CN101501367A - 用于带平移推进系统的旋翼飞机的分流转矩式变速箱 - Google Patents

用于带平移推进系统的旋翼飞机的分流转矩式变速箱 Download PDF

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Abstract

一种高速复合旋翼飞机的变速箱，它包括主模块、输入模块和平移推进模块。该输入模块接收来自发动机的功率，用于驱动一个反向共轴双转子系统和平移推进系统，该平移推进系统为飞机提供主要的大致平行于飞机纵轴线的平移推进力。每个发动机都驱动该输入模块，这样其功率就被分配给主模块和平移推进模块。由于每个模块只传递所需比例的可用发动机功率，所以可减轻变速箱的重量。

Description

用于带平移推进系统的旋翼飞机的分流转矩式变速箱
技术领域
[0001]本发明涉及一种分流转矩式(分享转矩)变速箱，更具体地来说是涉及一种用于旋翼飞机的主变速箱，该变速箱直接将大功率传递给安装尾部的推进式螺旋桨系统。
背景技术
[0002]一种用于旋翼飞机的变速箱系统将来自涡轮发动机的功率传递给转子系统。常规的变速箱系统可直接将功率从几个涡轮发动机传送给一单转子系统，该单转子系统可包括多个叶片。因为转子的转速要比涡轮发动机的转速低得多，因此，涡轮发动机的转速必须通过变速箱系统进行减速。在减小涡轮发动机输出的转速过程中，在最终输出驱动提供给转子之前，通过一系列的中间齿轮级和轴使扭矩增加。
[0003]传统的旋翼飞机的向前的飞行速度受多个因素的影响。其中最主要的是后斜叶片具有在高速前行速度时失速的趋势。随着向前飞行速度的增加，横过后斜叶片的气流速度降低，这样叶片可能接近一失速状态。相比之下，横过前进叶片的气流速度则随前行速度的增加而增加。
[0004]近来的设计已经追求一种高速复合式飞机，其中一个第二平移推进系统在高速飞行期间在主转子系统处于反气流情况的同时提供推进力。尽管该原理已被证实可行，但用于这种飞机的主行星变速箱结构十分复杂并且由此导致变速箱系统重量相对较重且体积相对较大。当转子系统使变速箱位于机架中部时，这种重量较重且体积庞大的变速箱系统通常会延伸到机舱中，这样就减小了飞机的有效负载和机舱的实际利用空间。
[0005]因此，本发明的目的是提供一种用于高速复合旋翼飞机的质量轻且体积小的变速箱系统，该系统可以很容易安装于机舱上部的机架上，这样就可增加飞机的有效负载和机舱的空间。
发明内容
[0006]本发明提供一种用于高速复合旋翼飞机的变速箱，该变速箱驱动一个反转共轴双转子系统和平移推进系统，该平移推进系统在大致平行于飞机纵轴线的方向上提供主要推进力。
[0007]所述变速箱优选地包括主模块、输入模块和平移推进模块。所述输入模块接收来自一个或多个发动机的功率(或动力)，以驱动所述反转的转子轴和平移推进模块，其进而驱动所述平移推进系统。
[0008]所述输入模块优选划将功率分配给所述主模块和平移推进模块。由于每个模块被设计成只传递所需比例的可用发动机功率，所以可减轻变速箱的重量。
[0009]主模块优选地包括第一转子轴和第二转子轴，它们分别由第一和第二正齿轮驱动，从而转子系统绕转子旋转轴线同轴反向旋转。所述第一和第二正齿轮/主齿轮以内/外齿轮啮合的形式连接(或接合)，这样，在与带有对称设置的反转输出齿轮的许多齿轮系路径结合时，共同的齿轮轴本质上受到约束从而可使其震动达到最小。这种构形可减小齿轮和相关的轴承的数量和尺寸，从而减轻了系统的重量，同时有利于将整个装置放置在一个低外形轮廓的壳体中，该壳体成形为用于连接到机舱之上的机架上。
[0010]所述平移推进模块包括主平移推进齿轮，该主平移推进齿轮优选地通过发动机#1和发动机#2从至少两侧进行加载。因此，所述主平移推进齿轮受到约束，方式是最大限度地减小震动和减小轴承尺寸，进而可进一步减轻系统的重量。主平移推进齿轮的传动轴驱动正齿轮，该正齿轮作为太阳轮位于多个行星惰齿轮之间。一带有面向内的齿轮齿的正齿轮围绕所述多个行星惰齿轮旋转，以驱动所述平移推进系统。因此所述平移推进模块利用J减小了横截面积的结构紧凑的变速箱来驱动所述平移推进系统。
