Патент на изобретение №2272195

(54) РЕДУКТОР ВОЗДУШНОГО ВИНТА ДЛЯ ТУРБОВИНТОВОГО АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к авиационному моторостроению. Редуктор воздушного винта для турбовинтового авиационного двигателя содержит кинематически замкнутую зубчатую передачу, выполненную в виде двух соосных ступеней. Первая ступень соединена с валом турбины и выполнена в виде планетарного механизма. Вторая ступень выполнена в виде переборного механизма, соединенного с воздушным винтом. Каждый из механизмов содержит два центральных колеса – солнечное и эпицикл, и колеса-сателлиты, находящиеся между собой во внешнем и внутреннем зацеплении. Все зубчатые колеса выполнены эвольвентными прямозубыми цилиндрическими с асимметричными профилями зубьев с одинаковым коэффициентом асимметрии, выбранном в соответствии с соотношением К=d_bнр/d_bp, где d_bнр – диаметр основной окружности нерабочего профиля зуба, d_bp – диаметр основной окружности рабочего профиля зуба, в пределах 1,05-1,15. Угол зацепления зубьев зубчатых колес сателлитов с центральными колесами при передаче однонаправленного крутящего момента при внешнем зацеплении зубьев составляет _w1-2=30°-35°, а при внутреннем зацеплении _w2-3=30°-40°. Технический результат – снижение напряженного состояния и создание демпфирования при сопряжении зубьев в редукторе воздушного винта. 2 ил.

Изобретение относится к области авиационного моторостроения.

Известны редукторы зубчатых передач, предназначенные для изменения угловых скоростей и крутящих моментов.

Известны соосные редукторы, содержащие кинематически связанные между собой зубчатые колеса внешнего и внутреннего зацепления с подвижными в пространстве осями и с вращающимися на входе и выходе из редуктора валами, имеющими общую геометрическую ось.

Известна эвольвентная передача, содержащее цилиндрическое колесо Z₂, находящееся одновременно во внешнем и внутреннем зацеплении с другими цилиндрическими колесами Z₁ и Z₃ с общим центром, у которых угол зацепления колес с несимметричными профилями со стороны передачи наибольшего крутящего момента больше угла зацепления со стороны противоположного профиля зуба (авт.Св. №1155806 МКИ F 16 H 1/28, приор. 1983 г.).

Известен редуктор воздушного винта турбовинтового двигателя АИ-20 (Авиационный турбовинтовой двигатель АИ-20. Техническое описание, Оборонгиз, М, 1962, с.20-23), выполненный в виде двух кинематически замкнутых между собой ступеней. Первая ступень соединена с валом турбины и выполнена в виде планетарного механизма, содержащего два ведущих центральных колеса – солнечное (число зубьев Z₁ ¹=35) и эпицикл (Z₃ ¹=97) и шесть зубчатых колес – сателлитов (Z₂ ¹=31). Колесо Z₁ ¹=35 находится в зацеплении с шестью сателлитами Z₂ ¹=31, которые, в свою очередь, зацепляются с колесом Z₃ ¹=97. Эпицикл Z₃ ¹ первой ступени соединен с ведущим центральным солнечным колесом Z₁ ¹¹ второй ступени, выполненной в виде переборного механизма, ось которого неподвижна в пространстве. Кроме того, вторая ступень содержит шесть сателлитов Z₂ ¹¹ и эпицикл Z₃ ¹¹. Все соответствующие зубчатые колеса обеих ступеней редуктора взаимозаменяемые.

Недостатком редукторов при доводке являются трудности его отстройки от плотного спектра вынужденных частот колебаний, зубьев зубчатых колес. Как правило, одна или несколько вынужденных частот колебаний зубчатых колес редуктора может совпасть с собственной частотой деталей двигателя, например, с собственной частотой колебания лопаток компрессора, маслоколлектора или других деталей, приводящая к их резонансу и поломке.

В основу изобретения положена задача создать редуктор воздушного винта турбовинтового авиационного двигателя, который позволил повысить надежность, несущую способность и увеличить ресурс редуктора воздушного винта для авиационного турбовинтового двигателя. Другой задачей является снижение металлоемкости редуктора, его вибраций и трудоемкости при его доводке.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение напряженного состояния (контактных и изгибающих напряжений) и создание демпфирования при сопряжении зубьев в редукторе воздушного винта.

