CN102748370B

CN102748370B - 用于冲压空气涡轮的支柱驱动轴

Info

Publication number: CN102748370B
Application number: CN201210115708.2A
Authority: CN
Inventors: S.M.博尔托利; D.L.凯普
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2032-04-19
Also published as: US9188105B2; US20120269634A1; CN102748370A

Abstract

本发明涉及用于冲压空气涡轮的支柱驱动轴。具体地，一种用于飞机冲压空气涡轮的驱动轴包括基本圆柱形的细长部分、从所述细长部分延伸的第一端部、从所述细长部分延伸且与所述第一端部相对的第二端部。所述第一和第二端部各自包括基本截头圆锥形区段，所述基本截头圆锥形区段具有弯曲的母线，使得所述第一和第二端部的每一个的远侧部分的外直径小于所述细长部分的外直径。所述细长部分提供相对高的侧向刚度且所述第一和第二端部提供相对低的扭转刚度，使得所述驱动轴的侧向自然频率高于所述驱动轴的操作范围且所述驱动轴的扭转自然频率低于所述驱动轴的操作范围。

Description

用于冲压空气涡轮的支柱驱动轴

技术领域

本发明一般地涉及驱动轴及其制造，并且更具体地涉及用于冲压空气涡轮（RAT）的支柱中的驱动轴及其制造方法。

背景技术

现代飞机通常包括次级或紧急动力系统，其可在无法从主动力系统获得动力的情况下提供动力。RAT常常用于次级或紧急动力系统以提供电和/或液压动力。典型的RAT能够通过在飞行中打开飞机机身中合适的门或舱来展开。RAT将可旋转的涡轮呈现给迎面而来的气流，所述气流使涡轮旋转。来自涡轮的旋转能量（扭矩）然后被传递到合适的动力转换装置（例如发电机、泵等），其将旋转能量转换为期望的形式以供飞机使用。RAT可包括合适的传动装置以将旋转能量调节到适合于动力转换装置以及其他传动系部件的速度，所述传动系部件将旋转能量（扭矩）传递到期望的位置。

用于RAT传动系中的驱动轴需要满足许多要求。RAT驱动轴必须是可靠的，其必须能够与必要的传动系部件匹配且其必须能够应付其将要经受的扭矩负载。由于大多数RAT以悬伸的方式从飞机的机身向外突出的缘故，RAT及其子部件会经受显著量的振动和弯曲。而且，RAT传动系的旋转本质会引入扭共振问题。然而，由于RAT在飞机中的定位必须考虑许多其他飞机设计因素，因此RAT及其子部件的位置受到很大程度的约束，这极大地限制了RAT传动系及其驱动轴的几何结构和尺寸的设计选择。

发明内容

一种用于飞机冲压空气涡轮的驱动轴包括基本圆柱形的细长部分、从所述细长部分延伸的第一端部、从所述细长部分延伸且与所述第一端部相对的第二端部。所述第一和第二端部各自包括基本截头圆锥形区段，所述基本截头圆锥形区段具有弯曲的母线，使得所述第一和第二端部的每一个的远侧部分的外直径小于所述细长部分的外直径。所述细长部分提供相对高的侧向刚度且所述第一和第二端部提供相对低的扭转刚度，使得所述驱动轴的侧向自然频率高于所述驱动轴的操作范围且所述驱动轴的扭转自然频率低于所述驱动轴的操作范围。

附图说明

图1是根据本发明的冲压空气涡轮（RAT）的剖视图。

图2是图1的RAT的支柱驱动轴的透视图。

图3是该支柱驱动轴沿图2的线3-3剖切的剖视图。

尽管上述附图示出了本发明的实施例，但如同所讨论的，也构想了其他实施例。在所有的情况中，本公开通过代表而非限制的方式呈现了本发明。应当理解，本领域技术人员可以想出许多其他的修改和实施例，这些修改和实施例落入本发明原理的范围和精神之内。附图不是按比例绘制的。在遍及几幅附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。

