ВОДИЛО ПЛАНЕТАРНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДЛЯ ЭПИЦИКЛИЧЕСКОГО РЕДУКТОРА
PLANET CARRIER FOR EPICYCLIC SPEED REDUCTION GEAR

Изобретение относится к эпициклическому редуктору, предназначенному для оснащения, в частности, турбовинтового двигателя или газотурбинного двигателя самолета.
Редуктор в целом состоит из внутренней планетарной шестерни (называемой также солнечной шестерней), приводимой в действие входным валом, например, валом турбины, наружной планетарной шестерни (также называемой коронной (эпициклической) шестерней), соосной с внутренней шестерней, сателлитов, находящихся в зацеплении как с внутренней, так и с наружной планетарными шестернями, и водила планетарной передачи, на котором сателлиты установлены с возможностью вращения.
Изменение передаточного отношения такого редуктора получают путем изменения количества зубьев внутренней планетарной шестерни, сателлитов и наружной планетарной шестерни, и архитектурой редуктора. На самом деле существуют два типа редукторов:
- планетарный редуктор, в котором водило планетарной передачи находится в неподвижном состоянии, а наружная шестерня, или коронная шестерня, может свободно вращаться. Оптимизированный рабочий диапазон редуктора такого типа соответствует передаточному отношению в диапазоне от 1 до 3,
- эпициклический редуктор, в котором коронная шестерня находится в неподвижном состоянии, а солнечная шестерня может свободно вращаться. Оптимизированный рабочий диапазон редуктора такого типа соответствует передаточному отношению выше 3.
Более конкретно, изобретение относится к эпициклическим редукторам.
В данном конкретном случае важно, что водило планетарной передачи позволяет сохранять правильное расположение сателлитов, несмотря на деформации, испытываемые водилом планетарной передачи при работе.
В самом деле, когда передаваемый крутящий момент значителен, может произойти скручивание водила планетарной передачи, что, следовательно, приведет к перекосу осей сателлитов. К тому же, сателлиты могут быть подвержены воздействию высоких центробежных сил, которые могут снова привести к перекосу сателлитов.
Такие перекосы могут, в частности, вызывать преждевременный износ таких шестерен и редуктора.
Чтобы частично решить эту проблему, в патенте США №5391125 предложен эпициклический редуктор, в котором водило планетарной передачи содержит кольцевую коробку, содержащую две проходящие в радиальном направлении стороны, соединенные перемычками, с посадочными местами, проходящими в осевом направлении между сторонами и предназначенными для поддержки установленных сателлитов с возможностью вращения вокруг посадочных мест. Водило планетарной передачи дополнительно содержит элемент передачи крутящего момента, один конец которого имеет осевые плечи, прикрепленные к различным перемычкам коробки с помощью штифтов.
В заявке на патент Франции №2853382 на имя заявителя настоящей заявки раскрыт редуктор, который имеет аналогичную архитектуру и в котором плечи элемента передачи крутящего момента связаны с перемычками посредством пальчиковых сферических шарниров так, чтобы локально обеспечивать возможность свободного вращения коробки относительно пальца, вокруг шарового шарнира, и дополнительно уменьшать деформацию водила планетарной передачи при его работе.
Редуктор этого типа имеет следующие недостатки.
Во-первых, подбор размеров водил планетарной передачи является сложной задачей для редукторов, предназначенных для передачи очень больших крутящих моментов, так как имеются области с высокой концентрацией напряжений.
Кроме того, тот факт, что водило планетарной передачи состоит из двух элементов (коробки и элемента передачи крутящего момента), собранных вместе с помощью соединительных элементов, таких как штифты, придает ему большую массу, что влечет за собой определенные проблемы с установкой, а также проблемы, связанные с гиперупругостью системы.
И, наконец, наличие дополнительных соединительных элементов между рамой и элементом передачи крутящего момента влияет на надежность системы.
Такие недостатки также присутствуют в водиле планетарной передачи, упомянутом в заявке на патент США №2003/0114267, которое состоит из многих частей, собранных вместе с помощью прокладок, установленных под прессом.
Известно также оборудование водила планетарной передачи в редукторе так называемыми качающимися подшипниками, такими как, например сферические роликоподшипники, с тем, чтобы в некоторой степени компенсировать любую деформацию водила планетарной передачи.
