ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА С ВСТРОЕННОЙ ЗАЩИТОЙ ОТ ИЗБЫТОЧНОГО КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА
GEAR WITH BUILT-IN PROTECTION FROM EXCESSIVE TORQUE

Настоящее изобретение относится к области зубчатых передач, в частности зубчатых передач, выполненных в коробках приводов вспомогательных агрегатов в газотурбинном двигателе.
Зубчатые передачи применяются во всех областях механики для передачи движений, от производства часов до редукторов в тяжелой промышленности. Зубчатая передача содержит две зубчатые шестерни, установленные соответственно на вращающихся валах. Ведущий вал приводит во вращение шестерню, при этом шестерня неподвижно соединена с валом. Зубья ведущей шестерни зацепляются с зубьями ведомой шестерни для передачи движения вращения от ведущего вала к ведомому валу. Когда имеется зацепление более двух зубчатых шестерен, принято говорить о блоке зубчатых колес.
Блок зубчатых колес содержит множество последовательно соединенных зубчатых передач, образующих кинематическую цепь. Ведущий вал на входе кинематической цепи приводит во вращение шестерню, с которой он неподвижно соединен. Шестерни блока зубчатых колес, установленные в кинематической цепи за ведущим валом, приводятся во вращение последовательно в результате вращения ведущего вала.
В дальнейшем под передними и задними шестернями следует понимать шестерни, расположенные соответственно спереди и сзади в кинематической цепи по отношению к данной шестерне, при этом передняя шестерня передает движение вращения на данную шестерню, и задняя шестерня приводится во вращение данной шестерней.
Предпочтительно блок зубчатых колес может вращать множество валов от ведущего вала, при этом каждый ведомый вал вращает соответственно один агрегат. Настоящее изобретение касается, в частности, блока зубчатых колес, установленного в газотурбинном двигателе для приведения в действие вспомогательных агрегатов.
При последовательном монтаже зубчатых передач, если ведомый вал заклинивает или стопорится, шестерня, неподвижно соединенная с валом, вращаться не может. Все шестерни кинематической цепи могут быть заблокированы. Чтобы в этой ситуации блок зубчатых колес мог продолжать работать, предусматривают предохранительные средства.
Из предшествующего уровня техники известны зубчатые передачи, образованные двумя шестернями, установленными на валах, оборудованных прямоугольными шпонками, установленными на валу. Соответственно шестерни содержит прямоугольные пазы на уровне их внутреннего венца, совпадающие с формой шпонок. Во время работы шестерни установлены на валах, при этом пазы удерживают шпонки для неподвижного соединения шестерни с валом.
Если один из валов блока зубчатых колес заклинивает, шестерня, вал которой остановился, подвергается действию избыточного крутящего момента, создаваемого передней шестерней. Избыточный момент разрушает шпонку, отсоединяя шестерню от ее вала. Передняя шестерня вращает отсоединенную шестерню вокруг вала. Кинематическая цепь сохраняется, но на время, которое может быть относительно коротким, так как шестерня стремится сойти с вала и сместиться в поперечном и радиальном направлении, что может привести к блокировке зацепления и к прекращению передачи вращения на вспомогательные агрегаты, установленные на выходе. Потеря вращающего момента сказывается на зубчатых передачах и, в частности, на агрегатах, соединенных с этими зубчатыми передачами.
Одной из задач настоящего изобретения является обеспечение передачи вращения шестерней, вал которой остановился, на заднюю шестерню, для сохранения эффективности передачи вращения при помощи зубчатой передачи.
В этой связи заявителем предлагается зубчатая передача, содержащая шестерню, неподвижно соединенную с валом, установленным с возможностью вращения в опоре посредством разрушающегося элемента, выполненного с возможностью отсоединения шестерни от вала в случае возникновения избыточного крутящего момента между шестерней и валом, отличающаяся тем, что между шестерней и валом устанавливают направляющий опорный подшипник в положении ожидания, выполненный с возможностью направления шестерни во вращении вокруг вала в случае отсоединения шестерни от вала.
