CN101260917A - 具有改良齿轮的飞行器和生产此种齿轮的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种直升机(1)，其具有用于从驱动元件向从动元件传输运动的传动装置(5)；所述传动装置(5)具有至少一个由所述驱动元件驱动的第一齿轮(8；10)，和啮合所述第一齿轮(8)且依次驱动所述从动元件的第二齿轮(10；12)；所述第一和第二齿轮(8、10；10、12)具有齿(16、17、18)，且所述齿如此成形以使所述齿轮(8；10)在至少两对各自同时啮合的齿(16、17；17、18)处彼此啮合；至少一个所述齿轮(8、10、12)的齿(16、17、18)具有齿形(19)，所述齿形(19)具有相对于起始理论渐开线(E)缩减的端部部分(21)；所述端部部分(21)和所述起始渐开线(E)的点之间的距离图形(G)沿着所述齿(16、17、18)的轴线(A、H)包括相对于彼此倾斜的至少第一部段和第二部段(B，C)。

Description

具有改良齿轮的飞行器和生产此种齿轮的方法
技术领域
本发明涉及一种具有改良齿轮的飞行器，以及一种生产此种齿轮的方法。
本发明尤其涉及一种直升机，以下说明参照直升机仅作为示例而不失其一般性。
背景技术
众所周知的，直升机通常包括许多传动装置用于从一个或多个涡轮向主旋翼和/或尾部螺旋桨传输动力，和/或从涡轮向多个附属装置传输动力，也就是用于提供能量，例如，通过这些附属装置为机上装备提供能量。
更具体地，已知传动装置包括许多个齿轮，它们通过各自的齿彼此相互啮合以传输所需动力值。
在所知方式中，每个齿轮的齿具有渐开线齿形以优化动力传输和降低传动噪音水平。
在工作条件下，由于齿的几何和尺寸公差以及在压力下的变形，齿轮上啮合齿的齿形与理论渐开线齿形有所偏离。
因此，啮合齿的实际位置与理论上这些齿应处在的位置有所偏离，所谓理论位置是在如果没有几何和尺寸公差，且齿形在应力下没有形变的情况下啮合齿所处的位置。
这种偏差由当时啮合的齿的弹性和外形所引起，因此在齿轮工作中会发生变化，甚至在齿轮传输的动力并没有改变的情况下，也会发生变化。
这种偏差产生噪音和振动，如申请人所发现的，随着齿轮传输动力不断变化，这些噪音和振动并不是均衡的。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种飞行器，其设计成在宽泛的动力值范围内减小上述传动装置的噪音和振动水平，并且同时优化传动装置的机械强度。
根据本发明，提供一种飞行器，包括用于从驱动元件向从动元件传递运动的传动装置；
所述传动装置包括至少一个由所述驱动元件驱动的第一齿轮；和啮合所述第一齿轮且依次驱动所述从动元件的第二齿轮；
所述飞行器特征在于，所述第一和第二齿轮具有这样的齿形，以使所述齿轮在各自至少两对同时啮合的齿处彼此相互啮合；且特征在于，至少一个所述齿轮的齿其齿形具有相对于起始渐开线缩减的端部部分。
所述端部部分和所述起始理论渐开线的点之间的距离图形沿着所述齿的轴线包括相对于彼此倾斜的至少第一部段和第二部段。
本发明也涉及一种生产用于飞行器的齿轮的方法，其特征在于包括如下步骤：
-生产包括多个齿的齿轮，每个齿具有外渐开线齿形；所述齿成形以使所述齿轮的至少两个齿啮合另外的齿轮；和
-从每个所述齿的端部部分去除材料，从而使所述端部部分获得一种表现为缩减渐开线形式的齿形；所述端部部分的形状使所述端部部分和所述渐开线的点之间的距离图形包括相对于彼此倾斜的至少第一部段和第二部段。
附图说明
将参照附图，借助示例，说明本发明的优选、非限制性实施例，其中：
图1显示了根据本发明的直升机的透视图；
图2显示了图1中的直升机的传动装置的更大比例的剖面图；
图3显示了图2中传动装置的齿轮的半个轴向剖面图；
图4显示了图3中齿轮的前视图；
图5显示了图2的较大比例细节部分；
图6显示了图3中齿轮的齿的大比例视图，和齿的齿形与理论渐开线齿形的偏差图形；
图7显示了图6中齿的齿形图表；
图8显示图7的放大细节；
图9显示了图1中直升机传动装置和其他传动装置正负峰间传动误差随着输出动力的变化而变化的曲线图。
具体实施方式