Такие подшипники, однако, не могут быть сильно нагружены.
В самом деле, такие подшипники имеют более низкую несущую способность, чем обычно используемые технические решения (поддерживаемая нагрузка по отношению к объему ролика). Таким образом, их использование требует общего увеличения объема всего эпициклического редуктора, что является невыгодным с точки зрения размера и массы.
В каждом из документов: заявке на патент США №2013/0017924, в заявке на европейский патент №0271416 и в заявке на патент Германии №10239084 раскрыто водило планетарной передачи, имеющее кольцевую коробку, содержащую первую сторону и вторую сторону, проходящие в радиальном направлении и соединенные перемычками, и посадочные места для поддержки сателлитов, проходящие в осевом направлении между сторонами. В этих документах, когда передаваемый крутящий момент формируется на внутренней периферии первой стороны, первая траектория действия нагрузок проходит через первую сторону, от первого конца посадочных мест до внутренней периферии первой стороны. Вторая траектория действия нагрузок проходит через часть второй стороны (от вторых концов посадочных мест до соединительных областей между второй стороной и перемычками), перемычки, а затем через первую сторону (от соединительных областей между перемычками и первой стороной к радиально внутренней периферии первой стороны). Таким образом, можно отметить, что первая траектория действия нагрузок имеет жесткость, которая зависит от жесткости первой стороны, тогда как вторая траектория действия нагрузок имеет жесткость, которая зависит от жесткости первой стороны, второй стороны и перемычек. Поскольку жесткости двух траекторий действия нагрузок существенно различаются, происходит перекос посадочных мест, что влияет на управление положением сателлитов и, следовательно, на износ соответствующих передач.
Более конкретно, изобретение направлено на создание простого, эффективного и экономически эффективного решения этих проблем.
С этой целью предложено водило планетарной передачи для эпициклического редуктора, имеющее кольцевую коробку, содержащую две стороны, проходящие в радиальном направлении и соединенные перемычками, и посадочные места, проходящие в осевом направлении между сторонами и предназначенные для поддержки установленных сателлитов, вращающихся вокруг посадочных мест, отличающееся тем, что одна из сторон коробки неразъемно соединена с элементом передачи крутящего момента, с формированием единого конструктивного узла.
Неразъемное соединение между коробкой и элементом передачи крутящего момента предотвращает любую проблему с установкой.
В соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения, элемент передачи крутящего момента и состыкованная с ним сторона коробки выполнены в виде единой целой части.
В соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения, элемент передачи крутящего момента и указанная сторона состоят из по меньшей мере двух отдельных частей, собранных вместе с помощью сварки или пайки.
Конечно, могут быть использованы и другие способы сборки. В любом случае предотвращено наличие дополнительных элементов и поэтому предотвращены ограничения по установке и весу и пространственные ограничения, которые связаны с такими дополнительными элементами.
Предпочтительно, перемычки проходят в осевом направлении от радиально наружных периферий стороны.
В этом случае элемент передачи крутящего момента соединен с соответствующей стороной вдоль кольцевой области, расположенной только на радиально наружной периферии указанной стороны.
Первая траектория действия нагрузок, таким образом, проходит через первую сторону (т.е. сторону, непосредственно соединенную с элементом передачи крутящего момента), от соответствующих концов посадочных мест сателлитов до соединительных областей между первой стороной и элементом передачи крутящего момента, а затем и через элемент передачи. Вторая траектория действия нагрузок проходит через вторую сторону коробки (от соответствующих концов посадочных мест сателлитов до соединительных областей между второй стороной и перемычками), перемычки, а затем через элемент передачи крутящего момента. Жесткость каждой из двух траекторий действия нагрузок, таким образом, можно регулировать, чтобы управлять деформациями, обусловленными передачей высокого крутящего момента и перекосом посадочных мест. Это обеспечивает возможность лучшего управления положениями планетарного редуктора и, таким образом износом шестерен редуктора. В этом случае траектории действия нагрузок также разделены.
Соединительная область является кольцевой, предпочтительно непрерывной, позволяет избежать влияния концентрации напряжений и имеет целью обеспечить равномерное распределение деформаций, если таковые имеются, образующихся при работе в результате передачи высокого крутящего момента. Это также помогает увеличить жесткость соединения между рамой и элементом передачи крутящего момента.
