ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ С ФУНКЦИЕЙ «ЗАВИСАНИЯ»
AIRCRAFT WITH “HANGING” FUNCTION

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящей патентной заявкой декларируется наследование приоритета от европейской патентной заявки № 18208981.3, поданной 28/11/2018, полное изложение которой включено в настоящий документ в виде ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к летательному аппарату, способному «зависать» в воздухе, например, к вертолету, конвертоплану или гиродину.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как известно, вертолеты, как правило, оборудуются коробками передач, выполняемыми таким образом, чтобы передавать вращение от одной или нескольких турбин на основной винт и/или хвостовой винт, и/или от турбины на множество вспомогательных устройств, т.е., устройств, предназначенных, например, для выработки энергии, необходимой для работы бортового оборудования.
В таких механических коробках передач, в общем случае, внутри зубчатой передачи редуктора используется одна или несколько ступеней планетарного типа, выполненных таким образом, чтобы передавать мощность с адекватными значениями крутящего момента и частоты вращения на приводной вал основного винта.
В самом простом своем варианте такой редуктор с планетарной зубчатой передачей, в основном, содержит:
- первую ступень, называемую центральной шестерней, которая может вращаться вокруг первой неподвижной оси;
- вторую неподвижную ступень, называемую кольцевой шестерней, которая имеет вторую ось, совпадающую с первой осью; и
- множество ступеней, называемых планетарными шестернями, которые входят в зацепление с центральной шестерней и кольцевой шестерней и могут вращаться вокруг соответствующих третьих подвижных осей.
Планетарные зубчатые передачи также содержат водило планетарной передачи, которое может вращаться вокруг первой оси и соединено с планетарными шестернями.
Более конкретно, планетарные шестерни могут вращаться вокруг соответствующих третьих осей, связанных с соответствующими штифтами водила планетарной передачи и описывающих вращательное движение вокруг первых осей как одно целое с водилом планетарное передачи.
Планетарные шестерни и штифты водила планетарной передачи могут вращаться вокруг друг друга благодаря наличию соответствующих тел качения, которые катятся по дорожке качения, целиком ограниченной планетарными шестернями.
В решении известного типа механическая мощность подается в планетарную зубчатую передачу через центральную шестерню и передается с надлежащими значениями крутящего момента и частоты вращения на вал винта через водило планетарной передачи.
На протяжении периода эксплуатации вертолета планетарные шестерни подвергаются воздействию напряжений усталости с учетом их работы в состоянии зацепления и взаимодействия с центральной шестерней и кольцевой шестерней по типу контакта Герца. Планетарные шестерни также испытывают на себе воздействие дополнительных напряжений усталости вследствие взаимодействия с упомянутыми выше телами качения по типу контакта Герца.
Кроме того, вероятность образования трещин увеличивается за счет того, что ширину зубчатых венцов планетарных шестерен приходится уменьшать, чтобы, таким образом, обеспечить удерживание всего веса коробки передач а, следовательно, и всего летательного аппарата.
В результате распространения таких трещин одна из планетарных шестерен может разломиться на несколько отдельных частей.
В результате такого разлома будет нарушен контакт отдельных частей прежде целой планетарной шестерни с другими элементами зубчатой передачи; данный процесс может затем развиваться внутри коробки передач с нарастающей скоростью.
Таким образом, возникает риск разлетания отдельных частей планетарной шестерни внутри коробки передач и, возможно, попадания их в такие места, где они застрянут и сделают невозможным надлежащее вращение других зубчатых колес.
В некоторых ситуациях это может привести к заклиниванию коробки передач и, как следствие, к прекращению выполнения ею своей функции.
Такая утрата функциональности, вполне очевидно, влечет за собой риск потери вертолета и представляет собой угрозу для безопасности пассажиров вертолета.
В отрасли известно о необходимости снижения, насколько это возможно, риска нарушения контакта между зубчатыми колесами (в частности, планетарными шестернями) коробки передач летательного аппарата с функцией «зависания».
В документе EP-A-2551550 описана коробка передач известного типа для летательного аппарата с функцией «зависания».
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения заключается в создании летательного аппарата, способного удовлетворить, по меньшей мере, одну из вышеуказанных потребностей простым и малозатратным способом.
