СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕДУКТОРА
METHOD FOR GEARBOX FABRICATION

Изобретение относится к области разработки и изготовления редукторов газотурбинных двигателей (ГТД), в частности к способам разработки и изготовления редукторов для малоразмерных авиационных турбовинтовых двигателей.
Известен способ проектирования и разработки зубчатой передачи, включающий этап ввода исходных данных для разработки, затем этап определения габаритных параметров передачи, также этап фильтрации по габаритным размерам, на котором выбирают зубчатые передачи, у которых габаритные размеры находятся в диапазонах значений, указанных на этапе ввода исходных данных, затем проводят оценку по прочностным характеристикам и выбирают окончательные габаритные размеры зубчатой передачи на окончательном этапе (Авиационные зубчатые передачи и редукторы: Справочник / под. ред. Э.Б. Вулгакова - М., Машиностроение, 1981 г. - 374 с., стр. 138-139, рис. 7.3).
Недостатками данного способа являются узкая область применения данного способа, связанная с возможностью применения только для отдельно взятых зубчатых передач, а не для редуктора в целом и не для планетарных передач. Выполняется только этап прочностной оценки, что негативно сказывается на длинновые габаритные размеры зубчатой передачи. На этапе фильтрации идет выбор зубчатой передачи только по габаритным размерам, где граничным условием является ширина зубчатого венца, что является недостаточным для оптимального выбора зубчатой передачи, например, такие параметры, как коэффициент перекрытия модификации зубчатого венца повышает прочность при меньших длинновых размерах венца.
Известен способ автоматизированного проектирования редукторов в программном пакете «КОМПАС 3D», включающий этап ввода исходных данных, затем этап определения геометрических характеристик, этап оценки по прочностным показателям передачи, этап рабочей компоновки и окончательный этап, на котором создают модель разрабатываемого редуктора с выбором технологических и конструкторских параметров, например материал зубчатых колес, выбор подшипников («Авторское приложение для КОМПАС-3D. Автоматизируем проектирование редукторов», http://www.sapr.ru/article.aspx?id=14850&iid=705, Максим Кидрук, дата обращения 30.04.2014).
Недостатком данного способа является то, что в способе имеется только этап рабочей компоновки без наличия эскизной компоновки, что увеличивает время проектирования редуктора, связанное с выбором его оптимальной конструкции, а также требуется высокая квалификация персонала для анализа проектируемых конструкций. Еще одним недостатком является ограниченная область применения способа, позволяющая выполнять разработку только простых одноступенчатых редукторов, имеющих один входной вал и один выходной вал, а также для передач только внешнего зацепления.
Известен способ изготовления редуктора, включающий этап ввода исходных данных, этап разработки планетарной передачи с обеспечением условий соседства, соосности и сборки, и этап фильтрации по передаточному числу, на котором выбирают конструкцию редуктора, итоговое передаточное число которого удовлетворяет исходным данным (Radu Saulesce, Oliver Climescu, Codruta Jaliu, Dorin Valentin Diaconescu On the use of 2 dof planetary gears as "speed increasers" in small hydros and wind turbines // Proceedings of the ASME 2011 International Desidn Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Confeerence IDETC/CIE 2011. - USA, Washington, DC, 2011. - P. 5, fig. 5).
Недостатками данного способа являются отсутствие прочностной оценки при разработке конструкции и отсутствие условий выбора оптимального варианта конструкции редуктора, в результате чего окончательный вариант конструкции редуктора выбирается исходя из квалификации инженера. Еще одним недостатком способа разработки конструкции редуктора является ограниченная область применения, так как способ возможно применять только для редукторов с одной планетарной передачей.
Наиболее близким является способ изготовления редуктора, включающий этап ввода исходных данных для разработки, после которого следует этап составления максимального количества вариантов конструкции, также этап фильтрации, этап оценки и выбора и окончательный этап получения конструкторского решения (Патент на изобретение RU 2433470 от 03.10.2008, опубл. 10.11.2011, бюл. №31, МПК G06F 17/50).
Недостатками способа является то, что визуализация проектируемого редуктора осуществляется только на окончательном этапе с последующим этапом фильтрации, которому предшествует большой объем проектных работ по разработке всех вариантов возможной конструкции редуктора. Фильтрация выполняется только по диапазону параметров заданных в исходных данных, то есть несколько (минимум 2) вариантов доходят до последнего этапа проектирования и только после этого по конструктивным параметрам выбирается один вариант. Таким образом, данный способ обладает высокой трудоемкостью.
