ГАШЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ ВЕДУЩЕГО ЗУБЧАТОГО КОЛЕСА С ПОМОЩЬЮ ВЯЗКОУПРУГОЙ НАКЛАДКИ
DAMPING OF OSCILLATIONS IN DRIVE GEAR WHEEL DUE TO VISCOELASTIC LINING

Область техники
Варианты настоящего изобретения относятся к области зубчатых колес и, более конкретно, но не исключительно, к зубчатым колесам, применяемым в редукторах турбореактивных двигателей. Более конкретно, изобретение относится к проблеме гашения колебаний, которые могут возникнуть в зубчатых колесах, в частности в зубчатых колесах редуктора или мультипликатора турбореактивного двигателя.
Хорошо известно, что вибрации, появляющиеся в зубчатых колесах, вращающихся с высокой частотой, могут привести к повреждению этих зубчатых колес. Поэтому такие вибрации требуется гасить.
Для этого применяют, в частности, известное решение, согласно которому разрезное кольцевое металлическое кольцо помещают под обод, который несет зубья зубчатого колеса. По существу это металлическое кольцо вставлено в кольцевую канавку, сформированную во внутренней периферийной поверхности обода, концентрично с осью вращения зубчатого колеса.
Хотя такое решение позволяет существенно уменьшить колебания, тем не менее оно имеет потенциальный недостаток, связанный с износом кольца и нежелательным появлением металлической стружки в масляном контуре.
Другим решением является адаптация формы зубчатого колеса к колебательному поведению, но такое решение дает нежелательный эффект, связанный с увеличением веса зубатого колеса.
Еще одним решением является применение устройства для гашения колебаний, которое содержит вязкоупругий материал. Такое решение описано, в частности, в FR 2664667 и GB 2463649.
Принимая во внимание направление оси вращения зубчатого колеса, вязкоупругий материал прочно прикреплен между опорным элементом, выполненным из стали, и напрягающим элементом. Устройство гашения колебаний прикреплено к зубчатому колесу через опорный элемент, который расположен с предварительным напряжением в кольцевой канавке, сформированной в ободе. Такое демпфирующее устройство гасит колебания за счет сдвига. Недостатком такого устройства является трение металла о металл между опорным элементом и ободом зубчатого колеса, что вновь приводит к износу и появлению металлической стружки.
Задачи и раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание зубчатого колеса, содержащего усовершенствованное устройство гашения колебаний.
Поэтому настоящее изобретение относится к зубчатому колесу, простирающемуся в осевом направлении и в радиальном направлении, при этом зубчатое колесо имеет радиальный колесный диск, несущий осевой кольцевой обод, этот обод несет зубья зубчатого колеса, при этом колесный диск снабжен устройством гашения колебаний, образованным слоем вязкоупругого материала и опорным слоем, при этом слой вязкоупругого материала проходит аксиально между радиальным колесным диском и опорным слоем, и слой вязкоупругого материала прикреплен непосредственно к диску.
Следует понимать, что диск может проходить перпендикулярно оси вращения зубчатого колеса, или он может образовывать угол менее 90° к оси вращения зубчатого колеса. По существу диск образует угол от 45° до 90° с осью вращения зубчатого колеса. Предпочтительно, диск образует угол от 65° до 90° с осью вращения зубчатого колеса. Естественно, для измерения этого угла всегда берется наименьший угол между диском и осью вращения зубчатого колеса. Ниже термины "радиальная длина" и "осевая толщина" используются, соответственно, для обозначения длины, измеренной параллельно соответствующему элементу (например, диску или устройству для гашения колебаний) в направлении, которое является по существу радиальным (т.е. под углом, лежащим в диапазоне от 0° до 45° относительно радиального направления), и толщины, измеренной перпендикулярно соответствующим элементам в направлении, которое является по существу осевым (т.е. под углом, лежащим в диапазоне от 0° до 45° относительно осевого направления).
Устройство гашения колебаний образовано только двумя слоями, а именно слоем вязкоупругого материала и опорным слоем (или слоем жесткого материала). Кроме того, слой вязкоупругого материала прикреплен непосредственно к диску, а это означает, что в отличие от вышеописанного прототипа поддерживающий элемент между зубчатым колесом и слоем вязкоупругого материала отсутствует.