Упомянутая выше задача решается в конструкции летательного аппарата с функцией «зависания» по п. 1.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведен предпочтительный вариант осуществления в качестве неограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
- На Фиг. 1 показан летательный аппарат с функцией «зависания», в частности, вертолет, выполненный в соответствии с принципами настоящего изобретения;
- На Фиг. 2 показан перспективный вид в сильно увеличенном масштабе зубчатого колеса коробки передач, установленной на вертолете, показанном на Фиг. 1;
- На Фиг. 3 показан поперечный разрез планетарной зубчатой передачи коробки передач, установленной на вертолете, показанном на Фиг. 1;
- На Фиг. 4 показан разрез в сильно увеличенном масштабе детали, показанной на Фиг. 2, в первом конструкционном решении; и
- На Фиг. 5 показан разрез в сильно увеличенном масштабе детали, показанной на Фиг. 2, во втором конструкционном решении.
ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как показано на Фиг. 1, ссылочная позиция 1 обозначает летательный аппарат с функцией «зависания» (в показанном случае – вертолет).
Вертолет 1, в основном, содержит фюзеляж 2, основной винт 4, установленный на фюзеляже 2 и способный вращаться в первой плоскости для создания подъемной силы для всего вертолета, и хвостовой винт 3, располагающийся в конце фюзеляжа 2. В частности, хвостовой винт 3 может вращаться во второй плоскости, перпендикулярной первой плоскости, для обеспечения противодействия крутящему моменту, создаваемому основным винтом 4 и воздействующему на фюзеляж 2.
Вертолет 1, кроме того, содержит главную коробку передач 5, выполненную с возможностью передачи вращения от одной или нескольких турбин 10 (показаны только схематически) на приводной вал 11 (показан только схематически на Фиг. 1) винта 4 и на вспомогательный блок трансмиссии, приводимый в действие коробкой передач 5 и приводящий в действие винт 3.
Коробка передач 5, кроме того, содержит конечную ступень, образованную, в основном, планетарной зубчатой передачей 6 (Фиг. 3), которая передает мощность на вал 11 основного винта 4 с надлежащими значениями крутящего момента и угловой скорости.
В показанном случае планетарная зубчатая передача 6 является понижающей планетарной зубчатой передачей.
В частности, со ссылкой на Фиг. 3, планетарная зубчатая передача 6, в основном, содержит:
- центральную шестерню 7, содержащую множество зубьев 14, которая может вращаться вокруг оси А и функционально связана с входным валом (не показан) ступени 6;
- кольцевую шестерню 8, закрепленную под углом по отношению к оси А, содержащую множество зубьев 12 и продолжающуюся вокруг оси A; и
- множество зубчатых колес, выполняющих функцию соответствующих планетарных шестерен 9a, 9b, 9c, 9d и 9e и содержащих соответствующее множество зубьев 13, которые могут вращаться вокруг соответствующих осей B, параллельных оси А, и входят в зацепление с центральной шестерней 7 и кольцевой шестерней 8.
В показанном случае диаметр кольцевой шестерни 8 превышает диаметр центральной шестерни 7.
Планетарная зубчатая передача 6, кроме того, содержит водило 30 планетарной передачи (схематически показано на Фиг. 3), которое может вращаться вокруг оси А, непосредственно соединенной с приводным валом 11 винта 4 и соединенной с планетарными шестернями 9a, 9b, 9c, 9d и 9e.
В частности, каждая планетарная шестерня 9a, 9b, 9c, 9d и 9e вращается вокруг своей собственной оси B по отношению к водилу 30 планетарной передачи и описывает вращательное движение вокруг оси A совместно с водилом 30 планетарной передачи.
Кроме того, механическая мощность подается в планетарную зубчатую передачу 6 через центральную шестерню 7 и выводится (с надлежащими значениями крутящего момента и частоты вращения) на ведущий вал 11 винта 4 через водило 30 планетарной передачи.
В частности, водило 30 планетарной передачи, в свою очередь, содержит (Фиг. 3):
- плоский элемент 31, который может вращаться вокруг оси А;
- множество штифтов 32 (консольно выступающих из плоского элемента 31 вдоль соответствующих осей B), на которые устанавливаются соответствующие планетарные шестерни 9a, 9b, 9c, 9d и 9e для обеспечения их вращения вокруг соответствующих осей B; и
- множество трубчатых элементов 33, насаженных на соответствующие штифты 32.
Так как все планетарные шестерни 9a, 9b, 9c, 9d и 9e являются идентичными, в описании ниже будет упоминаться лишь планетарная шестерня 9a.
Аналогично, так как все штифты 32 и трубчатые элементы 33 являются идентичными, в описании ниже будут упоминаться лишь одиночный штифт 32 и соответствующий ему трубчатый элемент 33.
Как показано на Фиг. 2-5, планетарная шестерня 9a содержит полый корпус 40, из которого радиально и консольно выступают зубья 13, находясь в радиальном положении по отношению к оси A.