图1中的数字1代表飞行器，尤其是直升机，基本上包括机身2；安装在机身2上以在第一平面内旋转来整体支撑直升机1的主旋翼4；以及设置在机身2的尾端的尾部螺旋桨3。更具体地，尾部螺旋桨3在第二平面内旋转，该第二平面交叉于第一平面，以抵消机身2上的主旋翼4所产生的旋转扭矩。
直升机1也包括主传动装置5用于从辅助传动装置(图2)传递动力到主旋翼4上，该辅助传动装置依次由涡轮6所驱动并驱动螺旋桨3。
直升机1包括许多个由传动装置5所驱动且依次驱动直升机1的附属元件(未示出)的另外的辅助传动装置(未示出)。
尤其如图2中所示，所述辅助传动装置其中之一包括外壳7；容纳于外壳7内的齿轮8和容纳于外壳7内的齿轮9(也在图3和4中示出)，且齿轮8和9可操作地连接(以未示出的方式)两个不同的驱动元件；容纳于外壳7内且啮合齿轮13的齿轮12，其依次连接未示出的从动元件。
辅助传动装置也包括一系列容纳于外壳7内且都啮合齿轮12的齿轮10、11。齿轮10、11也啮合齿轮8、9用于传递动力到齿轮12。
更具体地，齿轮10由齿轮8所驱动且依次驱动齿轮12。
齿轮10因此是惰轮，以保证齿轮8、12以相同方向旋转。
齿轮12具有在相反两侧啮合齿轮10和11的齿15；和啮合齿轮13的齿14。齿15相对于齿14和齿轮12的轴线被设置在外径上。
以完全类似齿轮10的方式，齿轮11由齿轮9驱动并驱动齿轮12。
齿轮11因此是惰轮，以保证齿轮9、12以相同方向旋转。
齿轮8、9、10、11、12、13具有直齿，且被安装于各自的轴上，这些轴彼此平行。
有利地，齿轮8具有至少两个齿16(在图2中只示出一个)同时啮合齿轮10的两个相应齿17(在图2中只示出一个)，且齿轮10具有另外两个齿17(在图2中只示出一个)同时啮合齿轮12的两个相应齿18(在图2中只示出一个)。每个齿16、17、18具有齿形19(在图5中相对于齿16示出，在图6中相对于齿16、17示出)，该齿形具有相对于起始理论渐开线E缩减的端部部分21(只在图6中相对于齿16示出)。端部部分21和渐开线E的点之间的距离图形(在图6中相对于齿16示出)沿着齿16、17、18轴线A由彼此相对倾斜的部段B、C形成的虚线所限定。
如图5所示，齿轮8和10设计成接触比超过2，具有至少两对齿16、17同时彼此啮合。
关于图5，术语“接触比”代表接触弧的长度与齿轮8和10的圆周齿距P的比率。
更具体地，接触弧是这样一个弧段，沿着齿轮8的齿节圆U测量，在压力线F和齿轮8、10各自的外圆W、Y之间的两个交点之间的距离。众所周知地，压力线F是齿轮8、10的齿16、17沿着它交换相互作用和反作用力的线。压力线F相对于齿轮8、10的齿节圆U、V的公切线T倾斜一个压力角α。
另一方面，圆周齿距P代表两个相应点R、Q之间沿着齿轮8的齿节圆U测量的距离。
尤其关于齿轮8、10，啮合的宏观参数，关于压力角α以及齿顶和齿高的比率，已经被如此定义以致于齿轮8、10显示出一个高的接触比，也就是，接触比高于2且实际上处于2.2和2.4之间。
齿轮12和10之间的啮合与齿轮8和10之间的啮合是一样的，因此在这里就不再详细地描述。
相当简要地，齿轮12具有至少两个齿18同时啮合齿轮10的两个相应的齿17。
类似地，齿轮9和11之间以及齿轮11和12之间的啮合与齿轮8和10之间的啮合是一样的，因此在这里就不再详细地描述。
如图6右边所示，除了端部部分21之外，齿16的齿形19也包括呈渐开线E形状的根部20，其代表实际使用齿面的未改良加工部分。
更具体地，每个齿16的根部20在两个限定出齿16的根部的齿根过渡曲面27处从齿轮8伸出，且在相对着齿根过渡曲面27的一端与端部部分21连续。
更具体地，齿根过渡曲面27相对于轴线A在其相反两侧对称延伸。
齿16的端部部分21在齿轮8轴线(未示出)相对一端限定了齿16的自由端22。
图6中左边的字母G代表齿16的齿形19和渐开线E的相关点之间的距离图形的图表，所述距离是所述点沿着轴线A的位置的函数。更具体地，齿形19和渐开线E相关点之间的距离通过水平轴线K指示出，所述点沿着轴线A的位置由垂直轴线H指示出。
轴线H取向为指示从齿根过渡曲面27朝向端部22沿着轴线A增加的值。
重要的是需要注意到所述距离是微观几何的，且特别地，是以微米或几十微米这样的尺度度量的。
图表G被用于准时描述末梢部的改良(图7和8)，也就是，用来为齿形19的每一个点相对于理论渐开线E需要被移除的材料的数量产生一个图表显示。