Указанная задача решается тем, что в редукторе воздушного винта для турбовинтового авиационного двигателя для передачи однонаправленного крутящего момента на всех рабочих режимах с вала турбины на воздушный винт, содержащем кинематически замкнутую зубчатую передачу, выполненную в виде двух соосных ступеней, кинематически связанных между собой, первая из которых соединена с валом турбины и выполнена в виде планетарного механизма, а вторая выполнена в виде переборного механизма, соединенного с воздушным винтом, при этом каждый из механизмов содержит два центральных колеса – солнечное и эпицикл, и колеса-сателлиты, находящиеся между собой во внешнем и внутреннем зацеплении, все зубчатые колеса выполнены эвольвентными прямозубыми цилиндрическими с асимметричными профилями зубьев с одинаковым коэффициентом асимметрии К=d_bнр/d_bp, где:

d_bнр – диаметр основной окружности нерабочего профиля зуба,

d_bp – диаметр основной окружности рабочего профиля зуба.

В пределах 1,05-1,15, а угол зацепления зубьев зубчатых колес сателлитов с центральными колесами при передаче однонаправленного крутящего момента при внешнем зацеплении зубьев составляет _w1-2=30°-35°, а при внутреннем зацеплении – _w2-3=30°-40°.

Целесообразно, чтобы коэффициент асимметрии был равен 1,08065, угол зацепления зубьев зубчатых колес сателлитов с центральными колесами при передаче однонаправленного крутящего момента при внешнем зацеплении зубьев составлял _w1-2=33°, а при внутреннем зацеплении – _w2-3=36,66°, при этом первая ступень содержала три колеса-сателлита, а вторая ступень – пять колес-сателлитов.

В дальнейшем изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, на которых на фиг.1 схематически изображен редуктор воздушного винта для турбовинтового авиационного двигателя, согласно изобретению, а на фиг.2 схематически изображена схема зацепления и профиль зубчатых колес того же редуктора, согласно изобретению.

Редуктор воздушного винта для турбовинтового авиационного двигателя (фиг.1) выполнен по схеме кинематически замкнутого двухступенчатого механизма, I ступень которого связана с валом 1 турбины двигателя и является дифференциальным (планетарным) механизмом, II ступень является переборным механизмом и соединена с валом 2 воздушного винта.

Оси центральных зубчатых колес – солнечного колеса Z₁ с внешними зубьями и эпицикла Z₃ – совпадают с геометрической осью редуктора. Кинематическую цепь между этими колесами Z₁ и Z₃ замыкает зубчатое колесо – сателлит Z₂, осью которого является основное звено – водило 3. Все колеса редуктора (фиг.2) цилиндрические, прямозубые, эвольвентные с асимметричными профилями зубьев 4, имеющими для любого зуба одинаковый коэффициент асимметрии K=d_bнр/d_bp,, где d_bнр – диаметр основной окружности нерабочего профиля зуба, d_bp, – диаметр основной окружности рабочего профиля. Коэффициент асимметрии выбирают в пределах 1,05-1,15. Угол зацепления зубьев зубчатых колес сателлитов с центральными колесами при передаче однонаправленного крутящего момента при внешнем зацеплении зубьев составляет _w1-2=30°-35°, а при внутреннем зацеплении – _w2-3=30°-40°.

В лучшем варианте осуществления изобретения коэффициент асимметрии равен 1,08065, угол зацепления зубьев зубчатых колес сателлитов с центральными колесами при передаче однонаправленного крутящего момента при внешнем зацеплении зубьев составляет _w1-2=33°, а при внутреннем зацеплении – _w2-3=36,66°, при этом первая ступень содержит три колеса-сателлита, а вторая ступень – пять колес-сателлитов.

В I ступени редуктора на водиле 3 установлены три сателлита Z₂ ¹=41, причем сателлиты Z₂ ¹=41 зацепляются с центральными колесами Z₁ ¹=28 и Z₃ ¹=107. Числа зубьев подобраны таким образом, что крутящий момент от турбины передается по двум параллельным потокам, причем через I ступень – 30% от общего крутящего момента. Во II ступени редуктора установлены центральные колеса Z₁ ¹¹=38 и Z₃ ¹¹=97, и пять сателлитов Z₂ ¹¹=31 на неподвижных осях.

