ОДНОСТУПЕНЧАТЫЙ ПОНИЖАЮЩИЙ РЕДУКТОР С БОЛЬШИМ ПЕРЕДАТОЧНЫМ ОТНОШЕНИЕМ ДЛЯ АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
SINGLE-STEP REDUCTION GEARBOX WITH LARGE RATIO FOR AIRCRAFT ENGINE

Уровень техники
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, в общем, к реактивному двигателю и, в частности, реактивному двигателю с одноступенчатым, компактным и обладающим высокой плотностью мощности понижающим редуктором с большим передаточным отношением.
Описание известного уровня техники
Понижающий редуктор для авиационных двигателей, таких как турбовинтовой двигатель, редукторный турбовентиляторный двигатель (GTF), открытые винтовентиляторные и турбовальные двигатели для самолета, является необходимым. Понижение частоты вращения с большим передаточным отношением для этих авиационных двигателей необходимо, так как их соответственный низкооборотный вал лопастей должен работать на более низкой частоте вращения, чем вал турбины, который приводит его в движение. Для турбовальных авиационных двигателей, используемых на вертолете, или его вариантов выполнения, используемых для наземного или морского применений, понижение частоты вращения с большим передаточным отношением также необходимо, так как эти двигатели в качестве первичного привода работают на более высокой частоте вращения, чем нагрузка - лопасти винта вертолета, колеса транспортного средства и гребные винты. В настоящее время наилучшим путем получения такого большого передаточного отношения понижения частоты вращения для авиационного двигателя является использование каскада понижающих передач с меньшим передаточным отношением, но с наилучшей эффективностью.
Однако это каскадное понижение частоты вращения имеет низкую суммарную эффективность изменения частоты вращения из-за ее особенности, согласно которой вся нагрузка проходит последовательно через каждую без исключения ступень понижающей передачи каскада. Конструкция также является громоздкой по очевидной причине, а именно каждая ступень в каскаде должна быть в полной мере рассчитана на передачу ста процентов всей мощности, получаемой лопатками турбины.
Для преодоления этой проблемы, вызванной каскадированием, решением является одноступенчатая понижающая передача с большим передаточным отношением. Один тип "одноступенчатого" устройства изменения частоты вращения, в настоящее время широко используемого, представляет собой циклоидальный привод, изготовленный в компании Sumitomo Heavy Industries, Ltd., Токио, Япония. Несмотря на то, что относительно компактный для передаточных отношений изменения частоты вращения в диапазоне от десятков до более чем одной сотни, при использовании в качестве понижающей передачи, привод представляет собой, по существу, одну ступень циклоидальной зубчатой передачи, за которой следует внеосевая ступень съема мощности.
ФИГ.1 схематически иллюстрирует конфигурацию такой циклоидальной понижающей передачи в поперечном сечении. Традиционное устройство на ФИГ.1 имеет неподвижную кольцевую шестерню 11 и планетарный элемент 12 определенной формы, иногда в форме диска или иногда простой шестерни. Планетарный элемент 12 зацепляется с и перемещается внутри кольцевой шестерни 11 эпициклически. Они имеют минимально возможную разницу в их рабочих делительных диаметрах.
Для внеосевой ступени съема мощности диск 13 прикреплен к планетарному элементу 12 коаксиально на их оси 19 и имеет несколько отверстий 17, чтобы обеспечивать зацепление с соответствующим количеством роликовых штифтов 18, размещенных на пластине 14. Пластина 14 соединена с выходным валом 16 привода и отцентрирована на центральной оси 10 устройства. Эта конструкция "съема мощности" позволяет приводу выдавать передаточное отношение понижения частоты вращения - K/i, где К - делительный диаметр планетарного элемента 12, и i - разница между делительными диаметрами элементов 11 и 12. В типичном примере, в котором кольцевая шестерня 11 имеет 80 зубьев и вариант шестерни планетарного элемента 12 имеет 79 (K=80 и i=1), передаточное отношение равно 80, когда механическая мощность передается устройством с помощью входа на валу 15.