[0011]因此本发明提供了一种用于高速复合旋翼飞机的重量轻、低外形轮廓的变速箱系统，该系统可以很容易的安装到机舱上方的机架上，从而增加了飞机的有效负载和机舱的可用空间。
附图说明
[0012]从下面的当前优选实施例的详细描述中，本领域技术人员可以很明显的了解本发明各种特点和优势。伴随详细描述的附图简要说明如下，其中：
[0013]图1A-1B是用于与本发明分流转矩式变速箱系统一起使用的旋翼飞机总体示意图；
[0014]图2是根据本发明的分流转矩式变速箱的透视图；
[0015]图3是根据本发明的分流转矩式变速箱的顶视图；
[0016]图4是根据本发明的分流转矩式变速箱的后斜透视图；
[0017]图5是根据本发明的分流转矩式变速箱的示意性后视图；
[0018]图6是根据本发明的分流转矩式变速箱传动系的前斜透视图；和
[0019]图7是根据本发明的分流转矩式变速箱传动系的侧视图。
具体实施方式
[0020]图1A-1B示出了带有一反转共轴双转子系统12的垂直起降高速复合旋翼飞机10。该飞机10包括用于支撑所述反转共轴双转子系统12和平移推进系统30的机架14，该平移推进系统提供大致平行于飞机纵轴线L的推进力。应当理解的是，本发明也适用于其它构形的飞机。
[0021]转子系统12包括第一转子系统16和第二转子系统18，每个转子系统16、18都包括一组转子叶片20，它们分别安装在转子毂22、24上。该转子系统12由主变速箱26驱动，该主变速箱优选地位于机舱28的上方。
[0022]平移推进系统30优选地包括推进式螺旋桨32，为了为飞机的高速飞行提供推进力，该推进式螺旋桨具有推进式螺旋桨的旋转轴线P，该旋转轴线的取向大致水平的且平行于所述飞机纵轴线L。优选地，推进式螺旋桨32安装在气动整流罩34内，该气动整流罩34安装于机架14的后部。所述平移推进系统30同样由驱动转子系统12的主变速箱26驱动。
[0023]所述主变速箱26由一个或多个发动机E(图中所示为两个)驱动。在旋翼飞机中，该变速箱26优选地置于一个或多个燃气涡轮发动机(即图中所示的E)、转子系统12和平移推进系统30之间。该主变速箱26优选为一种分流转矩式(或分享转矩)变速箱，该变速箱通过多个驱动(或传动)系路径传送来自发动机E的扭矩(或转矩)。所述多个驱动系路径提供了一种变速箱，该变速箱的重量远小于传统的行星变速箱，而且提供了多余的传动路径，其中的一个路径是不可操作的。另外，该变速箱26提供了相对低的外形轮廓结构，更加方便地将整个装置放置在机舱28上方。如图所示，发动机E优选位于变速箱26的后部，这样就可提供一个有效的装置配置空间，同时由于变速箱26伸入机舱28的空间较常规行星齿轮变速箱伸入机舱28的空间小得多，进而增加了乘务人员和/或货物的可用空间。
[0024]参考附图2，变速箱26通常包括主模块(或单元)36、输入模块38和平移推进模块40。所述输入模块38优选地容纳在输入壳体42内，该输入壳体42直接安装于主模块36的主壳体44上。所述平移推进模块40远离输入壳体42但通过传动轴46与其相连。
[0025]转子系统12的第一转子轴48和第二转子轴50从主模块36延伸出。第一旋翼毂22安装到第一转子轴48上，同时第二旋翼毂24安装到第二转子轴50上，用以绕旋转轴线R同轴反向旋转。使用过程中，所述输入模块38接收来自发动机E的功率来驱动主模块36和平移推进模块40。所述平移推进模块40驱动所述平移推进系统30。
[0026]参考图3，通过由发动机E驱动的高速输入轴52将发动机的功率传递给变速箱26。尽管在这里只详细讨论由发动机#1驱动的齿轮系，而由发动机#2驱动的齿轮系与其是相同的，而且应当理解的是，本发明中还可采用多个发动机E。优选地，每个发动机E都驱动输入模块38，从而其功率就由此分配给转子系统和平移推进系统。由于每个模块只传递所需比例的可用发动机功率，所以这种设计具有重量较轻的优点。