具体实施方式

图1是用于飞机（未示出）的冲压空气涡轮（RAT）10的剖视图。为了简单起见，图1中没有示出交叉影线。RAT10包括涡轮组件12、支柱14、发电机16和传动系（或动力传动系统）18，传动系18包括支柱驱动轴20。在各种实施例中，涡轮组件12可包括涡轮叶片、毂、毂锁定机构、合适的俯仰或速度控制机构、齿轮箱等。支柱14提供RAT10的结构支撑并且帮助支撑涡轮组件12。在所示的实施例中，支柱14具有空心且大致圆柱形的形状。而且，在所示实施例中，发电机16位于支柱上与涡轮组件12相对的近端。应当注意，发电机16仅仅是可用于RAT10的动力转换装置的其中一种形式，并且仅仅以示例而非限制的方式示出。例如，在其他实施例中，液压泵可用于替代发电机16或者作为发电机16的补充。传动系18包括合适的轴和传动装置以提供涡轮组件12和发电机16之间的机械连接，以便将旋转能量（扭矩）传递到发电机16。支柱驱动轴20是传动系18的一部分，并且至少部分地位于支柱14中。支柱驱动轴20可直接接合发电机16，并且可接合与涡轮组件12匹配的合适的传动装置。在一个实施例中，涡轮构造成具有约3800-5000RPM（或63.33-83.33Hz）的操作范围，合适的传动装置提供传动比来以约8000-12000RPM（133-200Hz）的操作范围操作支柱驱动轴20和发电机16。下面提供支柱驱动轴20的另外的细节。

在所示实施例中，RAT10构造成能够利用合适的致动器（未示出）选择性地从飞机机身展开。当被展开时，RAT10将涡轮组件12呈现给经过飞机的气流，并且可用于利用来自涡轮组件12的部件的旋转的动能来产生期望形式的动力，所述动能由经过的气流产生。RAT10可在飞行中被展开以提供紧急或次级动力。由于RAT的一般构造和用途是公知的，因此没有必要进一步讨论。

图2是支柱驱动轴的透视图，并且图3是支柱驱动轴20沿图2的线3-3剖切的剖视图。驱动轴20的一部分在图3中切开以使得该图适合于纸面。

驱动轴20包括细长中部22以及两个端部24A和24B。驱动轴20可由不锈钢或其他合适材料制成。在所示实施例中，驱动轴20基本上沿着旋转轴线A对称。细长中部22可以基本上是圆柱形的。在一个实施例中，细长中部具有约6.99cm（2.75英寸）的外直径，壁厚约为2.108mm（0.083英寸）。在所示实施例中，细长中部22在轴向方向上基本上长于端部24A和24B二者。

端部24A和24B可构造成彼此相同，并且端部24A和24B的近侧部分可利用对接焊接头26结合到细长中部22的相对端，可使用电子束（EB）焊接技术来形成对接焊接头26。附接特征28（例如花键）被限定在端部24A和24B的远侧部分以允许与诸如传动系小齿轮和发电机16的其他部件接合。端部24A和24B的每一个包括多个周向间隔的腔30，所述腔30可布置成平行于轴线A。腔30构造成接收一个或多个平衡配重32（其中一个在图3中被示出从驱动轴20分解出来），所述一个或多个平衡配重32可插入适当的腔30以绕着旋转轴线A旋转地平衡支柱驱动轴20。平衡配重32可利用卡环34固定到端部24A和24B，卡环34构造成与周向延伸沟槽36接合，周向延伸沟槽36被限定在相应的端部24A和24B中，邻近于腔30且在腔30的径向外侧。常规的平衡设备可用于确定一个或多个平衡配重32的最优布置。端部24A和24B各自包括基本截头圆锥形区段38，其位于近侧部分处或附近，具有弯曲的母线（即，弯曲的圆锥形表面），使得远侧部分的外直径小于细长部分22的外直径。在一些实施例中，基本截头圆锥形区段38的弯曲母线具有由多个半径限定的复合曲率。沟槽36可形成在圆柱形部分40中，位于基本截头圆锥形区段的径向外侧。圆柱形部分40的至少一部分可轴向地悬于基本截头圆锥形部分38之上，圆柱形部分40的至少一部分位于圆柱形中部22附近，并且对接焊接头26的外直径可基本等于圆柱形中部22的外直径。另外，端部24A和24B的每一个可包括基本平的环形表面42，其限定在基本截头圆锥形区段38的附近和径向外侧。腔30可在基本平的环形表面42处对准。

