ОГРАНИЧИТЕЛЬ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ДЛЯ ПРИВОДА ГОНДОЛЫ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
TORQUE CONSTRICTOR FOR AIRCRAFT TURBOJET NACELLE DRIVE

Изобретение относится к ограничителю крутящего момента для привода гондолы турбореактивного двигателя летательного аппарата.
В состав гондолы турбореактивного двигателя летательного аппарата входит множество подвижных элементов. Типичный пример таких элементов - капот решетчатого реверсора тяги, который может перемещаться между положением, называемым «положением прямой тяги» (используется в полете), и «положением обратной тяги» (используется в процессе торможения при посадке).
Перемещение указанных подвижных элементов традиционно обеспечивается посредством электрических приводов, подобных в заявке PCT/US2004/019260 (показан на приложенной фиг.1).
Такой электрический привод содержит винт 1, на который навинчена гайка 3, жестко связанная с приводной трубой 5, свободный конец которой оканчивается проушиной 7.
Указанная проушина 7 прикреплена к вилке 115, которая связана с перемещаемым подвижным элементом таким образом, что исключается вращательное и поступательное движение между вилкой 115 и проушиной 7 по оси перемещения винта 1.
В предпочтительном случае между резьбой винта 1 и резьбой гайки 3 размещены шарики 8, уменьшающие трение, поэтому подобные приводы традиционно называют «шариковыми винтами».
На конце винта 1, противоположном проушине 7, предусмотрена косозубая шестерня 9, взаимодействующая с ведущей шестерней 11, приводимой в действие электродвигателем (непосредственно или опосредованно).
Благодаря этому электродвигателю винт 1 можно поворачивать в том или другом направлении, что позволяет перемещать в том или другом направлении гайку 3 и, следовательно, выдвигать или втягивать трубу 5, вращение которой будет блокироваться посредством проушины 7 и вилки 115.
Благодаря указанным перемещениям трубы 5 удается посредством проушины 7 воздействовать на тот элемент гондолы, который необходимо переместить, например, на капот решетчатого реверсора тяги (следует понимать, что для перемещения этого капота используются, как правило, несколько подобных приводов).
Если по какой-либо причине скорость выдвижения трубы 5 в конце ее хода плохо поддается управлению, может иметь место довольно резкое стопорение перемещаемого элемента, такого как капот реверсора тяги.
При этом необходимо иметь в виду, что поскольку вся совокупность средств приведения в движение трубы 5 (электродвигатель, шестерни, винт, гайка и пр.) обладает довольно значительной инерцией, указанное резкое стопорение капота реверсора тяги может привести к повреждению некоторых элементов привода и капота, и, в частности, элементов, находящихся в зоне соединения конца трубы 5 с капотом.
Поэтому в ряде систем прибегают к техническому решению, заключающемуся в применении ограничителя 13 крутящего момента, устанавливаемого, например, рядом со свободным концом трубы 5, т.е. непосредственно перед проушиной 7 (см. фиг.1).
Благодаря размещению подобного ограничителя крутящего момента как можно дальше в направлении «вниз по потоку» в кинематической цепи привода по отношению к источнику крутящего момента, каковым является электродвигатель, удается максимально эффективно защитить все элементы привода или капота в случае резкого стопорения движимой части (например, капота реверсора тяги).
Если говорить конкретнее, при таком резком стопорении кинетическая энергия, накопленная группой подвижных элементов привода, может рассеиваться вследствие трения или деформации средств, образующих ограничитель крутящего момента 13, в зависимости от конструкции этого ограничителя.
Следует иметь в виду, что подобный ограничитель может быть самых разных типов: шариковый пружинный; оснащенный выступом, оказывающим срезывающее усилие; зубчатый; со скольжением и пр.
Однако во всех этих случаях указанный ограничитель крутящего момента оказывается слишком сложным, громоздким, тяжелым и трудно поддается точной калибровке.
Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в устранении упомянутых выше недостатков.