ФИГ.2 схематически иллюстрирует внеосевое соединение съема мощности, используемое для циклоидального привода известного уровня техники на ФИГ.1. В любое заданное время только один из обычно восьми или более роликовых штифтов и зацеплений отверстий циклоидального диска полностью передает крутящий момент. Например, с помощью углового положения относительного смещения и с помощью направления вращения, как показано, только пара роликового штифта 18C и отверстия 17C полностью передает мощность устройству.
Это очевидно, так как край отверстия 17C ведущего диска 13, который находится в контакте с роликовым штифтом 18C ведомой пластины 14, должен находиться сзади ролика 18С вдоль направления вращения. В этом смысле пары роликовых штифтов и отверстий, обозначенные В и D, частично работают на передачу мощности вследствие положения их точек контакта относительно направления вращения диска 13 и пластины 14. В том же смысле, пара 18G и 17G роликового штифта и отверстия совсем не работает, так как роликовый штифт 18G, приводной, перемещается за его точку контакта с его отверстием 17G, ведущим.
Традиционные циклоидальные приводы основываются на синхронизирующем зацеплении между двумя элементами (шестернями) различного делительного диаметра со смещенными осями. Но это не является оптимизированным механизмом из-за низкого использования: Из всех восьми пар штифтов/отверстий, показанных на ФИГ.2, половина (четыре или даже пять в зависимости от углового положения) из них не находятся в положении приведения в движение нагрузки. Из другой половины только одна может находиться в полностью загруженном положении для приведения в движение нагрузки, другие три находятся в их частично загруженном положении. С помощью ограничения, такого как эти, циклоидальные приводы достигают обычно менее 80 процентов эффективности в нормальных условиях нагружения.
Дополнительно, для достижения передаточного отношения понижения частоты вращения K, циклоидальный привод требует использовать неподвижную кольцевую шестерню с K+1 зубьями. Для большого передаточного отношения большое количество кольцевых шестерен делает привод громоздким, если номинальный крутящий момент является существенным, тогда зубья должны быть достаточно продуманными - в размере. Другими словами, компактность циклоидального привода накладывает ограничение на крутящий момент и уровень мощности привода.
Другой тип понижающей передачи с большим передаточным отношением, широко используемый в точных и аэрокосмических применениях, представляет собой волновой привод, изготовленный компанией Drive Systems Inc., Токио Япония. Применяя базовую концепцию, известную как волновая зубчатая передача, волновой привод имеет относительно низкий доступный уровень мощности. Этот привод также дает обычно менее 60 процентов эффективности под нормальной нагрузкой, так как его шлицевой элемент всегда изгибается, когда привод работает для передачи механической мощности.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является обеспечение одноступенчатого понижающего редуктора с большим передаточным отношением для авиационного двигателя, который является компактным и который может быть выполнен с использованием шестерен с малым количеством зубьев от десяти до двадцати.
Также целью настоящего изобретения является обеспечение одноступенчатого понижающего редуктора с большим передаточным отношением для авиационного двигателя, который имеет высокую плотность мощности и который может быть выполнен с использованием шестеренных элементов с малым количеством зубьев с большим количеством модулей.
Также целью настоящего изобретения является обеспечение одноступенчатого понижающего редуктора с большим передаточным отношением для авиационного двигателя, который является высокоэффективным с использованием прецизионной зубчатой передачи.
Для того чтобы достичь вышеописанные и другие цели, настоящее изобретение обеспечивает одноступенчатый понижающий редуктор для авиационного двигателя для изменения входной частоты вращения на входном валу, соединенном с валом турбины авиационного двигателя, до выходной частоты вращения на выходном валу, соединенном с валом лопастей вентилятора авиационного двигателя. Редуктор имеет коаксиальную пару кольцевых шестерен, включающую большую кольцевую шестерню, имеющую делительный диаметр А, и малую кольцевую шестерню, имеющую делительный диаметр D. Коаксиальная пара прямозубых шестерен включает в себя большую прямозубую шестерню, имеющую делительный диаметр В, и малую прямозубую шестерню, имеющую делительный диаметр C. Большая прямозубая шестерня зацепляется с большой кольцевой шестерней, и малая прямозубая шестерня зацепляется с малой кольцевой шестерней, образуя две зацепляющиеся пары. Несущий элемент соединен с входным валом редуктора. Две шестерни одной из двух коаксиальных пар скреплены вместе, чтобы действовать эпициклически на несущем элементе. Одна шестерня другой из двух коаксиальных пар прикреплена к каркасу редуктора, а другая шестерня соединена с выходным валом. Четыре шестерни удовлетворяют соотношению размеров А=K+i, В=К, С=K-j и D=K+i-j-j, где K, i и j являются целыми числами.