[0027]优选地，高速输入轴52包括斜齿轮N1 54，其驱动一个相对应的斜齿轮N2 56。可以理解的是，尽管本发明图示实施例中讨论的是特殊类型的齿轮且为优选的形式，但是其它的具体齿轮形式也是可以用于本发明的。所述斜齿轮N2 56位于所述输入模块38内并且驱动绕输入轴旋转轴线59旋转的输入轴58，该输入轴轴线大致垂直于转子旋转轴线R(也可参见图4)。
[0028]优选地，斜齿轮N1 54和斜齿轮N2 56形成一斜齿轮组，其齿轮减速比RR1＝2.43。可以理解的是，所述减速比是与发动机功率、转子转速和其它变量相关的，从而对应于其它操作要求就需要其它的减速比。在所示实施例中，每个发动机的功率约为1000马力。
[0029]斜齿轮N2 56提供了一个在输入模块38、主模块36和平移推进模块40之间的相互连接关系(或界面)。也就是说，功率从单一来源(输入模块)被消耗并且随后被分配给所有其它模块，这样可使主模块和平移推进模块只基于操作要求接收必要的功率，接下来将对其进行更详细的描述。
[0030]由斜齿轮N2 56带动输入轴58旋转，输入轴58驱动安装在其上的螺旋锥齿轮N3 60，并且该螺旋锥齿轮位于主模块36内。所述螺旋锥齿轮N3 60驱动螺旋锥齿轮N4 62绕旋转轴线64旋转，该旋转轴线64大致平行于转子旋转轴线R(也可参见图4和5)。所述螺旋锥齿轮N3 60优选地与螺旋锥齿轮N4 62啮合以产生齿轮减速比RR2＝3。所述螺旋锥齿轮N3 60与螺旋锥齿轮N4 62以正交啮合的方式啮合，从而将扭矩从输入轴旋转轴线59传递至与其大致垂直的旋转轴线64。所述螺旋锥齿轮N4 62驱动正齿轮(或直齿圆柱齿轮)N5 66和正齿轮N6 68绕所述旋转轴线64旋转。所述正齿轮N5 66和N6 68优选地安装于共同的正齿轮轴70上，从而所述螺旋锥齿轮N4 62、正齿轮N5 66和正齿轮N6 68作为一个单元绕旋转轴线64旋转，所述旋转轴线64平行于转子旋转轴线R。
[0031]正齿轮N5 66与主正齿轮N7 72啮合，所述主正齿轮N7 72驱动第二转子轴50绕转子旋转轴线R旋转。所述正齿轮N6 68与主正齿轮N8 74啮合，所述主正齿轮N8 74驱动第一转子轴48绕转子旋转轴线R旋转。也就是说，所述第一转子轴48安装在所述主正齿轮N8 74上，而所述第二转子轴50安装在所述主正齿轮N7 72上。优选地，正齿轮N5 66沿主正齿轮N7 72的外周边与主正齿轮N7 72啮合，而正齿轮N6 68沿主正齿轮N8 74的内周边与主正齿轮N8 74啮合，以在其间提供反向旋转。即，主正齿轮N7 72的齿相对于转子旋转轴线R向外延伸，而主正齿轮N8 74的齿相对于转子旋转轴线R向内延伸。
[0032]正齿轮N5 66/主正齿轮N7 72和正齿轮N6 68/主正齿轮N8 74以内/外齿轮啮合的方式形成连接关系(或界面)，这样所述共同的齿轮轴70固有地受到约束，从而可使震动达到最小。因此，轴承的数量和所需尺寸都可得到减小，从而进一步减小了系统的重量。所述正齿轮N5 66/主正齿轮N7 72和正齿轮N6 68/主正齿轮N8 74的接合(或连接关系)优选地产生一个齿轮减速比RR3＝9。正齿轮N5 66与主正齿轮N7 72之间以及正齿轮N6 68与主正齿轮N8 74之间的齿轮节径和/或减速比确定成补偿不同的主正齿轮直径，以保证转子轴48、50的转速恒定不变。
[0033]从而主模块36提供了一种低外形轮廓的变速箱，其具有多重齿轮系路径，并且采用最少数量的反转的负载输出齿轮，这些齿轮封装在低外形轮廓的壳体内，该壳体的形状是为了方便地在机舱上方连接，从而将飞行载荷传递到机架上。