Предпочтительно, чтобы в случае заклинивания или остановки вала, неподвижно соединенного с вспомогательной шестерней блока зубчатых колес, шестерня, на которую действует большой крутящий момент, отсоединялась от вала при помощи разрушающегося элемента, выполняющего роль «предохранителя». Находившийся до этого в положении ожидания направляющий подшипник становится активным. Этот подшипник позволяет направлять отсоединенную шестерню в ее вращении вокруг вала. Несмотря на неисправность, производительность зубчатой передачи сохраняется.
Предпочтительно, чтобы подшипник занимал мало места и имел малый вес. Действительно, подшипник установлен в шестерне и не требует направляющих средств, находящихся «за габаритами» шестерни.
Предпочтительно, чтобы разрушающийся элемент был установлен разъемно между шестерней и валом.
Предпочтительно, чтобы разрушающийся элемент был выполнен в виде диска, посаженного внатяг между шестерней и валом, при этом диск должен содержать множество радиальных стоек.
Предпочтительно, чтобы направляющий подшипник принадлежал к группе, в которую входят роликоподшипник, шарикоподшипник и контактный подшипник скольжения.
Предпочтительно, чтобы направляющий подшипник являлся роликоподшипником типа NUP.
Согласно другому объекту настоящего изобретения, коробка приводов вспомогательных агрегатов содержит множество зубчатых передач, в которой, по меньшей мере, одна зубчатая передача является зубчатой передачей в соответствии с настоящим изобретением.
Предпочтительно, чтобы коробка приводов вращала вспомогательные агрегаты в газотурбинном двигателе.
Еще одним объектом настоящего изобретения является газотурбинный двигатель, содержащий такую коробку приводов.
Настоящее изобретение будет более понятным из нижеследующего описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, в числе которых:
Фиг.1 изображает вид в изометрии зубчатой передачи в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 - вид в разрезе по III-III фиг.1 зубчатой передачи с роликоподшипником.
Фиг.3 - вид в изометрии другого варианта осуществления настоящего изобретения с шарикоподшипником.
Как показано на фиг.3, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения газотурбинный двигатель, не показанный на чертеже, содержит коробку 100 приводов. Коробка 100 приводов предназначена для приведения во вращение вспомогательных агрегатов, установленных на валах блока зубчатых колес, находящегося в коробке 100. Такую коробку 100 обычно обозначают аббревиатурой AGB от “Accessory Gear Box”.
Как показано на фиг.1, блок зубчатых колес содержит в данном случае три шестерни 10, 20, 30, оборудованные соответственно зубьями 13, 23, 33. Шестерни 10, 20, 30 расположены последовательно, образуя кинематическую цепь. Ведущий вал приводит во вращение шестерню 10. Движение вращения передается на шестерню 20 через зубья 13, зацепляющиеся с зубьями 23, при этом шестерни 10, 20 образуют первую зубчатую передачу, и шестерни 20, 30 образуют вторую зубчатую передачу.
Шестерня 20 неподвижно соединена с вращающимся валом 201. Таким образом, когда шестерня 20 приводится во вращение передней шестерней 10, она, в свою очередь, вращает вал 201.
Как показано на фиг.2, вал 201 установлен в подшипниках 71, 72, расположенных соответственно с каждой стороны шестерни 20, направляя вращение вала 201 в коробке 100. В данном случае подшипники 71, 72 являются шарикоподшипниками.
Вал 201 содержит выступающий в радиальном направлении участок, образующий корпус 22, вокруг которого установлено цилиндрическое колесо 21, оборудованное зубьями 23 на своей наружной поверхности. В окружном направлении между корпусом 22 и колесом 21 установлен роликоподшипник 80, позволяющий колесу 21 вращаться вокруг корпуса 22.
Подшипник 80 содержит внутреннее кольцо 82, на котором установлены ролики 83, расположенные в продольном направлении.
Снаружи в радиальном направлении ролики 83 удерживаются внутренним отверстием колеса 21, образующим дорожку 81. Благодаря линейному контакту между дорожкой 81, цилиндрическими роликами 83 и кольцом 82, роликоподшипник 80 обладает способностью выдерживать большие радиальные нагрузки и, следовательно, предназначен для высоких скоростей вращения.
Кольцо 82 содержит две части, каждая из которых содержит окружной заплечик 821, 822, обеспечивающий осевое стопорение роликов 83. Этот тип роликоподшипника с двойным осевым упором обозначают NUP.