Краткое описание чертежей
ФИГ.1 схематически иллюстрирует известную в уровне техники циклоидальную понижающую передачу с большим передаточным отношением.
ФИГ.2 схематически иллюстрирует внеосевое соединение съема мощности, используемое для известного в уровне техники циклоидального привода.
ФИГ.3 представляет собой вид в поперечном сечении устройства изменения частоты вращения согласно настоящему изобретению, который схематически иллюстрирует его внеосевую ступень съема мощности.
ФИГ.4 схематически иллюстрирует вид в поперечном сечении устройства изменения частоты вращения согласно настоящему изобретению, показывающий размерную конфигурацию всех его элементов.
ФИГ.5 и 6 схематически иллюстрируют виды в поперечном сечении устройства изменения частоты вращения согласно настоящему изобретению в различных конструкциях входных и выходных элементов.
ФИГ.7 схематически иллюстрирует вид в поперечном сечении устройства изменения частоты вращения согласно настоящему изобретению с размерной конфигурацией для оптимизированного применения изменения частоты вращения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
ФИГ.3 представляет собой конфигурацию в поперечном сечении устройства изменения частоты вращения согласно настоящему изобретению, которая схематически иллюстрирует эквивалентную конструкцию его внеосевой ступени съема мощности, ссылаясь в то же время на ФИГ.1 и 2, вместо пластины 14 с множественными роликовыми штифтами 18, которые зацепляется с их соответствующими отверстиями 17, образованными в циклоидальном диске 13, устройство изменения частоты вращения согласно настоящему изобретению имеет другую конструкцию для съема мощности.
Как проиллюстрировано, пока планетарная шестерня 32 перемещается эпициклически внутри кольцевой шестерни 31 каркаса, планетарная шестерня 33, которая скреплена коаксиально с шестерней 32, также перемещается эпициклически внутри кольцевой шестерни 34 второй пары кольцевых прямозубых шестерен. Когда шестерня 33 вращается и перемещается эпициклически внутри шестерни 34, ее самый дальний край (ее делительной окружности) 33P выстраивает траекторию 33T. Эта траектория 33T выполняется с возможностью точно совпадать с делительной окружностью кольцевой шестерни 34. По существу, кольцевая шестерня 34 второй пары вместе с ее зацепляющей прямозубой шестерней 33 выполняет функцию, подобную функции внеосевого средства съема мощности традиционного циклоидального привода, но позволяет настоящему устройству создавать передаточное отношение изменения частоты вращения, которое является значительно большим, как описано далее.
ФИГ.4 схематически иллюстрирует вид в поперечном сечении конфигурации устройства изменения частоты вращения согласно настоящему изобретению, показывающий размерную конфигурацию всех его элементов. Устройство изменения частоты вращения имеет коаксиальную пару кольцевых шестерен, которая включает в себя большую кольцевую шестерню 41, имеющую делительный диаметр А, и малую кольцевую шестерню 44, имеющую делительный диаметр D. Устройство также имеет коаксиальную пару прямозубых шестерен, которая включает в себя большую прямозубую шестерню 42, имеющую делительный диаметр В, и малую прямозубую шестерню 43, имеющую делительный диаметр C. Большая прямозубая шестерня 42 зацепляется с большой кольцевой шестерней 41, и малая прямозубая шестерня 43 зацепляется с малой кольцевой шестерней 44, образуя две зацепляющиеся пары. Несущий элемент 45E соединен с входным валом 45 устройства изменения частоты вращения. Несущий элемент 45E, по существу "скрученный" вариант которого найден в традиционных системах планетарных шестерен, образован объединением входного вала 45 (на центральной оси 40 всей системы) и центрального вала для пары шестерен 42 и 43 (на своей собственной оси 49).
