CN103782064A - 利用黏弹性补片减振的小齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种齿轮（26），该齿轮（26）沿轴向和径向延伸，所述齿轮（26）包括支撑轴向环形轮缘（34）的轮盘（30），所述轮缘（34）带有轮齿（40）。本发明的特征在于，所述轮盘（（30）设置有减振装置（42），该减振装置（42）由黏弹性材料层（44）和衬底层（46）构成，所述黏弹性材料层（44）沿轴向布置在所述轮盘（30）和所述衬底层（46）之间，并且所述黏弹性材料层（44）直接固定于所述轮盘（30）。

Description

利用黏弹性补片减振的小齿轮

背景技术

本发明涉及齿轮的技术领域，尤其是，但不仅仅涉及涡轮发动机的减速齿轮箱中的齿轮。本发明更具体地涉及可能出现在齿轮中的减振问题，尤其是出现在涡轮发动机的减速齿轮或增速齿轮中的减振问题。

已知在高速驱动旋转的齿轮中容易出现的振动能够对那些齿轮造成损害。这就是为什么需要缓冲这种振动。

为此，已知地，尤其利用开口环形金属环，该开口环形金属环位于带有轮齿的轮缘下方。通常，金属环容纳于形成在轮缘的内圆周表面的环形槽中，与齿轮的旋转轴线同轴。

虽然上述方法能够极大地减小振动，然而，它存在潜在的导致环磨损并且导致油路中不理想的金属锉削（metal filings）外观的缺陷。

另一方法为使齿轮的形状适应于振动状态，该方法的缺陷在于增加齿轮的重量。

其它方法为使用包括黏弹性材料的减振装置。FR2664667和GB2463649特别描述了这种方法。

考虑到黏弹性材料沿齿轮的旋转轴线的方向牢固地固定在由钢制成的支撑件和应力元件之间。减振装置通过支撑件固定于齿轮，支撑件在径向应力的作用下容纳于形成在轮缘中的环形槽内。所述减振装置阻尼剪切（damping in shear）。这种装置的缺点在于支撑件和齿轮的轮缘之间的金属对金属的摩擦更容易引起磨损和金属锉削（metal filings）。

发明目的和发明内容

本发明的目的在于提供一种齿轮，该齿轮包括改进的减振装置。

因此，本发明涉及一种齿轮，该齿轮沿轴向和径向延伸，所述齿轮包括支撑轴向环形轮缘的径向腹板（radial web），所述轮缘带有轮齿，所述腹板设置有减振装置，该减振装置由黏弹性材料层和衬底层构成，所述黏弹性材料层沿轴向布置在所述径向腹板和所述衬底层之间，所述黏弹性材料层直接固定于所述腹板。

可以理解的是，腹板可以垂直于齿轮的旋转轴线延伸，或者腹板可以相对于齿轮的旋转轴线形成小于90°的夹角。通常，腹板相对于齿轮的旋转轴线形成的夹角在45°和90°的范围内。优选地，腹板相对于齿轮的旋转轴线形成的夹角在65°和90°的范围内。当然，为了测量该夹角，通常测量腹板和齿轮的旋转轴线之间形成的最小夹角。以下，术语“径向长度”和“轴向厚度”分别用于指代沿大体径向的方向（即，相对于径向的夹角在0°至45°的范围内）平行于所述元件（例如，腹板或减振装置）测量出的长度、以及沿大体轴向的方向（即，相对于轴向的夹角在0°至45°的范围内）垂直于所述元件测量出的厚度。

减振装置仅由两层构成，即，黏弹性材料层和衬底层（或刚性材料层）。此外，黏弹性材料层直接固定于腹板，这意味着不同于以上描述的现有技术，齿轮和黏弹性材料层之间没有支撑件。

本发明的另一优势在于，无需在齿轮中设置环形槽。因此，本发明的齿轮没有接收减振装置的环形槽。具体地，这种槽的缺点在于，其导致在需要满足特定尺寸要求的区域中的形状不连续性以及应力集中，并且为了保证部件的机械强度，这可能需要显著地增加厚度。根据本发明，减振装置直接固定于齿轮的腹板。这样能够避免形状突然地改变，并且能够根据重量显著地提高齿轮的尺寸。

本发明的另一优势在于，减振装置仅具有两层。具体地，层数越多，越难控制减振，并且越难进行减振装置的再生产。

此外，由于黏弹性材料层和齿轮之间不存在支撑件，因此本发明的减振装置不会被支撑件的特性所干扰。

发明人惊奇地发现，将本发明的减振装置设置在腹板上能够获得满意的减振水平，即，至少等于现有技术中将减振装置放置在轮缘上获得的减振水平。通过将减振装置放置在腹板上，本发明的减振装置能够，尤其是，但不仅限于缓冲腹板的振动模式和/或腹板和轮缘的组合振动模式。

此外，本发明能够通过压缩获得减振，而在现有技术中减振是通过剪切获得的。对于给定的振幅、模式的独立性和考虑之中的部件（轮缘和腹板）的独立性，发明人惊奇地发现通过本发明的减振装置获得的压缩减振（compression damping）与现有技术的剪切减振（shear damping）同样有效。