在操作期间，RAT10经受各种力，包括扭矩、振动和弯曲。具体地，支柱驱动轴20必须能够传递合适的扭矩负载，并且涡轮驱动轴22的几何结构和尺寸特性必须允许其配合在支柱14中并与RAT10的其他部件接合。例如，支柱驱动轴20的总轴向长度在部件的设计中通常不是自由变量。而且，附接特征28的尺寸在径向方向受到支柱驱动轴20所必须接合的部件的约束。在操作期间，支柱驱动轴20上的典型力包括侧向弯曲（即，端到端的抛物线弯曲）以及穿过传动系18的扭矩脉动。扭矩脉动可源自RAT10的结构的结构性运动或弯曲。这进而促使支柱驱动轴20或传动系18的其他部件运动并且可导致扭矩传递随着时间而增大和减小。这还可导致相关联的传动装置界面处的一些移位（诸如震颤）。所期望的是避免让支柱驱动轴20的自然频率在RAT10的操作频率的范围内。

为了将支柱驱动轴的自然频率（共振）置于操作范围之外，支柱驱动轴的自然频率必须高于或低于操作范围。然而，设计的局限性排除了一些否则将是可行的选择。例如，发电机16的惯性相对大，这意味着增大支柱驱动轴20的扭共振将会使得支柱驱动轴20在径向方向不切实际地大。这仅仅留下降低支柱驱动轴20的扭共振这一种可能性，不过这样做也会以潜在地不期望的方式影响支柱驱动轴20的侧向自然频率。关于侧向自然频率（或临界速度），该参数必须高于操作速度范围充分的余量（例如，+/-25％），否则存在轴失效的风险。

本发明以独特的方式同时解决了这些竞争性难题。支柱驱动轴20的细长部分22提供相对高的侧向刚度，并且端部24A和24B提供相对低的扭转刚度，使得支柱驱动轴20的侧向自然频率高于支柱驱动轴22的操作范围且扭转自然频率低于支柱驱动轴22的操作范围。这样，端部24A和24B通过具有基本截头圆锥形部分38而就像总体支柱驱动轴20的“最弱的弹簧”部分，以提供相对低的总扭转刚度。同时，与细长中部22的相对长（例如，约60.96cm（24英寸））的轴向长度相比，端部24A和24B的相对短（例如，每个约10.681cm（4.205英寸））的轴向长度允许细长中部22在支柱驱动轴20的大部分轴向长度上提供相对大的外直径，由此提供相对高的总体侧向刚度。

在各种实施例中，支柱驱动轴20的各特征的关系可具有以下关系。中部20的外直径的范围可以是端部24A和24B的远侧部分处的外直径的3.77到3.88倍。中部20的长度的范围可以是每个端部24A和24B的长度的5.67-5.75倍。

本文使用的任何相对性术语或程度术语，例如“基本上”、“约”、“大约”、“实质上”、“通常”等，应当根据本文明示的任何可应用定义或限制来进行解释并且服从该可应用定义或限制。在所有情形中，本文使用的任何相对性术语或程度术语应当被解释为广泛地涵盖任何相关的公开实施例以及本领域普通技术人员在考虑了本公开的全部内容后将会理解的范围或变化，例如涵盖普通的制造公差变化等。

虽然已经参照（一个或多个）示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员将会理解，在不偏离本发明范围的情况下可作出各种变化并且可用等同物来替代其元件。另外，在不偏离本发明实质范围的情况下，可在本发明的教导下进行许多修改以适应具体情形或者材料。因此所意图的是，本发明不限于所公开的（一个或多个）具体实施例，而是本发明将会包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims

