噪声水平的主要原因，且因轴频调制原因，边带线谱同样不可忽略[14]。为提高舱内乘坐舒适度，主减速器多频或宽频降噪需求强烈，噪声控制难度增加。

　　2主减速器噪声源控制技术发展

　　主减速器噪声源控制技术即从噪声源头出发，通过控制其振动和噪声向机身传递，降低或改变直升机舱内主减速器噪声特性。

　　目前，国内外已发展出了较为完整的主减速器噪声控制技术，包括被动、半主动、主动3种典型控制方法，覆盖齿轮、齿轮轴、轴承和机匣结构。不同控制方法涉及多学科领域交叉，控制原理、实现方式、降噪效果、技术难点各不相同，本节对此进行简单归纳总结。

　　2.1被动控制技术

　　被动控制技术主要是不借助外界能量输入即可实现主减速器降噪。按控制方式，被动控制技术可分为结构优化、阻振、吸振和隔振等方式;根据控制位置，被动控制技术可进一步分为齿轮控制技术、齿轮轴控制技术、轴承控制技术和机匣控制技术。

　　2.1.1齿轮控制技术

　　国外已有大量研究表明，利用结构设计改变轮齿类型、材料、齿数、表面粗糙度等参数[6,10,15-17]，可改善齿轮啮合刚度、静态传动误差、摩擦等传动特性，进而影响齿轮啮合噪声频率和幅值。

　　其中，Oswald等人通过试验证明齿轮啮合重合度增加58%，其辐射噪声可降低2dB[15];Sikorsky公司则通过齿轮精加工实现了S-76C主减速器一阶齿轮啮合频率振动降低7dB[17]。另外，针对行星齿轮传动，还发展出了一种相位调谐理论[18-19]，可通过改善齿轮参数与动态特性之间的映射关系实现降噪。除上述轮齿设计，齿轮轮体结构同样影响噪声传递，可通过材料、尺寸[10]、隔振、吸振、阻振等结构设计控制轮齿激励传递[6,20]。

　　例如，Boeing公司通过在太阳轮内安装吸振器，实现了CH-47C主减速器机匣振动衰减2dB~7dB[20]。当然，还可通过轮齿和轮体共同设计形成新构型齿轮，以获得更优的降噪效果。1993年，美国麦道公司即提出了采用面齿轮新构型的传动概念，其啮合重合度大，传动误差小，因此噪声更低[21]，结合功率分流等传动设计，可实现AH-64主减速器综合降噪近10dB[22]，被誉为“21世纪旋翼机传动的希望”[23]。但由于上述控制技术均基于齿轮啮合的关系事实，降噪效果有限。为实现低噪声传递，可尝试从根本上改变这种传动关系，故NASA提出了新型磁性齿轮传动概念[24-26]，利用磁力实现齿轮的非接触性传动，具有较低的啮合刚度，振动低，噪声小。

　　目前，NASA研究团队已基于X-57完成了3个磁性齿轮原理样件，正基于某四旋翼机开展PT-4样件研制[27]，或为未来电动旋翼机提供环保、舒适的传动方式[28]。国内在齿轮构型[29-30]、材料[31]、相位调谐[32-33]、加工质量[34]、安装误差[35]等方面也开展了噪声研究。例如，2015年，南京航空航天大学提出了一种微穿孔腹板面齿轮降噪新方法，利用亥姆霍兹共振原理进行机匣内部吸声，并通过原理性试验实现了机匣内部降噪2dB，外部降噪1dB[30]。但相比噪声性能，国内更关注面齿轮和磁性齿轮等国外新构型的传递效率、重量、尺寸等性能[36-38]。

　　当然，国内也尝试了新构型齿轮的自主研制。基于国家863计划“先进直升机技术”课题，中国直升机设计研究所(602所)联合合肥工业大学进行了用于某直升机主减速器的新型微线段齿轮性能研究[29,39];试验结果表明，相比传统的渐开线齿轮，该构型接触强度更优、传动更平稳，可实现0~5000Hz振动降低80%[29];目前，该团队正不断完善研究[40-41]，其降噪性能也有待进一步探索。

　　2.1.2齿轮轴和轴承控制技术

　　齿轮轴和轴承是齿轮振动向机匣传递的单一传递路径，齿轮激振力以轴向力、横向力和扭转力矩的方式激励齿轮轴，产生振动响应激励轴承并引起机匣振动。因此，齿轮轴和轴承的振动特性间接影响主减速器齿轮啮合噪声特性。对此，最直接的控制方式是利用结构设计，改变轴和轴承的刚度、质量和阻尼特性，降低目标频率或频带内的振动。上世纪70年代，Westland公司即通过调整轴承位置和刚度，同时改变轴的刚度和质量分布来避免齿轮系统共振，进而降低系统在齿轮啮合频率附近的振动响应[6]。21世纪以来，一些新兴的控制技术得以发展。