Элемент передачи крутящего момента может содержать проходящую в осевом направлении трубчатую часть, один конец которой удлинен с помощью кольцевой соединительной части, которая проходит в радиальном направлении и соединена с соответствующей стороной рамы.
Указанная кольцевая соединительная часть предпочтительно расположена радиально снаружи посадочного места, в частности, напротив перемычек.
В этом случае соединительная часть может содержать проходящий в осевом направлении кольцевой обод, свободный конец которого соединен с соответствующей стороной.
Предпочтительно, перемычки и стороны представляют собой одну цельную часть.
Кроме того, обе стороны могут иметь по существу одну и ту же радиальную жесткость.
Под действием центробежных сил указанные две стороны, таким образом, деформируются одинаковым образом, что позволяет поддерживать надлежащее совмещение сателлитов на посадочных местах, и, следовательно, их правильное позиционирование.
Кроме того, изобретение относится к эпициклическому редуктору, в частности, для газотурбинного двигателя самолета, содержащему водило планетарной передачи указанного выше типа.
Изобретение будет лучше понято, а другие детали, характеристики и преимущества настоящего изобретения станут очевидны при прочтении последующего описания, приведенного в качестве не ограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 схематически изображает вид спереди эпициклического редуктора,
Фиг. 2 изображает кинематическую схему эпициклического редуктора,
Фиг. 3 схематически изображает водило планетарной передачи, выполненное в соответствии с изобретением,
Фиг. 4 изображает вид в аксонометрии элемента передачи крутящего момента и водила планетарной передачи, показанного на Фиг. 3,
Фиг. 5 изображает вид в аксонометрии коробки с водилом планетарной передачи, показанным на Фиг. 3,
Фиг. 6 изображает продольный разрез водила, показанного на Фиг. 3.
Фиг. 1 и 2 иллюстрируют общую конструкцию эпициклического редуктора 1. Такой редуктор обычно состоит из внутренней планетарной шестерни 2 (называемой также солнечной шестерней) с приводом от входного вала, например, вала турбины, наружной планетарной шестерней 3 (также называемой коронной (эпициклической) шестерней), соосной с внутренней шестерней, и сателлитов 4, находящихся в зацепление как с внутренней 2, так и с наружной 3 планетарными шестернями, и водила 5 планетарной передачи, содержащего посадочные места 6, вокруг которых сателлиты 4 установлены с возможностью вращения.
Как показано на Фиг. 2, в эпициклическом редукторе 1 коронная шестерня 3 находится в неподвижном состоянии, а водило 5 планетарной передачи может свободно вращаться. Оптимизированный рабочий диапазон редуктора такого типа соответствует передаточному отношению выше 3. Водило 5, например, соединено при вращении с рабочим колесом (в турбовинтовом двигателе) или со шкивом вентилятора (в турбинном двигателе).
В данном конкретном случае для водила 5 важно обеспечить возможность поддерживать правильное размещение сателлитов, несмотря на деформации, испытываемые водилом планетарной передачи при работе.
В самом деле, когда крутящий момент, передаваемый через редуктор 1, значителен, это может привести к скручиванию водила и, следовательно, к перекосу осей сателлитов. К тому же, сами сателлиты также могут быть источником деформации водила 5, которое может затем вновь создавать перекос сателлитов 4.
Такие перекосы могут, в частности, приводить к преждевременному износу шестерен и редуктора 1.
Для решения этой проблемы изобретение предусматривает водило 5 для эпициклического редуктора.
Как показано на Фиг. 3-6, водило 5, согласно изобретению, содержит кольцевую коробку 7 и элемент 8 передачи крутящего момента. Кольцевая коробка 7 имеет две проходящие в радиальном направлении стороны 9, 10, соответственно, переднюю сторону 9 и заднюю сторону 10. Каждая сторона 9, 10 имеет круглую наружную периферийную кромку и внутреннюю периферийную кромку. Передняя сторона 9 имеет отверстия, каждое из которых используется для установки одного конца 12 полого вала, образующего посадочное место 6, вокруг которого устанавливается планетарная шестерня 4 с возможностью вращения. Задняя сторона 10 имеет отверстия 13, каждое из которых обеспечивает введение соответствующего вала, проходящего от задней стороны к передней стороне. Крышка 14 закрывает каждое отверстие, причем второй конец 15 соответствующего вала 6 установлен в одном отверстии указанной крышки 14.