В рамках решения поставленной задачи предложен ограничитель крутящего момента для привода, содержащего винт, установленную на винте гайку, приводную трубу, жестко связанную с этой гайкой, и средства приведения указанного винта во вращение. Ограничитель характеризуется тем, что он снабжен упором, выполненным с возможностью препятствования вращению указанной трубы за счет трения, создаваемого только лишь действием осевого усилия, оказываемого указанным винтом на указанную гайку в процессе ее перемещения; обеспечения вращения указанной трубы, когда указанная гайка смещается до соприкосновения с осевым упором указанного винта с превышением заранее заданного порога крутящего момента, определяемого указанным усилием.
Работа такого ограничителя крутящего момента основана на следующем обстоятельстве. Вращение винта привода приводит к тому, что на гайку оказывается осевое усилие, вследствие чего труба прижимается к указанному упору, причем вследствие этого прижатия создается момент трения упора о трубу, противодействующий моменту, оказываемому на эту трубу гайкой.
До тех пор, пока момент, оказываемый упором, превышает момент, оказываемый гайкой, труба остается зафиксированной в отношении вращения, но при этом может продолжать свое перемещение под действием вращения винта.
Однако когда момент, оказываемый гайкой, становится больше момента, оказываемого испытываемым нагрузку упором, труба приобретает способность поворачиваться совместно с винтом. Это происходит, когда привод доходит до упора в конце хода под действием кинетической энергии, накопленной в силу инерции, вызывая при этом скользящее вращение упора и, следовательно, трубы, которая перестает совершать поступательное перемещение.
Таким образом, становится понятным, что при надлежащем выборе характеристик, относящихся к форме, материалу и состоянию поверхности упора, можно гарантировать получение момента трения упора, необходимого для поступательного перемещения трубы, с одновременным ограничением порога срабатывания момента ограничителя при действии осевых упоров привода. В результате удается получить очень простой, компактный, надежный и простой в калибровке ограничитель крутящего момента.
В соответствии с другими необязательными признаками предлагаемого ограничителя крутящего момента
- указанный упор имеет, по существу, кольцевую фрикционную поверхность, характеризующуюся внутренним радиусом (Ri) и внешним радиусом (Re), удовлетворяющим следующему соотношению:
<mrow><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mrow><mi>Re</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mi>R</mi><msup><mi>i</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msup><mrow><mi>Re</mi></mrow><mn>3</mn></msup><mo>−</mo><mi>R</mi><msup><mi>i</mi><mn>3</mn></msup></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mi>f</mi><mo>≻</mo><mfrac><mi>P</mi><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mi>ρ</mi></mrow></mfrac></mrow>
где Cf - коэффициент трения указанной фрикционной поверхности (124),
P - шаг винта привода,
ρ - эффективность перемещения гайки по винту.
Это особое соотношение определяет геометрические характеристики кольцевого упора, пригодного для реализации целей изобретения, при этом следует понимать, что чем больше левый член приведенного неравенства по сравнению с правым членом, тем больше будет ограничение крутящего момента для срабатывания в ответ на высокое внешнее осевое сопротивление (т.е. обеспечиваемое элементами, находящимися снаружи от привода).
Рассматриваемый ограничитель крутящего момента снабжен средствами для поддержания трения указанного упора об указанную трубу в периоды, отличные от фаз работы указанного привода. Эти средства обеспечения контакта, которые применительно к настоящему изобретению не следует уподоблять средствам создания постоянных предварительных нагрузок, используемым в известных приводах, позволяют гарантировать, что функция трения, обеспечиваемая указанным упором, будет реализована с самого начала приведения винта во вращение. Дело в том, что в случае отсутствия внешнего усилия до того, как винт войдет во вращение, никакого осевого усилия, оказываемого гайкой на трубу, и, следовательно, трубой на упор, существовать не будет. Поэтому может так случиться, что запустить трубу в движение станет невозможным. Вышеупомянутые же средства обеспечения контакта, которые на практике могут быть представлены небольшими пружинами, удерживающими упор в режиме трения, позволяют устранить этот недостаток, заключающийся, как указано ранее, в вероятности того, что привести трубу в движение будет невозможно.