Техническим результатом заявленного изобретения является расширение области применения способа, связанное с возможностью проектирования и изготовления редуктора любого типа, так как учтены возможные сочетания различных типов передач и зацеплений, также снижение трудоемкости проектирования, связанное с наглядностью этапов и с наличием нескольких этапов фильтрации, позволяющих в результате выбрать оптимальную конструкцию редуктора, удовлетворяющую требованиям исходных данных.
Технический результат достигается тем, что способ изготовления редуктора, включающий этап ввода исходных данных для разработки, после которого следует этап составления максимального количества вариантов конструкции, также этап фильтрации, этап оценки и выбора и окончательный этап получения конструкторского решения.
Новым является то, что при выполнении этапа составления максимального количества вариантов редуктора определяют максимально возможное количество вариантов редуктора в зависимости от сочетания типа ступеней и типа зацепления, затем переходят на этап фильтрации по геометрическим параметрам, на котором из максимального количества вариантов редукторов выбирают группу редукторов, для которых возможно построить структурную схему, затем вводят этап эскизной компоновки, на котором составляют эскиз кинематической схемы каждого из группы выделенных редукторов на предыдущем этапе по топологическим связям с определением основных параметров зубчатых колес, после этого вводят этап наличия и разработки планетарной передачи для каждого из группы выделенных редукторов, на котором определяют необходимость наличия планетарной передачи в редукторе с обеспечением условий соседства, соосности и сборки планетарной передачи, затем проводят этап рабочей компоновки разработанных на предыдущем этапе редукторов, в ходе проведения которого выполняют кинематическую схему каждого редуктора из группы редукторов с определением или уточнением их основных параметров, после этого осуществляют этап оценки и выбора окончательной конструкции редуктора, в котором осуществляют оценку каждого редуктора из группы редукторов по конструктивным, технологическим, прочностным и эксплуатационным параметрам и выбирают в зависимости от значения этих параметров рекомендуемую конструкцию редуктора и на окончательном этапе получения конструкторского решения выполняют модель рекомендованной конструкции редуктора, затем конструкторский чертеж, на основе которого изготавливают готовый редуктор, затем проводят испытания изготовленного редуктора для подтверждения заявленных исходных данных.
После этапа фильтрации по геометрическим параметрам дополнительно проводят этап составления вариантов редуктора с уравнительным механизмом в зависимости от сочетания типа зацепления и типа передачи.
После этапа эскизной компоновки дополнительно вводят этап фильтрации группы выбранных редукторов по основным параметрам, на котором из группы выбранных редукторов выбирают для последующей разработки редукторы, у которых значения основных параметров находятся в диапазонах значений, указанных на этапе ввода исходных данных.
Предложенный способ изготовления редуктора позволяет изготовить редуктор оптимальной конструкции, удовлетворяющий требованиям заказчика. Способ позволяет изготовить конструкцию любого редуктора (от простого до планетарного и/или дифференциального редуктора) благодаря тому, что в способе учтены возможности сочетания передач с различными вариантами зацепления и механизмов. Применение данного способа способствует снижению трудоемкости на проектирование изготовления редуктора благодаря наличию наглядных этапов (этапы эскизной и рабочей компоновки), а также этапа фильтрации (по геометрическим показателям) и этапа оценки и выбора по показателям (конструктивные, технологические, прочностные, эксплуатационные).
На фигурах показаны:
Фиг. 1 - Макросхема осуществления способа;
Фиг. 2 - Начало микросхемы осуществления способа;
Фиг. 3 - Окончание микросхемы осуществления способа;
Фиг.4 - Пример реализации способа при изготовлении планетарно-дифференциального редуктора.
Способ осуществляется следующим образом.
вых
вых
Перед началом изготовления конструкции редуктора определяют исходные данные на первом этапе 1 ввода исходных данных (Фиг. 1). Исходные данные могут определяться заказчиком, для которого осуществляется разработка и изготовление редуктора, или инженером с учетом пожеланий заказчика (Фиг. 1). Исходными данными могут быть: передаточное отношение (i), КПД редуктора (η), габаритные размеры, частота вращения (n) и мощность (Ν) выходного или выходных валов, допустимые погрешности по представленным значениям и т.д.
Затем на этапе 2, на этапе составления максимального количества вариантов редуктора, определяют количество ступеней редуктора, тип зацепления и их возможные сочетания, например показанные в табл.1, 2.