腹板的振动模式（vibration modes）、或者腹板和轮缘的组合振动模式导致腹板沿大体轴向的方向变形。因此，直接固定在腹板上的减振装置由腹板沿该大体轴线的方向驱动。因此，由于黏弹性材料层和衬底层沿垂直于腹板的方向连续地布置并且大体平行于腹板变形的方向，衬底层通过它的惯性向黏弹性材料层施加与腹板的变形运动相反的拉伸/压缩力。从而平衡和减弱腹板（更通常为齿轮）的轴向振动。当然，齿轮的旋转轴线大体水平地（相对于重力方向）布置时，减振装置的减振作用同样可以具有剪切分量，尤其因为衬底层的质量（mass）。然而，通过减振装置对于齿轮的震动模式的反作用力的轴向分量（即，压缩分量），对于多数部件进行减振。

因此，与现有技术的齿轮相比，通过本发明能够减小齿轮的多个元件的厚度，尤其是腹板的轴向厚度，从而能够减轻齿轮的重量。此外，由于腹板的厚度比现有技术的齿轮更小（因此腹板更轻），因此无需为了减小腹板的重量，而对腹板进行打孔，而这些孔通常会引起不平衡并且减小所述腹板的刚性和机械强度。

有利地，减振装置为环状。减振装置可以为连续的环的形式、或者为开口环的形式、或者甚至为具有多个节段的环的形式。

此外，优选地，衬底层的径向长度不小于黏弹性材料层的径向长度，以使衬底层能够径向地覆盖黏弹性材料，从而保护黏弹性材料。然而，衬底层的长度也可以小于黏弹性材料的长度。例如，对于径向长度为35mm的径向腹板，减振装置的径向长度可以在5毫米（mm）至15mm的范围内。

优选地，黏弹性材料层的轴向厚度在0.1mm至3mm的范围内。当然，黏弹性材料层的厚度可以适应于减振的频率。同样优选地，衬底层的轴向长度在0.5mm至2mm的范围内。进一步优选地，衬底层的轴向长度大约为1mm。

作为形成衬底层的材料，优选地，选择刚性大于黏弹性层的材料。对于衬底层，尤其可以选择金属材料（例如钢）或诸如复合材料的其它刚性材料，或者甚至是塑料。黏弹性材料优选地为弹性体（elastomer）。

优选地，齿轮包括轮毂，减振装置布置为距离轮缘比距离轮毂更近。因此，减振装置布置在腹板的变形最大的位置，从而提高减振装置的反作用力，尤其是对腹板的轴向振动的反作用力。从而提高齿轮，尤其是腹板或包括腹板和轮缘的组件，中的减振。

优选地，径向腹板大体为截头圆锥形，减振装置放置在截头圆锥形的内侧。

可以理解的是，当腹板相对于齿轮的旋转轴线形成小于90°的夹角时，腹板呈大体截头圆锥体的形状（即，截头圆锥形）。因此，呈“大体截头圆锥形”的腹板是一种环状的至少一部分区域相对于齿轮的旋转轴线倾斜的腹板，这种倾斜的环状可以具有轴向部分（位于包含大体截头圆锥形的轴线的平面中的部分），该轴向部分为凹形（碗状）、凸形（喇叭钟状）、或直线形（截头圆锥状）、或者在这些形状之间的形状。通过将振动装置放置在由腹板形成的截头圆锥体的内侧，尤其是因为齿轮旋转的离心力，提高了压缩缓冲的效果。

当然，在变型方式中，齿轮包括至少两个减振装置。这两个减振装置布置在腹板的同一侧，或者它们可以布置在腹板的相反侧（即布置在腹板的两侧）。在其它变型方式中，齿轮具有一个或多个固定于腹板的减振装置，以及一个或多个固定于轮缘（尤其是轮缘的轴向边缘表面）的减振装置。

在本发明的优选实施方式中，齿轮为小齿轮（pinion），例如涡轮发动机的输出减速齿轮或中间减速齿轮。

本发明还提供一种涡轮发动机（例如直升机涡轮发动机），包括本发明的齿轮，并且所述齿轮为减速小齿轮。

本发明还提供一种制造本发明的齿轮的方法，所述方法包括在径向腹板上硫化（vulcanizing）黏弹性材料层的步骤。

优选地，提供齿轮（最初没有减振装置），提供由黏弹性材料层和衬底层构成的减振装置，这两个层事先被牢固地彼此固定，并且在径向腹板的表面上硫化黏弹性材料，以将减振装置结合至齿轮。

在变型方式中，制造方法也可以包括将黏弹性材料同时硫化至衬底层和齿轮的腹板的表面。

在其它变型方式中，制造齿轮的方法包括在径向腹板上粘结黏弹性材料层的步骤。因此，黏弹性材料层和腹板之间存在粘膜。

附图说明

通过参考附图并且阅读以非限制性的实施例的方式给出的本发明的实施方式的以下说明，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1显示包括本发明的齿轮的直升机涡轮发动机；