Кроме того, корпус 40 ограничивается в своем радиально наиболее внутреннем положении дорожкой качения 41, радиально противоположной зубьям 13.
В показанном случае дорожка качения 41 целиком ограничена корпусом 40.
В показанном случае дорожка качения 41 представляет собой вогнутую поверхность.
Штифт 32 и трубчатый элемент 33 продолжаются внутрь корпуса 40. Трубчатый элемент 33 ограничивает, на противоположной радиально наиболее внешней стороне по отношению к оси B, дорожку качения 43, которая радиально обращена к дорожке качения 41.
Планетарная зубчатая передача 6, кроме того, содержит множество тел качения 45, располагающихся между каждой дорожкой качения 41 и соответствующей ей дорожкой качения 43.
Другими словами, дорожки качения 41 и 43 и тела качения 45 образуют роликовую опору качения, выполненную таким образом, чтобы поддерживать планетарную шестерню 9a, находящуюся на соответствующем штифте 32, при ее вращении вокруг оси B.
Радиально внешнее кольцо данной роликовой опоры качения ограничивается дорожкой качения 41, которая, в свою очередь, целиком ограничена корпусом 40 планетарной шестерни 9a.
Аналогично, радиально внутреннее кольцо данной опоры качения ограничивается дорожкой качения 43, которая, в свою очередь, ограничена трубчатым элементом 33 водила 30 планетарной передачи.
В случае, показанном на Фиг. 4, тела качения 45 представляют собой симметричные сферические ролики, располагающиеся соосно оси B, а дорожка качения 43 является вогнутой.
В случае, показанном на Фиг. 5, тела качения 45 представляют собой самоцентрирующиеся двухрядные ролики, соответствующие оси которых наклонены по отношению к оси B. Кроме того, дорожка качения 43 образована двумя взаимно сходящимися вогнутыми участками, взаимодействующими с соответствующими телами качения 45.
Предпочтительно, планетарная шестерня 9a должна содержать (Фиг. 2) пару колец 50 и 51, аксиально противоположных друг другу и радиально взаимодействующих с планетарной шестерней 9a таким образом, чтобы на планетарную шестерню 9a относительно оси B воздействовали соответствующие радиальные усилия, направленные в сторону оси B.
Таким образом кольца 50 и 51, фактически, образуют в радиальном направлении вокруг планетарной шестерни 9a «обоймы», которые ограничивают перемещение любых частей, которые могут отделиться от планетарной шестерни 9a в случае образования внутри корпуса 40 сквозных трещин.
Кольца 50 и 51 не оказывают осевого воздействия на планетарную шестерню 9a параллельно оси B.
Более конкретно, кольца 50 и 51 насаживаются на корпус 40 с натягом.
В показанном случае кольца 50 и 51 были насажены на корпус 40 в горячем состоянии.
Как показано на Фиг. 1, 4 и 5, планетарная шестерня 9a, кроме того, содержит пару выступов 60 и 61, размещающихся противоположно друг другу и аксиально и консольно выступающих из соответствующих взаимно противоположных сторон корпуса 40.
Каждый выступ 60 и 61 содержит:
- соответствующую кольцеобразную поверхность 62 и 63, ограничивающую радиально внешнюю сторону выступа 60 и 61;
- соответствующую кольцеобразную поверхность 64 и 65, ограничивающую радиально внутреннюю сторону выступа 60 и 61; и
- соответствующий обод 66 и 67, выступающий из соответствующей кольцеобразной поверхности 62 и 63 в радиальном направлении и со стороны, противоположной оси B.
Каждый выступ 60 и 61 ограничивает собой соответствующее кольцеобразное гнездо 70 и 71 для соответствующего кольца 50 и 51.
Каждое гнездо 70 (71) радиально ограничено связанной кольцевой поверхностью 62 (63) и аксиально ограничено корпусом 40 и связанным ободом 66 (67), которые обращены друг к другу.
Более подробно, кольца 50 и 51 имеют соответствующие радиально внутренние поверхности 52 и 53, которые радиально взаимодействуют с соответствующими кольцеобразными поверхностями 62 и 63 и радиально прижаты к ним.
Кольца 50 и 51 также содержат соответствующие осевые боковые поверхности 54 и 55, которые располагаются напротив друг друга. Поверхности 54 и 55 аксиально взаимодействуют (со своих противоположных сторон) с корпусом 40 и со связанным ободом 66 и 67.
Ободья 66 и 67 аксиально ограничивают перемещение связанных колец 50 и 51.
Кольца 50 и 51 также содержат соответствующие радиально внешние боковые поверхности 56 и 57.