更具体地，齿形19的每一个点与图表G上的各点关联，且需要从渐开线E去除的各材料数量对应于图表G上的所述点到轴线H的距离。
更具体地，图表G包括部分D和B、C部段。
更具体地，具有未改良的实际使用齿面的根部20的点对应于部分D。并且，由于根部20以起始渐开线E的形式成形，所以部分D在轴线H上叠加。
部段B对应于接近于根部20的端部部分21的一部分23上的点，且部段C对应于沿着轴线A插入在端部22和部分23之间的部分24上的点。
部段B相对于轴线H的倾斜角比部段C相对于轴线H的倾斜角要小，因此相对于轴线A来说，部分23和起始渐开线E之间的距离增加得没有相对于轴线A来说部分24和起始渐开线E之间的距离增加得快。
换句话说，部段B相对于由轴线H所指示的变量的角度系数小于部段C相对于所述变量的角度系数。
端部部分21和渐开线E之间的距离图形也由插入在部段B和部段C之间的弯曲部分L(仅在图8中显示)所限定。
更具体地，弯曲部分L一端部25连接部段B，而相对于端部25的另一端部26连接部段C。
端部部分21和起始渐开线E之间的距离在弯曲部分L上长度增加的程度比部段B段大，但比部段C小。
换句话说，相对于由轴线H指示的变量，派生于端部部分21的点处于部段B的角度系数和部段C的角度系数之间。
端部部分21形成地使齿16的齿形19在根部20和端部部分21两处都由具有连续上导数的曲线所代表。
图表G也包括平行于轴线K延伸且对应于齿16自由端22上的点的部分M。
齿轮10、12的齿17、18类似于齿轮8的齿16且以与齿轮8的齿16相同的方式获得，齿17、18和各自的齿形19在下面都不再进行详细的描述。
类似地，齿轮9、11的齿类似于齿轮8的齿16和齿轮10的齿17且以与它们相同的方式获得。
因此，齿轮9、11的齿以及它们各自的齿形在下面都不再进行详细的描述。
众所周知的，齿端改良优化了齿轮在载荷下的啮合质量。为了评价这种修正的效果，在图9中显示比较图。
图9中的实线30显示了齿轮16、17伴随传动动力变化而产生的所谓“正负峰间传动误差”。
术语“传动误差”表示对于齿轮8的齿16旋转的固定值来说，每个齿17的真实位置和运动学上理想地传递运动时它应当具有的理论位置之间的线性偏差。
该偏差基本上取决于于齿16、17的弹性以及几何和尺寸公差。
参照即使在应力作用下仍具有理想渐开线齿形的齿，即不存在齿16、17的几何和尺寸公差的无限刚性齿，来评价所述理论位置。
术语“正负峰间传动误差”代表在整个啮合弧期间齿轮16的所述线性偏差最大值和最小值之间差值的绝对值。
如上面所述的，图9也可应用于齿轮10、12的齿17、18以及齿轮9、11的齿。
图9中的点划线31显示了具有接触比大于2且齿形相对于起始渐开线缩减的齿的齿轮的正负峰间传动误差。更具体地，所述齿形缩减，从而在齿形和起始渐开线相关点之间实现独特的分段距离图形。这种齿形在本发明说明书下面又被称作线性缩减渐开线。
整个这种齿端改良是旨在改进负荷下齿轮8和10之间啮合特性的优化程序产生的结果，选择作为齿端改良的起始点的直径相应于三重内啮合(三对齿同时彼此啮合)和双重内啮合(两对齿同时彼此啮合)之间的通道。这种线性改良被称为长齿改良。
图9中的短划线32显示了具有线性缩减渐开线齿形但接触比小于2的齿轮的正负峰间传动误差。
类似于前面的例子，在长齿改良假设下，整个这种改良也由优化程序所决定。
如图9所示，尤其对于特别低和特别高的传动动力值时，齿轮8齿16的正负峰间传动误差小于其他齿轮齿，而对于中等传动动力值，则与其他齿轮齿相当。
直升机1和根据本发明的方法的优点通过前面的描述将会是很清楚的。
详细地，齿16、17、18的端部部分21的缩减渐开线形，以及齿轮10、12和12、14使多于两个齿16、17和17、18同时啮合，与具有线性缩减渐开线齿形和接触比小于2的齿相比时，在宽泛的传动动力值范围内减小了正负峰间传动误差。
因此在直升机1所需的宽泛动力范围内，确保了高质量的啮合。
更具体地，如图9中所示，在很低或很高的传动动力值时，齿轮8的正负峰间传动误差小于接触比低于2且齿具有线性缩减渐开线齿形的齿轮(如线32所示)的正负峰间传动误差。