Другим преимуществом настоящего изобретения является то, что оно не требует наличия кольцевой канавки, сформированной в зубчатом колесе. Таким образом, зубчатое колесо по настоящему изобретению не имеет кольцевой канавки для установки устройства гашения колебаний. Конкретным недостатком такой канавки является то, что она создает нарушение непрерывности формы и является концентратором напряжений в зоне, которая должна соответствовать конкретным требованиям к размерам, а это может потребовать существенного увеличения толщины, чтобы гарантировать механическую прочность этой детали. Согласно настоящему изобретению гасящее устройство прикреплено непосредственно к диску зубчатого колеса. Это позволяет избежать резких изменений формы и существенно улучшить массогабаритные характеристики зубчатого колеса.
Другое преимущество настоящего изобретения заключается в том, что устройство гашения колебаний имеет только два слоя. Конкретно, чем больше количество слоев, тем сложнее управлять гашением и получать воспроизводимые результаты.
Кроме того, благодаря отсутствию поддерживающего элемента между слоем вязкоупругого материала и зубчатым колесом, в устройстве гашения колебаний по настоящему изобретению можно не учитывать характеристики такого поддерживающего элемента.
Изобретатели неожиданно обнаружили, что установка устройства гашения колебаний по настоящему изобретению на диске позволяет добиться удовлетворительного уровня гашения колебаний, т.е. такого уровня, который по меньшей мере эквивалентен уровню, достигаемому с помощью устройств-прототипов, которые устанавливаются на обод. Установленное на диск устройство гашения колебаний по настоящему изобретению позволяет, в частности, но не исключительно, гасить моды колебаний диска и/или комбинированные моды колебаний диска и обода.
Кроме того, изобретение позволяет гасить колебания за счет сжатия, тогда как в прототипе вибрации гасятся сдвигом. Для данной амплитуды колебаний и независимо от моды и соответствующего элемента (диск или обод) изобретатели неожиданно обнаружили, что гашение сжатием, осуществляемое устройством по настоящему изобретению, столь же эффективно, что и гашение сдвигом по предшествующему уровню техники.
Моды колебаний диска или комбинированные моды колебаний диска и обода приводят к деформации диска в по существу осевом направлении. Устройство гашения колебаний, прикрепленное непосредственно к диску, таким образом, приводится в действие диском в этом по существу осевом направлении. Поэтому, поскольку слой вязкоупругого материала и опорный слой расположены последовательно в направлении, которое перпендикулярно диску и по существу параллельно направлению, в котором деформируется диск, опорный слой за счет своей инерции прилагает растягивающие и сжимающие силы к слою вязкоупругого материала, что противодействует деформирующим движениям диска. Осевые колебательные движения диска и, в более общей форме, зубчатого колеса, таким образом, встречают противодействие и ослабляются. Естественно, когда ось вращения зубчатого колеса проходит по существу горизонтально (относительно направления силы тяжести), в гасящем эффекте устройства гашения колебаний также может иметься сдвиговый компонент, в частности, из-за массы опорного слоя. Тем не менее гашение по большей части осуществляется осевым компонентом (т.е. сжатием) реакции устройства гашения колебаний на моды колебаний зубчатого колеса.
Таким образом, с помощью настоящего изобретения можно уменьшить толщину разных элементов зубчатого колеса и, в частности, осевую толщину диска, по сравнению с зубчатыми колесами по прототипу, тем самым позволяя уменьшить вес зубчатого колеса. Далее, поскольку толщина диска меньше (и диск, следовательно, становится легче), чем в зубчатых колесах по прототипу, нет необходимости выполнять отверстия в диске для снижения его веса, поскольку такие отверстия приводят к нарушению баланса и уменьшают жесткость и механическую прочность такого диска зубчатого колеса.
Преимущественно устройство гашения колебаний имеет кольцевую форму. Устройство гашения колебаний может иметь форму кольца, которое непрерывно, разрезано или состоит из множества сегментов.