Таблица 1
Тип ступеней и их сочетания
№
Быстроходная
Тихоходная
1
простая
<b>-</b>
2
простая
простая
3
простая
планетарная
4
планетарная
простая
5
планетарная
планетарная
6
планетарная
<b>-</b>
Таблица 2
Тип зацепления
№
Быстроходная
Тихоходная
1
внешняя
-
2
внешняя
внешняя
3
внешняя
внутренняя
4
внутренняя
внешняя
5
внутренняя
внутренняя
6
внутренняя
-
Составление максимального количества вариантов редуктора позволяет определить ареал возможных конструктивных решений, их сложность, где следует рассматривать целесообразность применения планетарного механизма (Фиг. 1, 2, 3). С учетом того, что планетарная передача позволяет наиболее точно подобрать передаточное отношение. На данном этапе 2 разработки редуктора уже имеется представление о достоинствах и недостатках отдельных вариантов конструкции.
Из максимально возможного количества вариантов редукторов на этапе фильтрации, этап 3, выбирают группу редукторов, у которых возможно построение структурной схемы, а так же, которые геометрически совместимы. Здесь проверяют, не пересекаются ли оси зубчатых колес между собой, взаимное расположение валов и зубчатых колес и т.д.
После этого составляют эскизы кинематических схем каждого редуктора из группы выделенных редукторов по топологическим связям с определением основных параметров зубчатых колес, например числа зубьев (z), модуля (m), коэффициента смещения (х), коэффициента перекрытия (ξ) и т.д. Введение данного этапа 4, этапа эскизной компоновки, при разработке и изготовлении редуктора позволяет обеспечить наглядность разрабатываемой конструкции (Фиг. 2).
В конструкциях редукторов, предназначенных для авиационных двигателей, используют планетарные передачи, которые позволяют уменьшить радиальные габаритные размеры редуктора (особенно при изготовлении дифференциальных редукторов), обеспечить плавный подбор передаточного отношения, увеличить скорости скольжения в передачах, то есть увеличить КПД самого редуктора. В предложенном способе определяют наличие планетарной передачи (при необходимости) на этапе 5 наличия и разработки планетарной передачи. Затем выполняют разработку конструкции планетарной передачи с определением количества сателлитов. На этом же этапе 5 наличия и разработки планетарной передачи (Фиг. 1, 3) осуществляют проверку планетарной передачи по условиям сборки (собираемость всех элементов), соседства (соседние сателлиты не должны мешать друг другу) и соосности (обеспечение межосевого расстояния).
Если в ходе проверки хотя бы одно условие не выполняется, то тогда данную схему редуктора исключают из разработки, или осуществляют разработку планетарной передачи сначала. Это выполняют либо изменение количества сателлитов в планетарной передаче, или выбирают другую схему редуктора, полученную на этапе эскизной компоновки. На этом этапе происходит сокращение группы выбранных редукторов на этапе эскизной компоновки.
Σ
выхΣ
вых
выхΣ
вых
После определения наличия планетарной передачи и ее разработки на этапе 5, выполняют на этапе 6 рабочую компоновку редукторов, разработанных на предыдущем этапе. При осуществлении этого этапа 6 строят кинематические схемы редукторов, определяют или уточняют основные параметры зубчатых колес и зацеплений. Все расчеты осуществляются с учетом сравнения итоговых значений с исходными (заданными на этапе 1) значениями, например η≥η, n≥n; N≥N и т.д.
После составления кинематических схем выбранных редукторов (этап 6) выполняют выбор оптимальной схемы на этапе 7 оценки и выбора по таким показателям как (Фиг. 1, 3):
- конструктивные показатели, которые закладываются в техническом задании на проектирование редуктора (например, передаточное отношение, КПД и т.д.);
- технологические показатели, такие как трудоемкость изготовления деталей редуктора, себестоимость редуктора и т.д.;
- прочностные показатели с назначением степени влияния отдельных параметров редуктора, например, такие как напряжения изгиба и контакта с определением соответствующих запасов, запас по изгибной прочности и т.д. При назначении и оценке степени влияния отдельных параметров (допустимой погрешности по передаточному числу, массы и т.д.) осуществляют расстановку приоритетов по различным показателям (например, характеристики передачи, ее размеры и т.д.) в зависимости от их значимости для решения поставленной задачи;
- эксплуатационные показатели, например вибрации, шум, практическое подтверждение КПД.
Оценив каждый из видов показателей, выбирают хотя бы одну (реже 2-3) кинематическую схему как окончательный конструктивный облик редуктора.
Затем на окончательном этапе 8 изготовления конструкции редуктора строят его модель с выполнением сборочного чертежа и спецификации. По чертежу изготавливают редуктор.