Должно быть понятно, что те же самые функции могут быть реализованы и с помощью любого другого средства, способного обеспечить незначительный пусковой момент (для этого подойдут, например, штифт, оказывающий срезающее воздействие, индексирующий шарик и пр.).
Изобретение относится также к вилке, обеспечивающей прикрепление указанной трубы к подвижному элементу гондолы летательного аппарата. Данная вилка характеризуется тем, что она включает в себя вышеописанный ограничитель крутящего момента. Этот вариант изобретения соответствует ситуации, когда ограничитель крутящего момента встроен не прямо в привод, а в крепежную вилку, установленную на приводимом в движение элементе (например, на капоте реверсора тяги).
Предметом изобретения является также привод, содержащий винт, установленную на винте гайку, приводную трубу, жестко связанную с этой гайкой, и средства приведения указанного винта во вращение. Привод характеризуется тем, что он включает в себя вышеописанный ограничитель крутящего момента, размещенный между гайкой и свободным концом указанной трубы. Этот вариант изобретения соответствует ситуации, когда ограничитель размещен как показано на представленной фиг.1.
В соответствии с одним из возможных признаков этого привода он снабжен электрическими средствами, предназначенными для приведения винта во вращение.
Наконец, изобретение раскрывает также реверсор тяги для гондолы летательного аппарата, характеризующийся тем, что он включает в себя капот, выполненный с возможностью перемещения между положением прямой тяги и положением обратной тяги, и по меньшей мере один вышеописанный привод.
Другие особенности и преимущества данного изобретения становятся более понятными из рассмотрения нижеследующего детального описания, изложенного со ссылкой на сопутствующие фигуры, из которых:
фиг.1 изображает в осевом разрезе электрический привод, известный из уровня техники;
фиг.2 в аксонометрии изображает зону взаимодействия конца предложенного привода с соединительным средством капота реверсора тяги в соответствии с вариантом изобретения, где ограничитель крутящего момента помещен между вилкой для крепления трубы привода и приводимым в движение подвижным элементом;
фиг.3 схематически иллюстрирует характер взаимодействия элементов, показанных на фиг.2;
фиг.4 схематически в осевом разрезе изображает предложенный электрический привод, содержащий фиксатор для блокировки поступательного перемещения трубы.
На всех чертежах одинаковые или подобные компоненты или узлы обозначены одними и теми же или подобными (с разницей в сотню) номерами позиций.
На фиг.1 показан известный из уровня техники электрический привод для реверсора тяги гондолы летательного аппарата (детально он уже был рассмотрен в преамбуле настоящего описания).
Перейдем теперь к рассмотрению фиг.2, на которой показан свободный конец трубы 105 заявляемого электрического привода с шариковым винтом.
На конце этой трубы 105 предусмотрена проушина 107, взаимодействующая с вилкой 115, закрепленной на этой проушине посредством болта 117.
Указанная вилка 115 имеет, по существу, форму скобы, обжимающей проушину 107, и установлена с возможностью поворота относительно соединительного средства 119, жестко связанного с подвижным элементом гондолы летательного аппарата, например с капотом реверсора тяги.
В соединительном средстве 119, которое, по существу, представляет собой усиленную часть подвижного элемента, выполнена полость 121, в которую вставлена вилка 115.
Более точно проследить взаимодействие кинематических связей можно на фиг.3. Здесь показано, во-первых, что вилка 115 установлена с возможностью поворота внутри соединительного средства 119 и, во-вторых, что эта вилка имеет фрикционную часть 123, установленную с возможностью поворота с совершением трения о, по существу, кольцевую поверхность 124 указанного соединительного средства 119.
Вилка 115 имеет также опорную часть 127, форма которой, по существу, идентична форме поверхности 123, что обеспечивает, по существу, одинаковую работу ограничителя в обоих направлениях действия усилия. Между этой опорной частью и соединительным средством 119 расположены пружины 125 сохранения контакта.