　　例如，美国马里兰大学和宾州州立大学分别将轴和轴承设计成阻抗周期变化的新型结构，利用周期结构的宽频阻带特性控制振动传递，使试验台轴承座在900Hz~2000Hz范围内振动衰减10dB~20dB[42-43]，但由于空间、刚度等的限制，该方法很难直接用于直升机主减速器。美国托莱多大学则提出一种新型流体膜轴承代替滚动轴承[4,44]，提高系统阻尼特性，实现宽频降噪;该构型已通过NASA齿轮传动试验台试验验证，噪声衰减超过10dB[45]。此外，随着新材料的发展，压电材料、单晶材料或磁致伸缩材料等智能材料也被用于轴承减振环设计，结合分流阻尼电路，回收轴承振动能量，并向轴承施加宽带阻尼[46-48]，其减振有效性已通过试验台初步验证[46]。国内对该领域的研究主要集中在21世纪[49-52]。

　　其中，西北工业大学通过结构优化实现了齿轮轴固有频率和齿轮啮合频率避让，避免共振放大振动噪声[49];河南科技大学联合中国航发湖南动力机械研究所(608所)对某型主减速器轴承座开展了阻尼结构设计，通过附加10mm阻尼实现了机匣啮合频率处振动加速度衰减13%[50];南京航空航天大学则从轴承粘弹隔振[51]和压电减振环设计[52]等方面进行研究;为国内直升机低噪声设计提供了技术支撑。值得注意的是，轴承在工作时内部滚动体与保持架之间相互作用也会形成撞击、啸叫、摩擦等宽频噪声，可通过改变轴承类型、提高加工精度、改善装配关系等被动方法影响主减速器总体噪声[10,53]。

　　2.2主动/半主动控制技术

　　主动控制技术是通过安装作动器，利用有源控制方法向安装位置施加次级力，进而抵消传递路径中的力和力矩，最终实现降噪。半主动控制技术与主动控制技术相似，区别在于仅通过少量能量改变结构的刚度或阻尼等参数来减少结构振动或噪声响应。上述两种控制技术同样可按控制位置进行区分。

　　2.3综合控制技术

　　实际上，上述各组件的控制技术同时会带来整个系统噪声特性的改变，为提高降噪效果，应从整个系统的噪声分析出发，完成齿轮系统综合降噪设计工作。因此，综合控制技术可分为噪声分析和降噪设计2方面。前者包括齿轮系统的建模和分析，基于分析结果可详细了解主减速器的传动系统及结构系统的动态响应及传递过程，掌握噪声主要影响参数，进而指导结构设计和优化;后者则包括降噪方法的选择、设计和验证，最终实现源头降噪。

　　目前，已有分析模型可分为线性和非线性、时变和时不变模型[96]，其复杂、非线性等特征导致模型求解困难，由此，国外形成了理论分析法[10,97]、数值仿真法[98]、试验法[99]、仿真与试验混合法[100]等求解方法。但相比常规减速器，直升机主减速器的传动链更长、部件数量及种类更多，导致非线性影响因素增加，噪声分析难度提高[101]。上世纪70年代开始，国外NASA研究中心以及Westland、Boeing、Sikorsky、Eurocopter等公司在该领域进行了大量的研究[22,102-104]，形成了较为完整的直升机齿轮传动系统振动和噪声建模分析和试验测试体系。

　　随后，国外从事直升机传动系统研发的一些机构基于大量噪声模型和实测数据，综合各种被动控制措施，开展了传动系统综合被动控制设计[23,105-106]。其中，美国推进的“先进旋翼机传动系统研究计划(ART)”[22,107]和“面向21世纪的旋翼机传动系统研究计划(RDS-21)”[104]项目研究成果已成功应用到RAH-66、AH-64、CH-47和无人武装直升机等机型中，不仅使主减速器传动性能得到改善，降噪效果同样显著[108-109]。

　　例如，AH-64主减速器综合被动控制方案包括齿轮和机匣新材料、面齿轮新构型、传动路径优化设计、先进的润滑系统以及可靠的系统设计方法等，可实现系统减重40%，降噪9.6dB[22]。21世纪以来，随着行业发展，国外对主减速器等传动系统的研制正在向高速、倾转、变转速、电传动等方面拓展[110]，为直升机主减速器降噪带来了新的机遇。例如，Boeing公司的无人机A160T变速箱采用了两挡变速切换，可实现低功率巡航[111]，而这必然影响其噪声水平。

　　国内对该领域研究较晚，借鉴常规减速器研究经验[10,112-114]，已开展了不少针对直升机主减速器系统的动力学基础研究工作。例如，2014年，合肥工业大学在国家863计划“先进直升机技术”课题中对某型主减速器行星轮系进行了建模和动特性参数分析，可支撑后续降噪设计[115];与此同时，南京航空航天大学与608所进行了“传动系统动力学分析技术研究”项目合作[101]，初步开展了主减速器总体动力学建模及动特性评估，助力国内主减速器总体设计。此外，针对主减速器噪声的试验法同样被研究。