[0034]关于平移推进模块40，斜齿轮N2 56驱动斜齿轮N9 76，所述斜齿轮N9 76实质上是斜齿轮N2 56和主平移斜齿轮N10 80之间的惰轮。斜齿轮的N9 76驱动主平移斜齿轮N10 80绕传动轴旋转轴线78旋转。所述平移斜齿轮N10 80通过挠性联轴器82a联接到传动轴46上(如图所示)。所述旋转轴线78大致平行于所述输入轴旋转轴线59和传动轴旋转轴线D。所述斜齿轮N9 76在一个连接(或界面)处驱动主平移斜齿轮N10 80，其优选地产生一个齿轮减速比RR4＝1.6。当主平移斜齿轮N10 80由于发动机#1和发动机#2从至少两侧加载时，所述主平移斜齿轮N10 80以这样的方式受到约束，即最大限度减小震动，且减小轴承尺寸进而减小整个系统的重量。
[0035]所述传动轴46通过挠性联轴器82b驱动正齿轮N11 84(如图所示)。该挠性联轴器82a、82b适应飞机机架的弯曲以及平移推进系统30和变速箱26之间的偏离。所述正齿轮N11 84优选为太阳轮，其位于多个行星惰齿轮N12 86之间(图中所示为三个行星惰齿轮)所述行星惰齿轮相互间隔开固定以减小变速箱的横截面积(即如图2所示)。带有面向内的齿轮齿的正齿轮N13 88绕多个行星惰齿轮N12 86旋转，从而驱动平移推进系统30绕平移推进旋转轴线P旋转(即如图2所示)。所述正齿轮N13 88和多个行星惰齿轮N12 86的连接关系优选地产生一个齿轮减速比RR5＝2.5。可以理解的是，尽管轴线78和P一般在一条直线上且平行于所述飞机纵轴线L，但其它配置和挠性联轴器可以使轴线不在一条直线上，但仍可直接传递给推进式螺旋桨32(如图1所示)。
[0036]可以理解的是，相对位置的术语，如“前”，“后”，“上”“下”，“在上”，“在下”等类似术语都是参考飞行器的正常操作姿态的，其不应认为是限制性的。
[0037]可以理解的是，尽管在具体实施例中仅公开了一种特定部件配置，但其它配置也可受益于本发明。
[0038]尽管图示、描述和请求保护特定的步骤顺序，但应当理解的是，将所述步骤可以任何顺序、单独或组合实施，除非是另有说明的，则仍将认为是受益于本发明的。
[0039]前面的描述仅是示例性的，而不限定本发明范围。基于本发明的教导能够对本发明做出修改和变化。本发明的优选实施例已经公开，但本领域技术人员可意识到对本发明进行的某些修改也将落入本发明的范围。因此，可以理解的是，本发明的保护范围应以所附权利要求为准，而不是依据对本发明的具体描述。因此，应对接下来的权利要求进行审查以确定本发明真正保护的范围和内容。

Claims (20)

1、一种分流转矩式变速箱系统，它包括：
输入模块；
主模块，所述主模块与所述输入模块相啮合，所述主模块包括第一主齿轮和第二主齿轮，用于绕转子旋转轴线同轴反向旋转；和
平移推进模块，所述平移推进模块与所述输入模块相啮合，所述平移推进模块包括主平移齿轮，所述主平移齿轮绕传动轴旋转轴线旋转，所述传动轴旋转轴线大致垂直于所述转子旋转轴线。
2、如权利要求1所述的分流转矩式变速箱系统，其特征在于，所述第一主齿轮安装于第一转子系统的第一转子轴上，而所述第二主齿轮使第二转子系统的第二转子轴旋转。
3、如权利要求2所述的分流式变速系统，其特征在于，所述第一转子轴至少部分地安装于所述第二转子轴中。
4、如权利要求1所述的分流转矩式变速箱系统，其特征在于，其还包括安装在共同的正齿轮轴上的第一正齿轮和第二正齿轮，所述第一正齿轮与所述第一主齿轮沿它的外周边相对所述转子旋转轴线啮合，而所述第二正齿轮与所述第二主齿轮沿它的内周边相对所述转子旋转轴线啮合，以在所述第一主齿轮和所述第二主齿轮之间提供相反的旋转。
5、如权利要求4所述的分流转矩式变速箱系统，其特征在于，所述共同的正齿轮轴绕旋转轴线旋转，所述旋转轴线具有大致平行于所述转子旋转轴线的分量。
6、如权利要求5所述的分流转矩式变速箱系统，其特征在于，其还包括螺旋锥齿轮，所述螺旋锥齿轮安装于所述共同的正齿轮轴上，所述螺旋锥齿轮由从所述输入模块伸出的输入轴驱动。