Эти пружины оказывают незначительное усилие, которое должно быть достаточным лишь для того, чтобы фрикционная часть 123 вилки 115 только слегка упиралась в поверхность 124 соединительного средства 119. Важно понимать, что здесь речь идет совершенно не о тех пружинах предварительной нагрузки, что используются в традиционных ограничителях крутящего момента, т.е. не о пружинах, оказывающих значительные усилия, которые могут быть преодолены лишь в режиме ограничения крутящего момента.
Хотя это не показано на фиг.2 и 3, но должно быть понятно и так, что средства для приведения в движение трубы 105 предлагаемого привода аналогичны подобным средствам, используемым с трубой 5 известного привода, изображенного на фиг.1.
Далее описываются работа и преимущества предложенного устройства. Когда шариковый винт приводится во вращение под действием связанного с ним электродвигателя с обеспечением выдвижения трубы 5, проушина 107 этой трубы оказывает на вилку 115 осевое усилие А (см. фиг.3).
Непосредственным следствием этого осевого усилия является прижатие фрикционной части 123 вилки 115 к поверхности 124 соединительного средства 119. Благодаря такому контакту фрикционной части 123 с поверхностью 124 вилка 115 оказывает на трубу 105 момент С1 трения, противоположный моменту С2, приложенному к этой трубе гайкой шарикового винта.
Если момент С1 трения превышает момент С2 трения, труба 105 не может поворачиваться относительно соединительного средства 119. В результате гайка привода не вращается относительно шарикового винта, обеспечивая при этом возможность выдвижного движения трубы под действием вращения этого винта.
Если перемещение шарикового винта внутри привода резко стопорится, в частности в конце его хода, момент С2, создаваемый гайкой привода, может становиться больше, чем момент трения С1, оказываемый вилкой 115 на трубу 105, что приводит к вращению этой вилки относительно соединительного средства 119 и, следовательно, к рассеянию кинетической энергии, передаваемой приводом, вследствие трения фрикционной части 123 о поверхность 124 соединительного средства 119.
Благодаря такому рассеянию энергии удается предотвратить даже малейшие повреждения привода, а также элементов, служащих для соединения этого привода с капотом реверсора тяги (т.е. вилки 115 и соединительного средства 119).
Более конкретно это можно пояснить следующим образом. Если зона взаимодействия фрикционной части 123 вилки 115 с поверхностью 124 соединительного средства 119 имеет, по существу, кольцевую форму с внутренним радиусом Ri и внешним радиусом Re, как показано на фиг.3, то условие, в соответствии с которым момент С1 трения становится больше создаваемого гайкой момента С2, обеспечивая таким образом возможность перемещения трубы 105 под действием вращения шарикового винта, будет записываться следующим образом:
<mrow><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mrow><mi>Re</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mi>R</mi><msup><mi>i</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msup><mrow><mi>Re</mi></mrow><mn>3</mn></msup><mo>−</mo><mi>R</mi><msup><mi>i</mi><mn>3</mn></msup></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mi>f</mi><mo>≻</mo><mfrac><mi>P</mi><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mi>ρ</mi></mrow></mfrac></mrow>
Фактически:
<mrow><mi>C</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mrow><mi>Re</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mi>R</mi><msup><mi>i</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msup><mrow><mi>Re</mi></mrow><mn>3</mn></msup><mo>−</mo><mi>R</mi><msup><mi>i</mi><mn>3</mn></msup></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mi>f</mi><mo>⋅</mo><mi>F</mi></mrow>
и
<mrow><mi>C</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mfrac><mi>P</mi><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mi>ρ</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>F</mi></mrow>
где F - осевое усилие, передаваемое винтом на гайку (т.е. усилие в показанном на фиг.3 направлении А),
Cf - коэффициент трения фрикционной поверхности 124 соединительного средства 119,
Р - шаг шарикового винта привода,
ρ - кпд шарикового винта.
Очевидно, что чем больше С1 по сравнению с С2, тем выше будет порог момента для срабатывания в ответ на наружное осевое усилие, когда привод находится у внутреннего осевого упора.