　　例如，2016年，湖南科技大学提出了一种直升机传动系统振动噪声综合试验台[116];2019年，602所基于OTPA方法分析了某现役直升机舱内噪声测试结果，并评估了主减速器结构声对舱内噪声的贡献[117]。尽管如此，国内还是处于自主研制主减速器的起步阶段[118]，尚未做到对齿轮系统振动及噪声特性的准确评估，也缺乏综合降噪设计[119]。结合上述描述，图4简单总结了现有直升机主减速器噪声源控制技术的种类及其技术成熟度(TechnologyReadinessIndex，TRL)。由此可以看出，该领域国内外噪声控制技术多样，且随着新技术、新材料、新构型的不断尝试，已发展出了高成熟度的噪声控制技术。

　　3未来主减速器噪声源控制技术发展展望

　　主减速器噪声源控制技术是改善直升机舱内噪声环境的关键技术储备。随着我国直升机舱内乘坐舒适需求增加以及重型机等新机型的不断发展，该技术发展需求逐渐强烈。这是因为受有效载荷和续航等需求限制，舱内降噪设备增重有限;另一方面市场舒适度要求提高，大功率直升机的舱内降噪设备需求增加;最终导致仅通过传统的舱内吸/隔声等降噪策略难以满足降噪需求[6]。相比之下，噪声源控制可在有限增重甚至不增重的情况下同时满足载荷和降噪需求[125]。基于这一原因，有必要发展适用于我国直升机市场的主减速器噪声源控制技术体系，借鉴当前国内外发展现状，可从以下几方面进行发展。

　　3.1噪声分析技术

　　噪声分析技术为实现主减速器噪声控制设计提供依据。通过理论和试验分析可掌握主减速器齿轮系统各组件动态振动响应、组件间振动传递关系以及机匣噪声辐射特性，进而识别影响噪声水平及其传递的关键因素，最终正向指导结构设计进而实现舱内降噪。以下给出一些研究方向：

　　(1)噪声预测。基于型号，研究主减速器噪声简化建模方法，可参考有限元、统计能量等方法，形成建模准则;结合国外已有的多种噪声分析方法，研究快速、精确的噪声预测流程和方法，形成噪声预估程序，匹配国内主减速器总体设计进度;研究不同构型主减速器噪声关键影响因素，总结规律，指导降噪设计。

　　(2)实测数据分析。摸清国内主减速器噪声水平现状;研究主减速器内部及外部噪声传递路径分析方法，指导噪声测试工况和传感器布置策略;研究主减速器噪声源识别技术，如声强技术和声全息技术等在复杂噪声源上的应用;研究基于噪声数据的主减速器故障诊断技术。(3)噪声指标要求。研究主减速器噪声性能与其传动性能、疲劳、可靠性等的关系，探索将主减速器噪声指标作为其先进性考核指标的可行性。结合现有噪声评价方法，研究适用于主减速器噪声源的噪声指标形式。结合舱内降噪等需求，研究主减速器噪声指标的制定方法。

　　3.2噪声控制技术

　　噪声控制技术为实现主减速器噪声控制提供技术途径，以下给出一些研究方向：

　　(1)被动控制技术：研究用于降噪的齿轮、机匣等的结构设计或优化方法;持续提高新构型(如磁性齿轮、流体膜轴承)、新技术、新材料等在主减速器传动中的降噪性能和技术成熟度;研究在主减速器源头处附加噪声控制措施(如阻振、吸振、隔振)的优化设计方法，进一步提高降噪效果。(2)主动/半主动控制技术：研究智能材料(如压电、磁致伸缩)等在主减速器不同位置、不同控制方法(有源或无源控制)抑制主减速器辐射噪声的能力。持续发展可行的主动控制作动器、控制算法、控制策略，解决安装、可靠性、稳定性、功率不足等问题。随着智能化和数字化的发展，未来或能通过自适应主动控制直接解决噪声源或舱内噪声问题。(3)综合控制技术：国内应重点关注主减速器噪声源的综合被动控制技术，在噪声分析的基础上，综合开展传动构型、齿轮、机匣等的结构设计，发展先进的材料、润滑和加工工艺技术，推进未来主减速器向轻量化、小型化、高效率和低噪声发展。

　　4结论

　　直升机主减速器噪声源控制技术多种多样，通过合理设计，可同时满足主减速器承载、重量、尺寸、成本、降噪等多种设计需求，性价比高，对改善直升机舱内噪声环境具有极强的吸引力。通过本文归纳总结得到几下结论：

　　(1)基于齿轮、齿轮轴、轴承和机匣等的结构优化和路径设计等技术，对主减速器进行综合、系统设计，是实现主减速器稳定、多频甚至宽频降噪的有效途径。(2)随着降噪需求增加，新兴控制技术需要发展，如主动、半主动控制方法，但这类技术尚需克服一些技术难点，如作动器功率、安装空间、稳定性等问题。此外，新型齿轮、轴承等结构的发展为低噪声主减速器设计提供新思路，可实现零增重，前景较好。(3)齿轮系统降噪设计难度大，可通过发展预测模型、控制方法和试验技术等方面，形成系统设计体系，实现自主、正向设计，推进低噪声主减速器研制。

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　　作者：查建平，王风娇*，郭俊贤，李明强