При работе редуктор воздушного винта передает рабочие крутящие моменты с вала 1 турбины на вал 2 воздушного винта в одном направлении. Суммирование крутящих моментов от I и II ступеней происходит на валу 2 воздушного винта. В этом случае эвольвентная поверхность зуба Z₁ ¹¹, развернутая с основной окружности d_bp1 сопрягается с эвольвентной поверхностью зубьев сателлита Z₂ ¹, которая развернута с основной окружности d_bp2, приведенные радиусы кривизны которых больше, чем приведенные радиусы кривизны противоположных нерабочих профилей этих зубьев. Увеличение радиусов кривизны на рабочих профилях обеспечивают передачу больших крутящих моментов. При работе редуктора для передачи крутящего момента центральное солнечное колесо (фиг.2) Z₁ ¹, вращаясь по часовой стрелке, зацепляется правыми рабочими профилями зубьев с зубьями сателлита Z₂ ¹ под углом зацепления _w1-2=33°. При этом зубья Z₂ ¹ являются ведомыми, а повернувшись на угол , зубья Z₂ ¹ сопрягаются левыми профилями с центральным колесом Z₃ ¹ и становятся ведущими. Однако в этом случае зацепление производится под углом зацепления _w2-3=36,66°, то есть угол внутреннего зацепления больше угла внешнего зацепления, что увеличивает запас прочности.

За счет проектирования зубчатых передач методом свободного синтеза (в обобщающих параметрах) и введения асимметричного профиля зубьев, равного ˜8%, улучшены качества одной стороны профиля зуба, передающего основные крутящие моменты, за счет другой и снижены напряженные состояния (контактных и изгибающих напряжений) зубьев редуктора.

Редуктор имеет масляную систему, обеспечивающую смазку зубчатых колес и подшипников. Зубья с асимметричным профилем и уменьшенной кривизной, согласно изобретению, создают условия для образования утолщенной контактно – гидродинамической масляной пленки – толщиной 0,35 мкм у наиболее напряженной пары зубьев (по Д.С.Кодниру), что превышает высоту микрошероховатости поверхностей зубьев и создает демпфирование при сопряжении зубьев в редукторе воздушного винта при его работе.

Редуктор имеет низкий уровень контактных напряжений и низкую виброактивность. Максимальный уровень виброускорений в выборке по 10 редукторам на первых зубцовых частотах составили 5,7g на II ступени редуктора при 2000 Гц и 2,7g на I ступени редуктора при частотах 5200-5700 Гц. На этой же ступени редуктора между солнечным колесом и сателлитом виброускорения находились в интервале (1,8-4,0)g.

Все зубчатые колеса имеют допустимую концентрацию напряжений у основания зубьев, допустимые контактные напряжения по их рабочим поверхностям, а также достаточную толщину зубьев на окружности вершин.

Изобретение может быть использовано для создания редукторов, передающих основной крутящий момент в одном направлении.

Формула изобретения

1. Редуктор воздушного винта для турбовинтового авиационного двигателя для передачи однонаправленного крутящего момента на всех рабочих режимах с вала турбины на воздушный винт, содержащий кинематически замкнутую зубчатую передачу, выполненную в виде двух соосных ступеней, кинематически связанных между собой, первая из которых соединена с валом турбины и выполнена в виде планетарного механизма, а вторая выполнена в виде переборного механизма, соединенного с воздушным винтом, при этом каждый из механизмов содержит два центральных колеса – солнечное и эпицикл, и колеса-сателлиты, находящиеся между собой во внешнем и внутреннем зацеплении, отличающийся тем, что все зубчатые колеса выполнены эвольвентными прямозубыми цилиндрическими с асимметричными профилями зубьев с одинаковым коэффициентом асимметрии, выбранном в соответствии с соотношением К=d_bнр/d_bp, где d_bнр – диаметр основной окружности нерабочего профиля зуба, d_bp – диаметр основной окружности рабочего профиля зуба, в пределах 1,05-1,15, а угол зацепления зубьев зубчатых колес сателлитов с центральными колесами при передаче однонаправленного крутящего момента при внешнем зацеплении зубьев составляет _w1-2=30-35°, а при внутреннем зацеплении _w2-3=30-40°.

2. Редуктор по п.1, отличающийся тем, что коэффициент асимметрии равен 1,08065, угол зацепления зубьев зубчатых колес сателлитов с центральными колесами при передаче однонаправленного крутящего момента при внешнем зацеплении зубьев составляет _w1-2=33°, а при внутреннем зацеплении _w2-3=36,66°, при этом первая ступень содержит три колеса-сателлита, а вторая ступень – пять колес-сателлитов.

РИСУНКИ