Далее, опорный слой предпочтительно имеет радиальную длину, которая не меньше радиальной длины слоя вязкоупругого материала, что позволяет опорному слою в радиальном направлении покрывать вязкоупругий материал, тем самым защищая его. Тем не менее, опорный слой может иметь длину, меньшую, чем длина вязкоупругого материала. Например, для диска радиальной длиной 35 мм радиальная длина устройства гашения колебаний может находиться в диапазоне от 5 мм до 15 мм.
Предпочтительно слой вязкоупругого материала имеет осевую толщину в диапазоне от 0,1 мм до 3 мм. Естественно, толщина слоя вязкоупругого материала должна быть адаптирована к частотам, которые следует глушить. Также предпочтительно, опорный слой имеет осевую толщину в диапазоне от 0,5 до 2 мм. Еще более предпочтительно, опорный слой имеет осевую толщину приблизительно 1 мм.
В качестве материала опорного слоя предпочтительно выбрать материал более жесткий, чем материал вязкоупругого слоя. Для опорного слоя можно, в частности, выбрать металлический материал, например сталь, или любой другой жесткий материал, такой как композитный материал или материал пластика. Вязкоупругий материал предпочтительно является эластомером.
Предпочтительно зубчатое колесо содержит ступицу, и устройство гашения колебаний расположено ближе к ободу, чем к ступице. Так, устройство гашения колебаний расположено там, где деформация диска имеет наибольшую амплитуду, тем самым улучшается реакция устройства гашения колебаний, в частности, на осевые колебания диска. Тем самым улучшается гашение колебаний в зубчатом колесе, в частности в диске или в узле, содержащем диск и обод.
Предпочтительно, радиальный диск имеет по существу форму усеченного конуса и устройство гашения колебаний расположено на внутренней стороне этого усеченного конуса.
Следует понимать, что когда диск зубчатого колеса образует угол менее 90° с осью вращения зубчатого колеса, этот диск принимает форму усеченного конуса (т.е. имеет усеченно-коническую форму). Поэтому диск, который имеет форму, которая является "по существу усеченно-конической", является диском, имеющим по меньшей мере одну область кольцевой формы, которая наклонена к оси вращения зубчатого колеса, и эта наклонная кольцевая форма возможно имеет осевое сечение (сечение в плоскости, содержащей ось по существу усеченно-конической формы), которое является вогнутым (форма чаши), выпуклым (в форме воронки) или прямолинейным (форма усеченного конуса), или форму, которая является промежуточной относительно этих форм. Устанавливая устройство гашения колебаний внутри усеченного конуса, образованного диском, улучшается эффект компрессионного гашения, в частности, благодаря центробежной силе, возникающей при вращении зубчатого колеса.
Естественно, в варианте зубчатое колесо содержит по меньшей мере два устройства гашения колебаний. Эти два устройства гашения колебаний могут быть расположены на одной стороне диска или на противоположных сторонах диска (т.е. на обеих сторонах диска). В другом варианте зубчатое колесо имеет одно или более устройств гашения колебаний, прикрепленных к диску, и одно или более устройств гашения колебаний, прикрепленных к ободу (в частности, на осевой периферийной поверхности обода).
В преимущественном варианте изобретения зубчатое колесо является ведущим зубчатым колесом, например выходным зубчатым колесом редуктора или промежуточным зубчатым колесом редуктора газотурбинного двигателя.
Согласно настоящему изобретению также предлагается газотурбинный двигатель, например, для вертолета, содержащий зубчатое колесо по изобретению, которое является ведущим зубчатым колесом редуктора.
Согласно настоящему изобретению также предлагается способ изготовления зубчатого колеса по настоящему изобретению, содержащий этап, на котором вулканизируют слой вязкоупругого материала на радиальном диске.
Предпочтительно зубчатое колесо (изначально не имеющее устройства гашения колебаний) снабжают устройством гашения колебаний, которое образовано слоем вязкоупругого материала и опорным слоем, при этом эти два слоя предварительно прочно прикреплены друг к другу, и вязкоупругий материал вулканизируют на поверхности радиального диска так, чтобы соединить устройство гашения с зубчатым колесом.