仍然如图9所示，在中等传动动力值时，齿轮8的正负峰间传动误差与接触比低于2且齿具有线性缩减渐开线齿形的齿轮的正负峰间传动误差相当。
换句话说，在中等传动动力值时，表现为缩减渐开线E形式且接触比大于2的端部部分21，充分补偿了由接触比低于2且齿形为线性缩减渐开线的齿的几何和尺寸公差所导致的偏差(如图9中线32所示)。
另一方面，在很低或很高的传动动力值时，表现为缩减渐开线E形式且接触比大于2的端部部分21，减小了由齿形为线性缩减渐开线的齿的几何和尺寸公差所导致的偏差(如图9中线32所示)。
因此，在宽泛的传动动力值范围内，减小了由啮合齿实际位置偏离理论位置所产生的噪音和振动。
这种齿端改良的优点也优化了齿根弯曲应力，所述弯曲应力在任务载荷的通常应用中作用于齿轮。直接依赖于限定齿形19的几何特性的这种减小，可以作为强度净增益而进行量化，使应变减小超过25％。
清楚地，对于直升机1和这里所描述和说明的方法可以进行改变，只要没有背离所附权利要求所限定出保护范围即可。
详细地，齿轮8、9、10、11、12、13可以构成传动装置5的一部分，或者直升机1的其他辅助传动装置。
此外，齿轮8、9、10、11、12、13可以有利地应用在其他类型飞行器上，例如飞机或者可以垂直升降的飞机。

Claims (9)

1.一种飞行器(1)，包括用于从驱动元件向从动元件传输运动的传动装置(5)；
所述传动装置(5)包括至少一个由所述驱动元件驱动的第一齿轮(8；10)；和啮合所述第一齿轮(8；10)且依次驱动所述从动元件的第二齿轮(10；12)；
所述飞行器(1)特征在于：所述第一和第二齿轮(8、10；10、12)具有齿(16、17、18)，所述齿如此成形以使所述齿轮(8；10)在至少两对各自同时啮合的齿(16、17；17、18)处彼此啮合；且特征在于：至少一个所述齿轮(8、10、12)的齿(16、17、18)具有齿形(19)，所述齿形(19)具有相对于起始渐开线(E)缩减的端部部分(21)；
所述端部部分(21)和所述起始理论渐开线(E)的点之间的距离图形(G)沿着所述齿(16、17、18)的轴线(A、H)包括相对于彼此倾斜的至少第一部段(B)和第二部段(C)。
2.如权利要求1所述的飞行器，其特征在于：所述距离沿着所述轴线(A、H)从所述齿(16、17、18)的根部(27)到齿(16、17、18)的自由端部(22)增加。
3.如权利要求2所述的飞行器，其特征在于：相对于所述轴线(A、H)，所述第一部段(B)的倾斜度小于所述第二部段(C)的倾斜度；且沿着所述轴线(A、H)从所述齿(16、17、18)的根部到所述自由端部(22)，所述第一部段(B)在所述第二部段(C)之前。
4.如权利要求1所述的飞行器，其特征在于：所述图形(G)包括插入于所述第一部段(B)和第二部段(C)之间的弯曲部分(L)。
5.如权利要求4所述的飞行器，其特征在于：所述弯曲部分(L)上每一点的切线相对于所述轴线(A、H)的倾斜度处在所述第一部段(B)和第二部段(C)相对于所述轴线(A、H)的倾斜度之间。
6.如权利要求1所述的飞行器，其特征在于：所述齿形(19)包括表现为所述渐开线(E)形式的根部(20)。
7.如权利要求1所述的飞行器，其特征在于：所述第一和第二齿轮(8、10)以小于20度的压力角(α)彼此啮合。
8.一种生产用于飞行器(1)的齿轮(8、10、12)的方法，其特征在于包括如下步骤：
-生产包括多个齿(16)的齿轮(8)，每个齿具有外渐开线齿形(E)；所述齿(16)如此成形以使所述齿轮(8)的至少两个所述齿(16)啮合另外的齿轮(10)；
-从每个所述齿(16)的端部部分(21)去除材料，从而使得所述端部部分(21)获得表现为缩减渐开线(E)形式的齿形；所述端部部分(21)如此成形以使所述端部部分(21)和所述渐开线(E)的点之间的距离图形(G)包括相对于彼此倾斜的至少第一部段(B)和第二部段(C)。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述去除材料的步骤成形加工所述齿形(19)以使所述图形(G)包括插入所述第一部段和第二部段(B，C)之间的弯曲部分(L)。
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