Изготовленный редуктор отправляют на внутренние испытания, например, обкатку под нагрузкой для приработки зубчатых колес, контактные испытания с целью проверки и объективной оценки качества изготовления и сборки редуктора, исследовательские испытания для выявления дефектов конструкции. Так же проводят сравнительные испытания для оценки нескольких конструкций редукторов (если на этапе оценки и выбора было получено несколько кинематических схем редукторов) и выбора одного из вариантов конструкции. При необходимости выполняют доводку конструкции редуктора.
Между этапом 3 фильтрации и этапом 4 эскизной компоновки дополнительно вводят этап 9 составления вариантов редуктора по уравнительному механизму в зависимости от сочетаний типа зацеплений и типа передач (Фиг. 1, 2). На данном этапе определяют необходимость наличия уравнительного механизма в редукторе, а так же тип его ступеней с их сочетаниями (табл. 3) и тип зацепления в механизме (табл. 4).
Таблица 3
Тип ступеней и их сочетания в уравнительном механизме
№
Быстроходная ступень уравнительного механизма
Тихоходная ступень уравнительного механизма
1
простая
-
2
простая
простая
3
простая
планетарная
4
планетарная
простая
5
планетарная
планетарная
6
планетарная
-
Таблица 4
Тип зацепления в уравнительном механизме
№
Быстроходная ступень уравнительного механизма
Тихоходная ступень уравнительного механизма
1
внешняя
-
2
внешняя
внешняя
3
внешняя
внутренняя
4
внутренняя
внешняя
5
внутренняя
внутренняя
6
внутренняя
-
Дополнительное проведение данного этапа 9 при разработке и изготовлении редуктора позволит обеспечить заданную на этапе 1 ввода исходных данных передачу мощности от входного вала к выходному валу или выходным валам и позволит сократить группу выбранных редукторов на этапе фильтрации по геометрическим параметрам. Введение в конструкцию уравнительного механизма позволяет обеспечить любое соотношение крутящих моментов и частот вращения на выходном валу.
Дополнительно между этапом 4 эскизной компоновки и этапом 5 наличия и разработки планетарной передачи вводят этап 10 фильтрации по основным параметрам (Фиг. 1, 2). Основными параметрами на данном этапе являются параметры, заданные на этапе 1 ввода исходных данных, например передаточное отношение (i), КПД редуктора (η) или габаритные размеры и т.д. На данном этапе 10 из группы выделенных редукторов выбирают те редукторы, значения основных параметров которых удовлетворяют исходным данным или находятся в заданном диапазоне, представленным на этапе ввода исходных данных. По результатам данного этапа 10 фильтрации выделяется только та группа редукторов, которые удовлетворяют этим условиям. Введение дополнительного этапа фильтрации позволяет выбрать для дальнейшей разработки схемы редукторов наиболее близкие к заданным требованиям.
Таким образом, полученный по данному способу редуктор удовлетворяет всем конструкторским, технологическим, эксплуатационным характеристикам, включая в себя оптимальное сочетание элементов конструкции (зацеплений, уравнительного механизма или планетарной передачи), необходимые для удовлетворения требований исходных данных или требований заказчика, для которого изготавливали редуктор.
Благодаря тому что при выполнении этапа составления максимального количества вариантов редуктора определяют максимально возможное количество вариантов редуктора в зависимости от сочетания типа ступеней и типа зацепления, затем переходят на этап фильтрации по геометрическим параметрам, на котором из максимального количества вариантов редукторов выбирают группу редукторов, для которых возможно построить структурную схему, затем вводят этап эскизной компоновки, на котором составляют эскиз кинематической схемы каждого из группы выделенных редукторов на предыдущем этапе по топологическим связям с определением основных параметров зубчатых колес, после этого вводят этап наличия и разработки планетарной передачи для каждого из группы выделенных редукторов, на котором определяют необходимость наличия планетарной передачи в редукторе с обеспечением условий соседства, соосности и сборки планетарной передачи, затем проводят этап рабочей компоновки разработанных на предыдущем этапе редукторов, в ходе проведения которого выполняют кинематическую схему каждого редуктора из группы редукторов с определением или уточнением их основных параметров, после этого осуществляют этап оценки и выбора окончательной конструкции редуктора, в котором осуществляют оценку каждого редуктора из группы редукторов по конструктивным, технологическим, прочностным и эксплуатационным параметрам и выбирают в зависимости от значения этих параметров рекомендуемую конструкцию редуктора и на окончательном этапе получения конструкторского решения выполняют модель рекомендованной конструкции редуктора, затем конструкторский чертеж, на основе которого изготавливают готовый, затем проводят испытания изготовленного редуктора для подтверждения заявленных исходных данных, достигается расширение области применения способа, связанное с возможностью проектирования и изготовления редуктора любого типа, так как учтены возможные сочетания различных типов передач и зацеплений, также снижение трудоемкости проектирования, связанное с наглядностью этапов и с наличием нескольких этапов фильтрации, позволяющих в результате выбрать оптимальную конструкцию редуктора, удовлетворяющую требованиям исходных данных.