Таким образом, становится понятно, что путем надлежащего подбора геометрии зоны контакта между соединительным средством 119 и фрикционной частью 123, а также соответствующих материалов для этих двух элементов момент С2 можно устанавливать на уровне чуть выше момента С1, что позволит ограничить порог срабатывания.
Единственное назначение пружин 125 сохранения контакта состоит в обеспечении постоянного контакта между фрикционной частью 123 вилки 115 и соединительным средством 119, в частности, когда привод бездействует и, следовательно, труба 105 не оказывает никакого осевого усилия на вилку 115. В этом конкретном случае, если не будет пружин 125, может случиться так, что между частью 123 и соединительным средством 119 не будет контакта, и тогда между ними не сможет возникнуть трение, что создаст возможность для поворота трубы 105 совместно с шариковым винтом и, следовательно, невозможность ее поступательного перемещения.
Таким образом, очевидно, что указанные пружины 125 сохранения контакта в силу своей незначительной жесткости не выполняют функцию по созданию предварительной нагрузки, как это имеет место в известных ограничителях крутящего момента, в частности предложенном в процитированном выше документе PCT/US2004/019260.
В свете предшествующего описания становится понятно, что предлагаемый ограничитель крутящего момента имеет исключительно простую конструкцию, а потому отличается высокой надежностью.
Благодаря простому выбору надлежащих материала и геометрии используемых элементов удается определить пороговое значение внешнего осевого усилия, на основе которого можно будет решать, следует ли вводить в действие ограничитель крутящего момента, чтобы ослабить деформацию или предотвратить разрушение данных конкретных деталей.
Совершенно очевидно, что описанный выше ограничитель крутящего момента может быть установлен и в других местах привода, в частности на его конце, как это имеет место в известной конструкции, представленной на фиг.1.
Однако при этом следует понимать, что чем дальше от электродвигателя расположен ограничитель крутящего момента в кинематической цепи привода, тем меньше риск деформации деталей в случае резкой остановки приводимого в движение элемента (например, подвижного капота или реверсора тяги), в частности, в конце его хода.
На фиг.4 приводится пример возможного применения описанного выше ограничителя крутящего момента в электрическом приводе с шариковым винтом, который снабжен блокировочной системой 129 для трубы 105 во втянутом положении.
Как известно специалистам данной области техники, такая блокировочная система, жестко связанная с кожухом 130 (для нее часто используют термин PLS от англ. Primary Locking System - система первичной блокировки), может взаимодействовать с фланцем 131 трубы 105, чтобы удерживать трубу во втянутом положении, показанном на фиг.4.
Данная блокировочная система позволяет предотвратить самопроизвольное раскрытие приводимого в движение элемента (например, реверсора тяги), в частности, во время полета.
Ограничитель крутящего момента можно разместить таким образом, как это показано на фиг.2 и 3, т.е. в вилке, выполненной с возможностью взаимодействия с проушиной 107.
Благодаря использованию предложенного ограничителя крутящего момента удастся избежать ситуации, могущей возникнуть в случае самопроизвольного включения электродвигателя 133 привода, при которой фланец 131 трубы 105 может повредить блокировочную систему 129. Это объясняется тем, что предлагаемый ограничитель крутящего момента позволяет поворачивать трубу 105 совместно с винтом 101 и тем самым блокировать ее поступательное перемещение, а следовательно, устранять осевые усилия, оказываемые этой трубой через фланец 131 на блокировочную систему 129.
Следует заметить, что в данном частном варианте между фланцем 131 и блокировочной системой 129 необходимо поместить подшипник качения 135, предотвращающий возникновение паразитного трения, которое могло бы повлиять на калибровку ограничителя крутящего момента.
Специалистам данной области техники очевидно, что объем правовой охраны настоящего изобретения не ограничивается вариантом осуществления, описанным выше со ссылкой на сопутствующие фигуры, поскольку этот вариант представлен в настоящей заявке лишь в качестве иллюстративного примера.