Дополнительно, две коаксиальные прямозубые шестерни 42 и 43 скреплены вместе друг с другом, чтобы действовать эпициклически на несущем элементе 45E. Большая кольцевая шестерня 41, в примере, изображенном на ФИГ.4, прикреплена к каркасу устройства, служа в качестве реактивного элемента системы, и малая кольцевая шестерня 44 соединена с выходным валом 46.
В этой зубчатой системе четыре шестерни 41, 42, 43 и 44 удовлетворяют соотношению размеров А=K+i, В=К, С=K-j и D=K+i-j. Понятно, что варианты выполнения устройства изменения частоты вращения согласно настоящему изобретению с использованием шестерен должны иметь их размерные значения K, i и j установленными целыми числами.
По существу устройство изменения частоты вращения на ФИГ.4 имеет несущий элемент 45E, действующий в качестве входа, малую кольцевую шестерню 44 в качестве выхода и большую кольцевую шестерню 41 реактивного элемента. При этом две коаксиальные прямозубые шестерни 42 и 43, которые скреплены вместе, перемещаются эпициклически в этой системе. Проиллюстрированное устройство изменения частоты вращения на ФИГ.4 имеет передаточное отношение изменения частоты вращения K(K+i-j)/ij. Для системы на основе шестерен с размером А=16T (зубьев), В=15T, С=14T и D=15T или К=15, i=1 и j=1, передаточное отношение изменения частоты вращения = 225.
Для сравнения, в традиционном циклоидальном приводе (на ФИГ.1) с А=16T и В=15T, передаточное отношение изменения частоты вращения = 15. Это значит, что устройство изменения частоты вращения согласно настоящему изобретению способно достигать передаточного отношения, которое является квадратом численного значения передаточного отношения циклоидального привода с соизмеримым количеством зубьев.
Устройство изменения частоты вращения настоящего изобретения может быть использовано в различных конфигурациях назначений входа, выхода и реактивного элемента среди его составляющих шестеренных и несущих элементов. По существу, многоцелевое устройство изменения частоты вращения согласно настоящему изобретению, используемое либо в качестве понижающей передачи частоты вращения, либо повышающей передачи, имеющей либо неподвижную кольцевую шестерню, либо неподвижную прямозубую шестерню, может быть выполнено с возможностью иметь коаксиальную пару кольцевых шестерен, которая включает в себя большую кольцевую шестерню, имеющую делительный диаметр A, и малую кольцевую шестерню, имеющую делительный диаметр D. Такое устройство также имеет коаксиальную пару прямозубых шестерен, которая включает в себя большую прямозубую шестерню, имеющую делительный диаметр В, и малую прямозубую шестерню, имеющую делительный диаметр C. Большая прямозубая шестерня зацепляется с большой кольцевой шестерней, и малая прямозубая шестерня зацепляется с малой кольцевой шестерней, образуя две зацепляющиеся пары. Несущий элемент соединен с одним из входного и выходного валов устройства. Две шестерни одной из двух коаксиальных пар скреплены вместе, чтобы действовать эпициклически на несущем элементе. Одна шестерня другой из двух коаксиальных пар прикреплена к каркасу устройства, а другая шестерня соединена с другим из входного и выходного валов. В такой системе четыре шестерни удовлетворяют соотношению размеров А=K+i, В=К, С=K-j и D=K+i-j.
ФИГ.5 и 6 схематически иллюстрируют виды в поперечном сечении устройства изменения частоты вращения согласно настоящему изобретению, которые показывают различные конфигурации входных и выходных элементов. Примеры на ФИГ.5 и 6 показывают конструкцию понижающих передач с передаточным отношением понижения частоты вращения +200 с использованием двух пар кольцевых-прямозубых шестерен различных количеств модулей. Первая пара с большой кольцевой и прямозубой шестернями включает в себя кольцевую шестерню 51, 61 с 80 зубьями с количеством модулей 2, создавая делительный диаметр 160 мм, и 75T, М2 прямозубую шестерню 52, 62 с делительным диаметром 150 мм. Вторая пара малой кольцевой и прямозубой шестерен включает в себя 60T, M2,5 кольцевую шестерню 54, 64 с делительным диаметром 150 мм и 56T, M2,5 прямозубую шестерню 53, 63 с делительным диаметром 140 мм. Таким образом, с помощью большой прямозубой шестерни, прикрепленной к каркасу 52F устройства, в качестве реактивного элемента, каковой является конфигурация, показанная на ФИГ.5, устройство изменения частоты вращения дает передаточное отношение -224.