1.一种用于飞机冲压空气涡轮的驱动轴，所述驱动轴包括：

细长部分，其中，所述细长部分是基本圆柱形的；

从所述细长部分延伸的第一端部；和

从所述细长部分延伸且与所述第一端部相对的第二端部，其中，所述第一和第二端部各自包括基本截头圆锥形区段，所述基本截头圆锥形区段具有弯曲的母线，使得所述第一和第二端部的每一个的远侧部分的外直径小于所述细长部分的外直径，

其中，所述第一和第二端部中的至少一个进一步包括：

圆柱形部分，其位于所述基本截头圆锥形区段的径向外侧，其中，所述圆柱形部分的至少一部分轴向地悬于所述基本截头圆锥形部分之上，

其中，所述细长部分提供相对高的侧向刚度且所述第一和第二端部提供相对低的扭转刚度，使得所述驱动轴的侧向自然频率高于所述驱动轴的操作范围且所述驱动轴的扭转自然频率低于所述驱动轴的操作范围。

2.如权利要求1所述的驱动轴，其中，所述驱动轴的操作范围约为8000-12000RPM。

3.如权利要求1所述的驱动轴，其中，所述细长部分利用电子束焊接的对接接头固定到所述第一和第二端部的每一个。

4.如权利要求1所述的驱动轴，进一步包括：

形成在所述第一和第二端部的每一个的远侧部分处的花键。

5.如权利要求1所述的驱动轴，其中，所述第一和第二端部中的至少一个进一步包括：

多个周向间隔的腔，其构造成接收一个或多个平衡配重。

6.如权利要求5所述的驱动轴，进一步包括：

卡环，其构造成与周向延伸的沟槽接合，所述周向延伸的沟槽被限定成邻近于所述多个周向间隔的腔，在所述第一和第二端部中的所述至少一个中。

7.如权利要求6所述的驱动轴，其中，所述周向延伸的沟槽位于所述多个周向间隔的腔的径向外侧。

8.如权利要求1所述的驱动轴，其中，所述细长部分的长度是所述第一和第二端部的每一个的5.67-5.75倍。

9.如权利要求1所述的驱动轴，其中，所述第一和第二端部具有相同的构造，使得所述驱动轴是对称形状的。

10.如权利要求1所述的驱动轴，其中，所述第一和第二端部中的至少一个进一步包括：

基本平的环形表面，其限定在所述基本截头圆锥形区段的附近和径向外侧。

11.如权利要求10所述的驱动轴，其中，所述第一和第二端部中的所述至少一个进一步包括：

多个周向间隔的腔，其沿着所述基本平的环形表面定位并且构造成接收一个或多个平衡配重。

12.如权利要求1所述的驱动轴，其中，所述基本截头圆锥形区段的弯曲母线具有由多个半径限定的复合曲率。

13.如权利要求1所述的驱动轴，其中，所述细长部分的外直径的范围是所述第一和第二端部的每一个的远侧部分处的外直径的3.77到3.88倍。

14.一种用于飞机的冲压空气涡轮，所述冲压空气涡轮包括：

动力转换装置；

涡轮组件；

驱动轴，所述驱动轴机械地连接到在所述动力转换装置和所述涡轮之间延伸的传动系，所述驱动轴包括：

中部，其中，所述中部是基本圆柱形的；

从所述中部延伸的第一端部；和

从所述中部延伸且与所述第一端部相对的第二端部，其中，所述第一和第二端部具有相同的形状，其中，所述第一和第二端部各自包括基本截头圆锥形区段，所述基本截头圆锥形区段具有弯曲的圆锥形表面并构造成使得所述第一和第二端部的远侧部分的每一个的外直径小于所述中部的外直径，并且其中，所述第一和第二端部的每一个限定构造成接收一个或多个平衡配重的多个周向间隔的腔；和