Поверхности 56 и 57 противоположны соответствующим поверхностям 52 и 53 и размещаются радиально вовнутрь по отношению к радиально наиболее внутреннему радиусу 49 переходной поверхности зубьев 13.
Планетарная шестерня 9a также содержит (Фиг. 3-5) еще одну пару колец 75 и 76, которые аксиально противоположны друг другу и также взаимодействуют с корпусом 40 планетарной шестерни 9a.
Кольца 75 и 76 выполнены таким образом, чтобы оказывать соответствующие усилия на планетарную шестерню 9a. Указанные усилия направлены радиально по отношению к оси B и в сторону от оси B.
В частности, кольца 75 и 76 насаживаются на корпус 40 с натягом.
В показанном случае кольца 75 и 76 были насажены на корпус 40 в горячем состоянии.
Более подробно, кольца 75 и 76 содержат соответствующие радиально внешние боковые поверхности 81 и 82, взаимодействующие с соответствующими поверхностями 64 и 65 соответствующих выступов 60 и 61.
Поверхности 64 и 65 противоположны соответствующим поверхностям 62 и 63 радиально по отношению к оси A.
Поверхности 64 и 65 также аксиально взаимодействуют с соответствующими буртиками 79 и 80, ограниченными корпусом 40 и соответствующими выступами 60 и 61 на стороне, радиально противоположной соответствующим гнездам 70 и 71.
Кольца 75 и 76 выполняются таким образом, чтобы обеспечивать центрирование отдельных частей планетарной шестерни 9a в случае образования сквозных трещин и последующего разлома планетарной шестерни 9a, 9b с образованием одной или нескольких частей.
Дорожка качения 41 размещается радиально между выступами 60 и 61.
Толщина колец 75 и 76, измеренная радиально по отношению к оси B, должна, предпочтительно, быть меньше толщины колец 50 и 51, измеренной радиально по отношению к оси B.
В процессе работы коробка передач 5 передает вращение от турбин 10 на приводной вал 11 винта 4.
Более подробно, мощность подается в планетарную зубчатую передачу 6 через центральную шестерню 7, которая вращается вокруг оси A, и выводится через водило 30 планетарной передачи, соединенное с упомянутым выше приводным валом 11 винта 4.
Так как планетарные шестерни 9a, 9b, 9c, 9d и 9e также входят в зацепление с неподвижной кольцевой шестерней 8 посредством зубьев 13 и 14 (Фиг. 3), вращение центральной шестерни 7 приводит к вращению планетарных шестерней 9a, 9b, 9c, 9d и 9e вокруг их осей B и обращению планетарных шестерней 9a, 9b, 9c, 9d и 9e вокруг оси A.
Более конкретно, планетарные шестерни 9a, 9b, 9c, 9d и 9e вращаются вокруг относительной оси B по отношению к соответствующим трубчатым элементам 33 водила 30 планетарной передачи. В частности, данное относительное вращение планетарных шестерен 9a, 9b, 9c, 9d и 9e по отношению к трубчатым элементам 33 имеет место благодаря наличию тел качения 45, размещающихся между дорожками качения 41 и 43 и катящихся по дорожкам качения 41 и 43.
Планетарные шестерни 9a, 9b, 9c, 9d и 9e также описывают вращательное движение вокруг оси А как одно целое с водилом 30 планетарной передачи.
Благодаря вращению водила 30 планетарной передачи мощность передается, с надлежащим значением частоты вращения, на приводной вал 11 винта 4.
Воздействие напряжений усталости может приводить к образованию трещин в планетарных шестернях 9a, 9b, 9c, 9d и 9e.
Если процесс распространения таких трещин приводит к разлому одной из планетарных шестерен 9a, 9b, 9c, 9d и 9e с образованием одной или нескольких отдельных частей, наличие радиальных усилий, воздействующих со стороны колец 50 и 51 и направленных в сторону связанных осей B, существенно снижает риск отделения упомянутых выше отдельных частей.
Каждая пара колец 75 и 76 воздействует с соответствующим радиальным усилием на соответствующие планетарные шестерни 9a, 9b, 9c, 9d и 9e в направлении в сторону от оси B.
Благодаря этому в случае разлома одной из планетарных шестерен 9a, 9b, 9c, 9d и 9e с образованием одной или нескольких отдельных частей усилия, развиваемые соответствующими кольцами 75 и 76, а также действие ободьев 66 и 67 удерживают указанные части в положении, в основном параллельном направлению, радиальному по отношению к оси B. Таким образом, существенно снижается риск того, что одна из указанных отдельных частей пройдет над кольцами 50 и 51 и сможет отделиться от остающейся части планетарной шестерни 9a, 9b, 9c, 9d и 9e на высокой скорости.