Устройство на ФИГ.6, с другой стороны, имеет другую конфигурацию, при этом используя такие же шестерни, что и на ФИГ.5, по существу одно и то же назначение шестерен, что и описанное на ФИГ.4 - с большим кольцом 61, прикрепленным к каркасу 61F устройства в качестве реактивного элемента.
Отметим, что примеры на ФИГ.5 и 6 имеют размерную конфигурацию К=15, i=1 и j=1.
В сущности, устройство изменения частоты вращения согласно настоящему изобретению, показанное на ФИГ.4, может иметь четыре различных конфигурации установки изменения частоты вращения, они перечислены в Таблице 1. В Таблице 1, а также 2 ниже R, О и I в строке "Роль" указывают, соответственно, роль реактивного элемента, выхода и входа вращательных элементов настоящего устройства.
Таблица 1
Элемент
Большая кольцевая шестерня 41
Большая прямозубая шестерня 42
Малая прямозубая шестерня 43
Малая кольцевая шестерня 44
Несущий элемент 45Е
Понижающее передаточное отношение
Конфигурация 1
Роль
R
-
-
О
I
Движение
Неподвижно
Эпициклически
Эпициклически
Вращательно
Вращательно
Частота вращения
0
ij/K(K+i-j)
1
K(K+i-j)/ij
Конфигурация 2
Роль
О
-
-
R
I
Движение
Вращательно
Эпициклически
Эпициклически
Неподвижно
Вращательно
Частота вращения
-ij/(K-j)(K+i)
0
1
-(K-j)(K+i)/ij
Конфигурация 3
Роль
-
R
О
-
I
Движение
Эпициклически
Неподвижно
Вращательно
Эпициклически
Вращательно
Частота вращения
0
-ij/(K+i)(K-j)
1
-(K+i)(K-j)/ij
Конфигурация 4
Роль
-
О
R
-
I
Движение
Эпициклически
Вращательно
Неподвижно
Эпициклически
Вращательно
Частота вращения
ij/K(K+i-j)
0
1
K(K+i-j)/ij
Понятно, что для специалиста в данной области техники конфигурации понижения частоты вращения в Таблице 1 могут быть просто изменены на увеличение частоты вращения простой заменой назначения ролей I и О, каждой.
ФИГ.7 схематически иллюстрирует вид в поперечном сечении устройства изменения частоты вращения согласно настоящему изобретению, который имеет размерную конфигурацию, оптимизированную для применения изменения частоты вращения в выражении веса и размера или плотности мощности. В этом специальном случае конфигурации в Таблице 1 становится конфигурациями, перечисленными в Таблице 2.
Таблица 2
Элемент
Большая кольцевая шестерня 71
Большая прямозубая шестерня 72
Малая прямозубая шестерня 73
Малая кольцевая шестерня 74
Несущий элемент 75Е
Понижающее передаточное отношение
Конфигурация 1
Роль
R
-
-
О
I
Движение
Неподвижно
Эпициклически
Эпициклически
Вращательно
Вращательно
Частота вращения
0
i<sup>2</sup>/K<sup>2</sup>
1
K<sup>2</sup>/i<sup>2</sup>
Конфигурация 2
Роль
О
-
-
R
I
Движение
Вращательно
Эпициклически
Эпициклически
Неподвижно
Вращательно
Частота вращения
-i<sup>2</sup>/(K<sup>2</sup>-i<sup>2</sup>)
0
1
1-K<sup>2</sup>/i<sup>2</sup>
Конфигурация 3
Роль
-
R
О
-
I
Движение
Эпициклически
Неподвижно
Вращательно
Эпициклически
Вращательно
Частота вращения
0
-i<sup>2</sup>/(K<sup>2</sup>-i<sup>2</sup>)
1
1-K<sup>2</sup>/i<sup>2</sup>
Конфигурация 4
Роль
-
О
R
-
I
Движение
Эпициклически
Вращательно
Неподвижно
Эпициклически
Вращательно
Частота вращения
i<sup>2</sup>/K<sup>2</sup>
0
1
K<sup>2</sup>/i<sup>2</sup>
2
Передаточные отношения понижения частоты вращения, представленные в двух таблицах, показывают, что с помощью шестерен, имеющих количество зубьев в среднем K, может быть выполнена понижающая передача частоты вращения с передаточным отношением K. Оно сравнивается с передаточным отношением K традиционного циклоидального привода.