形成在所述第一和第二端部的每一个的远侧部分处的匹配特征，

其中，所述驱动轴的中部的直径充分大以提供相对高的侧向刚度而所述驱动轴的第一和第二端部提供相对低的扭转刚度，使得所述驱动轴的侧向自然频率高于所述驱动轴的操作范围且所述驱动轴的扭转自然频率低于所述驱动轴的操作范围，

其中所述驱动轴的中部的长度是所述第一和第二端部的每一个的5.67-5.75倍，其中，所述中部的外直径的范围是所述第一和第二端部的每一个的远侧部分处的外直径的3.77到3.88倍。

15.如权利要求14所述的冲压空气涡轮，其中，所述驱动轴的操作范围约为8000-12000RPM。

16.如权利要求14所述的冲压空气涡轮，其中，所述中部利用电子束焊接的对接接头固定到所述第一和第二端部的每一个。

17.如权利要求14所述的冲压空气涡轮，其中，所述驱动轴的第一和第二端部中的至少一个进一步包括：

基本平的环形表面，其限定在所述基本截头圆锥形区段的附近和径向外侧；

多个周向间隔的腔，其沿着所述基本平的环形表面定位并且构造成接收一个或多个平衡配重；和

卡环，其构造成与周向延伸的沟槽接合，所述周向延伸的沟槽被限定成邻近于所述多个周向间隔的腔，在所述第一和第二端部中的所述至少一个中，其中，所述周向延伸的沟槽位于所述多个周向间隔的腔的径向外侧。

18.如权利要求14所述的冲压空气涡轮，其中，所述驱动轴的第一和第二端部中的至少一个进一步包括：

圆柱形部分，其位于所述基本截头圆锥形区段的径向外侧，其中，所述圆柱形部分的至少一部分轴向地悬于所述基本截头圆锥形部分之上。

19.一种制造用于冲压空气涡轮的驱动轴的方法，所述方法包括：

提供圆柱形构件，其具有充分大的直径以便所述驱动轴的侧向自然频率高于所述驱动轴的操作范围；

提供一对端件，其各自具有弯曲的锥体使得所述端件的远侧部分相比所述圆柱形构件具有更小的直径，使得所述驱动轴的侧向自然频率高于所述驱动轴的操作范围且所述驱动轴的扭转自然频率低于所述驱动轴的操作范围，使得所述圆柱形构件的外直径的范围是所述端件的每一个的远侧部分处的外直径的3.77到3.88倍；以及

利用电子束焊接将所述一对端件焊接到所述圆柱形构件的相对端。

20.一种在冲压空气涡轮中安装驱动轴的方法，所述方法包括：

提供驱动轴，所述驱动轴具有：基本圆柱形的中部；从所述中部延伸的第一端部；从所述中部延伸且与所述第一端部相对的第二端部，其中，所述第一和第二端部具有相同的形状，其中，所述第一和第二端部各自包括基本截头圆锥形区段，所述基本截头圆锥形区段具有弯曲的圆锥形表面并构造成使得所述第一和第二端部的远侧部分的每一个的外直径小于所述中部的外直径，并且其中，所述第一和第二端部的每一个限定构造成接收一个或多个平衡配重的多个周向间隔的腔；和形成在所述第一和第二端部的每一个的远侧部分处的匹配特征，其中，所述驱动轴的中部的直径充分大以提供相对高的侧向刚度而所述驱动轴的第一和第二端部提供相对低的扭转刚度，使得所述驱动轴的侧向自然频率高于所述驱动轴的操作范围且所述驱动轴的扭转自然频率低于所述驱动轴的操作范围，其中，所述第一和第二端部中的至少一个进一步包括：圆柱形部分，其位于所述基本截头圆锥形区段的径向外侧，其中，所述圆柱形部分的至少一部分轴向地悬于所述基本截头圆锥形部分之上；

将所述驱动轴至少部分地定位在支柱中；以及

将所述驱动轴操作性地接合在传动系中，所述传动系在涡轮和动力转换装置之间延伸。