В варианте способ изготовления может также содержать этап, на котором вулканизируют вязкоупругий материал одновременно на опорном слое и на поверхности диска зубчатого колеса.
В другом варианте способ изготовления зубчатого колеса содержит этап, на котором слой вязкоупругого материала приклеивают к радиальному диску. Таким образом, между слоем вязкоупругого материала и диском имеется пленка клея.
Краткое описание чертежей
Далее следует более подробное описание варианта настоящего изобретения, приведенного как неограничивающий пример, со ссылками на приложенные чертежи, где:
Фиг.1 - вертолетный газотурбинный двигатель, содержащий зубчатое колесо по настоящему изобретению.
Фиг.2 - осевое сечение зубчатого колеса по настоящему изобретению, содержащего устройство гашения колебаний.
Фиг.3 - деталь фиг.2, где показано устройство для гашения колебаний.
Фиг.4 - фрагментарный вид в перспективе зубчатого колеса по фиг.2.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показан газотурбинный двигатель 10, более конкретно вертолетный газотурбинный двигатель. Этот газотурбинный двигатель, как обычно, содержит газогенератор 12 и свободную турбину 14, приводимую во вращение потоком газа, являющимся продуктом сгорания и выходящим из камеры сгорания 16. Свободная турбина 14 имеет рабочее колесо 18, которое прикреплено к одному из концов вала 20. На другом конце вала 20 имеется первичное ведущее зубчатое колесо 22, которое находится в зацеплении с промежуточным ведущим зубчатым колесом 24. Промежуточное зубчатое колесо 24, которое приводится во вращение вокруг оси А первичным зубчатым колесом 22, находится в зацеплении с выходным зубчатым колесом 26 по настоящему изобретению. Промежуточное зубчатое колесо 24 и выходное зубчатое колесо 26 образуют часть редуктора 27 газотурбинного двигателя 10. Выходное зубчатое колесо 26, приводимое во вращение вокруг его оси В вращения промежуточным зубчатым колесом 24, соединено с выходным валом 28 для соединения с главной коробкой приводов (не показана).
Естественно, настоящее изобретение может применяться в газотурбинных двигателях и другого типа, например в газотурбинных двигателях, в которых турбины сочленены.
Когда газотурбинный двигатель работает, промежуточное зубчатое колесо 24 и выходное зубчатое колесо 26 подвергаются колебаниям. Как указано выше, целью изобретения является погасить такие колебания.
В этом примере выходное зубчатое колесо 26 выполнено по настоящему изобретению. Промежуточное зубчатое колесо 24, не выходя за пределы настоящего изобретения, также может быть выполнено в соответствии с изобретением. Другими словами, изобретение можно применить к промежуточному зубчатому колесу 24 и/или к выходному зубчатому колесу 26.
Далее со ссылками на фиг.2 следует более подробное описание выходного зубчатого колеса 26 по настоящему изобретению.
Как видно из этого вида в сечении, выходное зубчатое колесо обычно содержит радиальный диск 30, проходящий радиально между ступицей 32 и кольцевым ободом 34. Диск 30 образует угол α, который меньше 90°, с осью В вращения зубчатого колеса 26. В этом примере α=70°.
Кольцевой обод 34 имеет первую периферийную поверхность, а именно наружную периферийную поверхность 36, и вторую периферийную поверхность, а именно внутреннюю периферийную поверхность 38. Наружная и внутренняя периферийные поверхности проходят по кольцу вокруг оси В. Как показано на фиг.4, на наружной периферийной поверхности имеются зубья 40.
Радиальный диск 30 имеет форму усеченного конуса и имеет внутреннюю усеченно-коническую поверхность 30а на внутренней стороне этой усеченно-конической формы, и наружную усеченно-коническую поверхность 30b на внешней стороне усеченно-конической формы.
Согласно настоящему изобретению, внутренняя усеченно-коническая поверхность 30а снабжена устройством 42 гашения колебаний, которое образовано слоем 44 вязкоупругого материала и опорным слоем 46. Другими словами, устройство 42 гашения колебаний имеет только два слоя. Также, согласно настоящему изобретению, слой 44 вязкоупругого материала расположен аксиально (т.е. вдоль направления, определяемого осью В) между диском 30 и, более конкретно, внутренней усеченно-конической поверхностью 30а диска 30, и опорным слоем 46. Таким образом, следует понимать, что в этом неограничивающем примере слой вязкоупругого материала прикреплен и к внутренней усеченно-конической поверхности 30а, и к опорному слою 46.