Каждый вал 6, таким образом, прочно удерживается между двумя сторонами 9, 10 коробки 7. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 3-6, водило 5 содержит пять полых валов 6, прикрепленных к сторонам 9, 10 и к крышкам 14.
Радиально наружные периферии сторон 9, 10 соединены проходящими в осевом направлении перемычками 16, установленными по окружности между полыми валами 6 и равномерно распределенными по окружности.
Стороны 9, 10 и перемычки 16 выполнены из одной части, то есть из цельной части.
На радиально наружной периферии передней стороны 9 выполнен кольцевой обод 17 (Фиг. 5), проходящий непрерывно по всей периферии передней стороны 9 и проходящий в осевом направлении от задней стороны.
Элемент 8 передачи крутящего момента прикреплен к коробке 7. Более конкретно, элемент 8 имеет полую часть 18 в целом цилиндрической формы или формы усеченного конуса, которая проходит в осевом направлении и один конец которой удлинен с помощью кольцевой соединительной части 19, которая радиально выступает наружу.
Радиально наружная часть соединительной части 19 имеет кольцевой обод 20 (Фиг. 4), проходящий непрерывно по всей периферии части 19 и проходящий в осевом направлении к передней стороне 9.
В соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения, свободный конец обода 20 соединительной части 19 прикреплен с помощью сварки или пайки к свободному концу обода 17 передней стороны 9. Могут быть использованы и другие способы сборки.
В соответствии с другим вариантом выполнения (Фиг. 6), коробка 7 и элемент 8 передачи крутящего момента выполнены из одной цельной части.
Как указано выше, при работе первая траектория действия нагрузок проходит через переднюю сторону 9 (от соответствующих концов 12 посадочных мест 6 планетарных шестерен 4 до обода 17), а затем и до элемента 8. Вторая траектория действия нагрузок проходит через заднюю сторону 10 (от соответствующих концов 15 посадочных мест 6 планетарных шестерен 4 до соединительных областей, расположенных между задней стороной 10 и перемычками 16), перемычки 16 и, наконец, через элемент 8.
Предпочтительно, две стороны 9, 10 имеют по существу одинаковую радиальную жесткость. Таким образом, при работе эти две стороны 9, 10 претерпевают одинаковые деформации под действием центробежных сил.
Перемычки 16 также выполнены с возможностью придания сторонам значительной жесткости на скручивание. Таким образом, деформации, которым подвержены элементы, затронутые, соответственно, первой и второй траекториями действия нагрузок, по существу идентичны.
На практике, вторая траектория действия нагрузок имеет немного меньшую жесткость на скручивание, чем первая траектория действия нагрузок (жесткость перемычек 16 не бесконечна), причем такая разница в жесткости легко компенсируется правильной коррекцией зубцов сателлитов 4 и/или внутренних и наружных планетарных шестерен 2, 3.
Это гарантирует, что под действием центробежных сил, а также в результате подлежащего передаче высокого крутящего момента, при работе передняя и задняя стороны 9, 10 в целом деформируются одинаковым образом. Это обеспечивает правильное совмещение концов 12, 15 валов 6, т.е. правильное совмещение сателлитов 4 относительно внутренней шестерни 2 и наружной шестерни 3 редуктора 1. В этом случае износ шестерен в таком редукторе 1 существенно снижается.
Тот факт, что соединительная область между элементом 8 передачи и передней стороной 9 имеет кольцевую форму, предпочтительно непрерывную, позволяет, за счет передачи высокого крутящего момента, предотвращать эффект концентрации напряжений, и имеет цель, при работе, обеспечить равномерное распределение любых деформаций. Такое соединение также имеет высокую жесткость.
В результате водило 5 образует единый конструктивный узел, который устраняет проблемы, связанные с установкой нескольких частей с помощью дополнительных соединительных элементов, а именно, надежность и подбор размеров соединительных элементов, дисбаланс, порожденный допусками сборки, проблемы с установкой из-за статической неопределимости частей, или дополнительную массу из-за большого количества частей.