Подшипник 80 установлен в положении ожидания в шестерне 20, то есть он не является активным. Соединение между корпусом 22 и цилиндром 31 осуществляют при помощи двух соединительных дисков 40, 50, установленных с каждой стороны шестерни 20 в поперечном направлении по отношению к валу 201 между корпусом 22 и колесом 21. Диски 40, 50 неподвижно соединяют корпус 22 с шестерней 20, при этом диски предпочтительно устанавливают путем посадки внатяг. Диски 40, 50, образующие боковые поверхности шестерни 20, удерживают кольцо 82 подшипника 80 с роликами 83 неподвижно в шестерне 20. Подшипник 80 не может перемещаться в шестерне в осевом направлении.
Как показано на фиг.1, диск 40 содержит два концентричных венца 41, 42, при этом наружный венец 41 соединен с внутренним венцом 42 радиальными стойками 43. Наружная поверхность венца 41 диска 40 опирается на внутреннюю поверхность отверстия колеса 21 шестерни 20, при этом внутренняя поверхность венца 42 опирается на корпус 22.
Стойки 43 диска 40 выполнены таким образом, что содержат «разрушающийся» участок, выполненный с возможностью разрушаться при значении момента между корпусом 22 и колесом 21, превышающем определенное пороговое значение. Диск 50 выполнен аналогично диску 40 и установлен на шестерне 20 со стороны, противоположной диску 40.
Во время нормальной работы блока зубчатых колес передняя шестерня приводит во вращение шестерню 20, при этом передаваемый момент меньше порогового значения. Движение вращения передается на заднюю шестерню 30 шестерней 20. Колесо 21 вращает корпус 22 при помощи дисков 40, 50. Роликоподшипник 80 находится в положении ожидания.
При заклинивании вала 201 происходит сбой движения вращения. Между шестерней 20 и корпусом 22 возникает избыточный момент, превышающий пороговое значение и разрушающий стойки 43, 53. «Предохранительный» участок каждой стойки 43, 53 разрушается и высвобождает шестерню 20, которая начинает вращаться вокруг корпуса 22.
После разрушения стоек роликоподшипник 80 становится активным. Ролики 83 начинают вращаться между венцами 81, 82, обеспечивая вращение колеса 21 относительно корпуса 22. Заплечики 821, 822 удерживают ролики 83 в осевом направлении и предотвращают поступательное движение колеса относительно корпуса 22.
Роликоподшипники 80 препятствуют осевым и поперечным движениям шестерни 20 и позволяют шестерне 20 только вращаться вокруг корпуса 22. Таким образом, отсоединенная шестерня 20 не входит в контакт с коробкой 100. Несмотря на неисправность вала 201, производительность зубчатой передачи оптимизируется, и кинематическая цепь сохраняется.
В другом варианте осуществления, показанном на фиг.3, направляющий шарикоподшипник 90 установлен в окружном направлении между корпусом 22 и колесом 21, обеспечивая вращение колеса 21 вокруг корпуса 22.
Шарикоподшипник 90 содержит внутренний окружной сепаратор 92 и наружный окружной сепаратор 91, между которыми находятся шарики 93. Подшипник 90 установлен в положении ожидания. Аналогично предыдущему варианту осуществления, соединение между корпусом 22 и цилиндром 21 обеспечивается посадкой внатяг двух соединительных дисков 40, 50 между корпусом 22 и колесом 21.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения, не показанном на чертежах, в окружном направлении между корпусом 22 и колесом 21 установлен контактный подшипник, обеспечивающий вращение колеса 21 вокруг корпуса 22. Контактный подшипник содержит два концентричных кольца, выполненных из материала с низким коэффициентом трения, такого как бронза или политетрафторэтилен (ПТФЭ), при этом кольца входят в поверхностный контакт для направления колеса 21 вокруг корпуса 22.
Диски 41, 50, посаженные внатяг между колесом 21 и корпусом 22, легко снимаются после разрушения. Их замена является простой, не требует много времени и затрат. При заклинивании вала 201 энергия, создаваемая избыточным моментом, поглощается дисками 40, 50, и нет необходимости заменять дорогие детали, такие как вал 201 и колесо 21.
В применении к газотурбинному двигателю настоящее изобретение позволяет коробке приводов вращать вспомогательные механизмы, несмотря на неисправность вала блока зубчатых колес.