Отметим, понятно, что прямозубая шестерня, зацепленная внутри кольцевой шестерни, обычно должна иметь количество зубьев, достаточно меньшее количества зубьев кольца. Например, касательно популярных шестерен с 20-градусным углом зацепления, необходима минимум разница в 8-зубьев. Один типичный подход исключения помех шестерен для небольшой разницы количества зубьев заключается в применении смещения профиля для шестерен. Альтернативно, с помощью большего угла зацепления шестерен возможна меньшая разница количества зубьев.
Также, так как эпициклические элементы одной коаксиальной пары устройства изменения частоты вращения согласно настоящему изобретению обычно являются настолько большими в размере относительно другой коаксиальной пары, что возможна только одна пара. В связи с этим, необходим противовес в практических вариантах выполнения этого предлагаемого изобретением устройства изменения частоты вращения, как схематически проиллюстрировано, например, противовес 65W в варианте выполнения, изображенном на ФИГ.6. Противовес используется для баланса массы эпициклической коаксиальной пары шестерен, противолежащих относительно центральной оси устройства.
Таким образом, в авиационном двигателе, использующем одноступенчатый понижающий редуктор согласно настоящему изобретению, как представлено наилучшим образом на ФИГ.4, для изменения его входной частоты вращения вала турбины до его выходной частоты вращения вала лопастей вентилятора, редуктор будет иметь коаксиальную пару кольцевых шестерен, включающую в себя большую кольцевую шестерню 41, имеющую делительный диаметр А, и малую кольцевую шестерню 44, имеющую делительный диаметр D. Коаксиальная пара прямозубых шестерен включает в себя большую прямозубую шестерню 42, имеющую делительный диаметр В, и малую прямозубую шестерню 43, имеющую делительный диаметр C. Большая прямозубая шестерня 42 зацепляется с большой кольцевой шестерней 41, и малая прямозубая шестерня 43 зацепляется с малой кольцевой шестерней 44, образуя две зацепляющиеся пары. Несущий элемент 45E соединен с входным валом 45 редуктора. Причем, две шестерни 42 и 43 одной из двух коаксиальных пар скреплены вместе, чтобы действовать эпициклически на несущем элементе. Одна шестерня 41 другой из двух коаксиальных пар прикреплена к каркасу редуктора, и другая шестерня 44 соединена с выходным валом 46. И четыре шестерни 41, 42, 43 и 44 удовлетворяют соотношению размеров А=K+i, В=К, С=K-j и D=K+i-j-j, где K, i и j являются целыми числами.
В случае, когда авиационный двигатель является турбовинтовым двигателем, вал лопастей вентилятора будет валом винта турбовинтового двигателя. В случае, когда авиационный двигатель является редукторным турбовентиляторным двигателем, вал лопастей вентилятора будет низкооборотным валом вентилятора редукторного турбовентиляторного двигателя. В случае, когда авиационный двигатель является открытым винтовентиляторным двигателем, вал лопастей вентилятора будет валом открытого винтовентилятора винтовентиляторного двигателя. В случае, когда авиационный двигатель является турбовальным двигателем, вал лопастей вентилятора будет валом турбовального двигателя.
Тогда как выше представлено полное описание конкретных вариантов выполнения, могут быть использованы различные преобразования, альтернативные конструкции и эквиваленты. В связи с этим, представленное выше описание и иллюстрации не должны приниматься в качестве ограничения объема охраны настоящего изобретения.