Того же самого удерживающего действия удается достичь и в случае, когда процесс распространения трещины не приводит к разлому планетарных шестерен 9a, 9b, 9c или 9d с образованием двух отдельных частей.
По результатам исследования летательного аппарата 1 согласно настоящему изобретению очевидны преимущества, которые могут быть достигнуты путем его реализации.
В частности, планетарные шестерни 9a, 9b, 9c, 9d и 9e содержат соответствующие пары колец 50 и 51, аксиально противоположные друг другу и воздействующие на планетарные шестерни 9a, 9b, 9c, 9d и 9e с радиальным усилием.
Таким образом, в случае распространения сквозной трещины, приводящего к разлому одной из планетарных шестерен 9a, 9b, 9c, 9d и 9e с образованием двух частей, воздействие радиальных усилий, развиваемых кольцами 50 и 51 и направленных в сторону оси A, предотвращает отделение планетарной шестерни от остающейся части планетарной зубчатой передачи 6. Необходимо подчеркнуть, что такой риск распространения сквозной трещины является особо актуальным для планетарных шестерен 9a, 9b, 9c, 9d и 9e, которые, вдобавок к воздействию обычных усталостных нагрузок в результате их зацепления с центральной шестерней 7 и кольцевой шестерней 8, подвергаются воздействию и других усталостных нагрузок, возникающих в результате взаимодействия с телами качения 45 по типу контакта Герца.
Как следствие, риск того, что указанные отдельные части могут разлететься внутри коробки передач 5 и застрять в положении, мешающем работе других элементов коробки передач 5, существенно снижается. Таким образом, существенно снижается риск заклинивания коробки передач 5 и утраты ее функциональности, совместно с последующим риском для безопасности экипажа летательного аппарата 1.
Каждая планетарная шестерня 9a, 9b, 9c, 9d и 9e, кроме того, содержит пару колец 75 и 76, аксиально противоположных друг другу, взаимодействующих со связанной планетарной шестерней 9a, 9b, 9c, 9d и 9e и развивающих соответствующие усилия, воздействующие на планетарную шестерню 9a, 9b, 9c, 9d и 9e радиально по отношению к оси B и в сторону от оси B.
Таким образом, в случае разлома одной из планетарных шестерен 9a, 9b, 9c, 9d и 9e с образованием двух или более частей усилия, развиваемые соответствующими кольцами 75 и 76, а также действие ободьев 66 и 67 удерживают указанные части, в основном, параллельно направлению, радиальному по отношению к оси B.
Риск прохождения одной из указанных отдельных частей над кольцами 50 и 51 и ее отделения от остающейся части планетарной шестерни 9a, 9b, 9c, 9d и 9e на высокой скорости, таким образом, существенно снижается.
Это дальнейшим образом повышает уровень выносливости коробки передач 5 по отношению к распространению сквозных трещин внутри одной или нескольких планетарных шестерен 9a, 9b, 9c, 9d и 9e.
Наконец, очевидным является тот факт, что для ранее описанного летательного аппарата 1 могут быть выполнены модификации и варианты исполнения, без выхода за рамки, определенные формулой изобретения.
В частности, кольцами 50 и 51 и/или 75 и 76 могут быть снабжены центральная шестерня 7 и/или кольцевая шестерня 8, вместо планетарных шестерен 9a, 9b, 9c, 9d и 9e. В альтернативном варианте кольцами 50 и 51 и/или 75 и 76 могут быть снабжены как планетарные шестерни 9a, 9b, 9c, 9d и 9e, так и центральная шестерня 7 и/или кольцевая шестерня 8.
Кроме того, кольцевая шестерня 8 планетарной зубчатой передачи 6 может быть выполнена с возможностью вращения вокруг оси A с угловой скоростью, отличающейся от угловой скорости вращения центральной шестерни 7.
Кроме того, механическая мощность может подаваться на планетарную зубчатую передачу 6 через водило 30 планетарной передачи и выводиться через центральную шестерню 7, с надлежащими значениями крутящего момента и частоты вращения.
Кроме того, коробка передач 5 может содержать две или более планетарные передачи 6, устанавливаемые последовательно или параллельно друг другу.
Кроме того, коробка передач 5 может, по меньшей мере, частично входить в состав одной из турбин 10.
Наконец, коробка передач 5 и планетарная зубчатая передач 6 могут использоваться в конвертоплане, гиродине или дистанционно управляемом летательном аппарате с функцией «зависания», обычно называемом БПЛА.