Как показано на фиг.3, согласно настоящему изобретению слой 44 вязкоупругого материала прикреплен непосредственно к внутренней усеченно-конической поверхности 30а диска 30, т.е. между слоем 44 вязкоупругого материала и диском 30 нет никаких крепежных элементов. Кроме того, зубчатое колесо 46 и, более конкретно, диск 30 не имеет кольцевой канавки.
Для изготовления выходного зубчатого колеса 26 по настоящему изобретению выполняют этап, на котором крепят устройство 42 гашения колебаний к радиальному диску 30 клеем или путем вулканизации слоя 44 вязкоупругого материала на внутренней усеченно-конической поверхности 30а радиального диска 30, при этом выходное зубчатое колесо 26 должно быть изготовлено из металла.
Таким образом, когда устройство 42 гашения колебаний прилипнет к диску 30, понятно, что между слоем 44 вязкоупругого материала и внутренней усеченно-конической поверхностью 30а диска 30 может оставаться пленка клея.
Кроме того, опорный слой 46 можно приклеивать или соединять вулканизацией со слоем 44 вязкоупругого материала.
Слой 44 вязкоупругого материала вулканизируют на внутренней усеченно-конической поверхности 30а диска 30.
Как показано на фиг.4, устройство 42 гашения колебаний имеет кольцевую форму, проходящую практически по всей внутренней полосе внутренней усеченно-конической поверхности 30а радиального диска 30. Устройство 42 глушения колебаний преимущественно является разрезным, т.е. имеет прорезь 48, проходящую предпочтительно поперек всей осевой толщины и всей радиальной длины устройства 42 гашения колебаний. Одним из преимуществ является улучшение способности опорного слоя 46 адаптироваться к форме и деформациям колеса для улучшения поглощения колебаний.
Как показано на фиг.3, опорный слой 46 имеет радиальную длину l, которая по существу равна длине слоя 44 вязкоупругого материала. Радиальная длина l опорного слоя 46 может быть немного больше радиальной длины слоя 44 вязкоупругого материала. Покрытие опорным слоем 46 слоя 44 вязкоупругого материала в радиальном направлении служит для его защиты, чтобы ограничить его взаимодействие с окружающей средой (при транспортировке, манипуляциях, при контакте с жидкостью и т.д.).
В этом примере устройство 42 гашения колебаний расположено радиально ближе к кольцевому ободу 34, чем к ступице 32. Тем не менее, его можно установить радиально в другой зоне, чтобы гасить конкретные моды деформации диска 30.
В качестве неограничивающего примера, осевая толщина слоя 44 вязкоупругого материала находится в диапазоне от 0,5 до 3 мм, а осевая толщина е2 опорного слоя 46 находится в диапазоне от 0,5 до 2 мм. Толщину можно выбирать как функцию размеров зубчатого колеса 26, частот, подлежащих гашению, и материала, выбранного для двух вышеописанных слоев. В этом примере вязкоупругий материал является эластомером нитрильного типа, а опорный слой выполнен из стали, при этом следует понимать, что факультативно можно использовать и другой материал, например металл, композитный материал или материал пластика.
Радиальная длина L устройства 42 гашения колебаний (в этом примере равная радиальной длине слоя вязкоупругого материала и опорного слоя) находится в диапазоне от 5 до 15 мм и, следовательно, существенно больше его толщины.
Слой вязкоупругого материала работает на сжатие. Таким образом, можно добиться гашения путем сжатия колебаний в частотном диапазоне, от приблизительно 5 кГц до 30 кГц. Гашение колебаний дает возможность существенно снизить вес выходного зубчатого колеса 26, в частности, уменьшив толщину обода, диска и/или ступицы. Для зубчатого колеса 26 снижение веса достигает 20%. Тот же результат можно получить и для промежуточного зубчатого колеса 24.