Пример реализации способа.
Требуется разработать и изготовить планетарно-дифференциальный редуктор с одним входным валом и двумя выходными валами для турбовинтового двигателя с двумя нагружающими элементами (Фиг. 3).
1 ЭТАП: Исходные данные:
- Частота вращения входного вала 35000 об/мин;
- Частота вращения выходных валов 6860…7000 об/мин;
- Максимальная передаваемая мощность редуктором 1000 кВт;
- Коэффициент полезного действия не ниже 0,99;
- Ресурс не менее 30 часов;
- Габаритные размеры не более ⌀170 мм и длина не более 170 мм;
- Масса редуктора не более 6 кг;
- Валы соосны;
- Направление вращения выходных валов - противоположное;
- Распределение крутящего момента по выходным валам 50%-50%;
- Частота вращения выходных валов - одинаковая.
2 ЭТАП: Максимальное возможное количество вариантов редукторов данного типа 36, причем редуктор имеет 1 быстроходную и - тихоходную ступени.
3 ЭТАП: Из этих 36 вариантов редукторов проверку по геометрической совместимости прошли 16 схем (Фиг. 3).
9 ЭТАП: Для такого типа редукторов необходим уравнительный механизм. По конструктивным особенностям его могут иметь только 10 вариантов редукторов. Причем вариантов уравнительных механизмов может быть 36, для разработки такого редуктора подходят 15 вариантов.
4 ЭТАП: Строят эскизную компоновку 10 редукторов с уравнительным механизмом и определение основных параметров зубчатых зацеплений (число зубьев, модуль, ширина зубчатого венца, угол профиля). Получается 9 схем редукторов, пример одной из схем показан на Фиг. 3.
10 ЭТАП: не требуется.
5 ЭТАП: Для каждого из 9 редукторов определяют необходимость наличия планетарной передачи, так чтобы соблюдались требования исходных данных и условия сборки соседства и соосности. Для разрабатываемого редуктора планетарная передача необходима с количеством сателлитов 2-6 штук. Таким образом, остается 7 схем редукторов для дальнейшей разработки.
6 ЭТАП: Составляют рабочую компоновку каждого из 7 редукторов (Фиг. 3) с определением оставшихся основных параметров или их уточнений (число зубьев, модуль, ширина зубчатого венца, угол профиля и т.д.).
7 ЭТАП: Оценку каждой из 7 конструкций редуктора ведут по требованиям, указанным в исходных данных:
Σ
- по КПД: Быстроходная ступень; Тихоходная ступень; Уравнительный механизм и Общее КПД η;
выхΣ1
выхΣ2
- по частоте вращения выходных валов n, n;
выхΣ1
выхΣ2
- по передаваемой мощности выходных валов N, N;
- по массе;
- по габаритным размерам;
- по прочности: напряжения изгиба, напряжения контакта, запас по изгибной прочности, запас по контактной прочности, окружная скорость.
Таким образом, выбирают только одну конструкцию редуктора, которая удовлетворяет этим требованиям, вариант №4:
- по КПД
б
Быстроходная ступень η≈0,9965;
m
Тихоходная ступень η≈0,9985;
З
Уравнительный механизм η≈0,9985.
Σ
Общее η≈0,9915.
выхΣ1
выхΣ2
- по n/=6900 об/мин, n=6900 об/мин;
выхΣ1
выхΣ2
- по N≈1000к Вт, N≈1000 кВт;
- по массе 5,5…6 кг;
- по габаритным размерам ⌀170×167 мм;
- по прочности:
Напряжение изгиба, МПа
570…630
Запас по изгибной прочности
не менее 1,5
- по методике ЦИАМ
Напряжение контакта, МПа
970…1530
Запас по контактной прочности
не менее 1,1
- по методике ЦИАМ
Окружная скорость, м/с
71,14 (для Z<sub>1</sub>-Z<sub>3</sub>)
87,24 (для Z<sub>1</sub>-Z<sub>3</sub>)
57,27 (для Z<sub>1</sub>-Z<sub>3</sub>)
35,8 (для Z<sub>1</sub>-Z<sub>3</sub>)
Габариты редуктора, мм
⌀170×167
8 ЭТАП: По рабочей компоновке схемы редуктора строят модель редуктора, чертеж (фрагмент чертежа показан на Фиг. 3) и изготавливают сам редуктор, который отправляют на дальнейшие испытания.