7、如权利要求6所述的分流转矩式变速箱系统，其特征在于，所述输入轴绕输入旋转轴线旋转，所述输入旋转轴线大致垂直于所述转子旋转轴线。
8、如权利要求6所述的分流转矩式变速箱系统，其特征在于，其还包括驱动所述输入轴的齿轮，所述齿轮通过中间齿轮与所述主平移齿轮啮合。
9、如权利要求1所述的分流转矩式变速箱系统，其特征在于，所述主平移齿轮驱动传动轴，所述传动轴则驱动与多个行星惰齿轮啮合的太阳轮。
10、如权利要求9所述的分流转矩式变速箱系统，其特征在于，其还包括围绕所述多个行星惰齿轮旋转的带有面向内的齿轮齿的正齿轮。
11、如权利要求10所述的分流转矩式变速箱系统，其特征在于，所述带有面向内的齿轮齿的正齿轮驱动平移推进系统绕平移推进系统的轴线旋转。
12、如权利要求11所述的分流转矩式变速箱系统，其特征在于，所述平移推进系统包括推进式螺旋桨。
13、如权利要求11所述的分流转矩式变速箱系统，其特征在于，所述平移推进系统包括导管风扇。
14、一种用于高速复合旋翼飞机的分流转矩式变速箱系统，它包括：
输入模块，所述输入模块具有第一正齿轮，所述第一正齿轮与第二正齿轮啮合，所述第二正齿轮与第三正齿轮啮合，所述第一正齿轮绕第一旋转轴线可转动地安装，所述第二正齿轮绕第二旋转轴线可转动地安装，而所述第三正齿轮绕第三旋转轴线可转动地安装，所述第一、第二和第三旋转轴线大致垂直于转子旋转轴线；
主模块，所述主模块与所述输入模块啮合，所述主模块包括第一主齿轮和第二主齿轮，用于绕所述转子旋转轴线同轴反向旋转，所述第一主齿轮和第二主齿轮由所述第二正齿轮驱动；和
平移推进模块，所述平移推进模块与所述输入模块啮合，所述平移推进模块包括主平移齿轮，所述主平移齿轮绕传动轴旋转轴线旋转，所述传动轴旋转轴线大致垂直于所述转子旋转轴线，所述主平移齿轮与所述第三正齿轮啮合。
15、如权利要求14所述的分流转矩式变速箱系统，其特征在于，所述第一主齿轮安装于第一转子系统的第一转子轴上，而所述第二主齿轮使第二转子系统的第二转子轴旋转。
16、如权利要求14所述的分流转矩式变速箱系统，其特征在于，其还包括驱动所述第一正齿轮的发动机。
17、如权利要求14所述的分流转矩式变速箱系统，其特征在于，其还包括第一主模块正齿轮和第二主模块正齿轮，它们安装于共同的正齿轮轴上，所述第一主模块正齿轮与所述第一主齿轮沿它的外周边相对所述转子旋转轴线啮合，而所述第二主模块正齿轮与所述第二主齿轮沿它的内周边相对所述转子旋转轴线啮合，以在所述第一主齿轮和第二主齿轮之间提供反向旋转。
18、如权利要求17所述的分流转矩式变速箱系统，其特征在于，所述共同的正齿轮轴绕旋转轴线旋转，所述旋转轴线具有大致平行于所述转子旋转轴线的分量。
19、如权利要求18所述的分流转矩式变速箱系统，其特征在于，其还包括螺旋锥齿轮，所述螺旋锥齿轮安装于所述共同的正齿轮轴上，所述螺旋锥齿轮由从所述输入模块伸出的输入轴驱动，所述输入轴由所述第二正齿轮驱动。
20、一种分流转矩式变速箱系统，它包括：
输入模块；
主模块，所述主模块通过输入轴与所述输入模块啮合，所述主模块包括第一主齿轮和第二主齿轮，用于绕转子旋转轴线同轴反向旋转，所述输入轴可绕输入轴旋转轴线旋转，所述输入轴旋转轴线大致垂直于所述转子旋转轴线；
第一主模块齿轮和第二主模块齿轮，它们安装于共同的正齿轮轴上，所述正齿轮轴绕轴旋转轴线旋转，所述轴旋转轴线大致平行于所述转子旋转轴线，所述第一主模块齿轮与所述第一主齿轮沿它的外周边相对所述转子旋转轴线啮合，而所述第二主模块齿轮与所述第二主齿轮沿它的内周边相对所述转子旋转轴线啮合，以在所述第一主齿轮和第二主齿轮之间提供反向旋转；和
平移推进模块，所述平移推进模块与所述输入模块啮合，所述平移推进模块使传动轴绕传动轴旋转轴线旋转，所述传动轴旋转轴线大致垂直于所述转子旋转轴线。
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