图2是本发明的包括减振装置的齿轮的轴向剖视图；

图3是图2的显示减振装置的细节图；以及

图4是图2的齿轮的不完整的立体图。

具体实施方式

图1显示涡轮发动机10，特别是直升机涡轮发动机。通常，该涡轮发动机10包括气体发生器12和由离开燃烧室16的燃烧气流驱动转动的自由涡轮14。自由涡轮14具有连接至轴20的一端的涡轮叶轮18。轴20的另一端具有与中间小齿轮24啮合的第一级小齿轮22。由第一级小齿轮22沿轴线A驱动转动的中间齿轮24与根据本发明的输出小齿轮26啮合。中间齿轮24和输出齿轮26为涡轮发动机10的减速齿轮27的齿轮形成部。由中间齿轮24沿轴线B驱动转动的输出齿轮26连接至输出轴28，该输出轴28用于连接至直升机（此处未示出）的主变速箱。

当然，本发明能够适用于其它类型的发动机和涡轮发动机，例如，适用于与涡轮关联的涡轮发动机。

当涡轮发动机运行时，中间齿轮24和输出齿轮26承受振动。如上所述，本发明的目的在于减缓这种振动。

在这种实施例中，输出齿轮26为根据本发明的齿轮。在不超出本发明的范围的情况下，中间齿轮24也可以为本发明的齿轮。换句话说，本发明可以适用于中间齿轮24和/或输出齿轮26.

参考图2，以下详细描述根据本发明的输出齿轮26。

如该轴向剖视图所示，输出齿轮26通常包括在轮毂32和环形轮缘34之间径向延伸的径向腹板30，腹板30相对于齿轮26的旋转轴线B形成小于90°的夹角α。在这种实施例中，α=70°。

环形轮缘34具有第一圆周表面（即外圆周表面36）、第二圆周表面（即内圆周表面38）。内圆周表面和外圆周表面以环形的方式围绕轴线B延伸。参考图4，可以看出外圆周表面36带有轮齿40。

径向腹板30为截头圆锥形状，并且截头圆锥的内侧具有内截头圆锥表面30a，截头圆锥的外侧具有外截头圆锥表面30b。

根据本发明，内截头圆锥表面30a设置有减振装置42，该减振装置42由黏弹性材料层44和衬底层46构成。换句话说，减振装置42仅具有两层。同样根据本发明，黏弹性材料层44轴向（即沿由轴线B限定的方向）布置在腹板30（更具体地，腹板30的内截头圆锥表面30a）和衬底层46之间。因此，还可以理解的是，在这种非限制性实施例中，黏弹性材料层同时固定于内截头圆锥表面30a和衬底层46。

如图3所示，根据本发明，黏弹性材料层44直接固定于腹板30的内截头圆锥表面30a，即，黏弹性材料层44和腹板30之间没有连接件。此外，齿轮26（更具体地，腹板30）没有环形槽。

为了制造本发明的输出齿轮26，通过粘合剂或者通过在径向腹板30的内截头圆锥表面30a上硫化黏弹性材料层44，完成将减振装置42附着到径向腹板30上的步骤，特别地，输出齿轮26由金属制成。

因此，当减振装置42粘结至腹板30时，可以理解的是，黏弹性材料层44和腹板30的内截头圆锥表面30a之间可以存在粘膜。

此外，衬底层46可以黏附地粘结或硫化至黏弹性材料层44。

黏弹性材料层44硫化至腹板30的内截头圆锥表面30a。

参考图4，可以看出，减振装置42具有环形形状，减振装置42几乎在径向腹板30的内截头圆锥表面30a的整个环形带上延伸。优选地，减振装置42为具有开口，即，减振装置42优选地具有延伸穿过减振装置42的整个轴向厚度和整个径向厚度的槽48。一个优势在于提高衬底层46的适应齿轮的形状和变形的能力，从而提高振动的吸收。

从图3可以看出，衬底层46具有径向长度l，该径向长度l大致等于黏弹性材料层44的长度。衬底层46的径向长度l可以稍大于黏弹性材料层44的径向长度。为了限制与周围环境相互影响并且限制来自周围环境的破坏（运输、操作、接触流体等），衬底层46沿径向覆盖黏弹性材料层44以保护黏弹性材料层44。

在这种实施例中，减振装置42沿径向布置为距离环形轮缘34比距离轮毂32更近。然而，尤其为了缓冲腹板30的特定变形模式，减振装置可以沿径向布置在其它区域。

作为非限制性的实施例，黏弹性层44的轴向厚度e1在0.5mm至3mm的范围内，而衬底层46的轴线厚度e2在0.5mm至2mm的范围内。厚度可以选择作为齿轮26的尺寸的函数、减振频率的函数、以及选择用于上述两个层的组成材料的函数。在这种实施例中，黏弹性材料为腈型弹性材料，而衬底层由钢制成，可以理解的是，可以任意选择其它材料，例如金属、复合材料或者甚至是塑料。

减振装置42的径向长度l（在这种实施例中等于黏弹性材料层和衬底层的径向长度）在5mm至15mm的范围内，并且显著大于其厚度。

黏弹性材料层44以压缩状态工作。因此能够通过频率在大约5千赫兹（kHz）至30kHz的范围内的振动的压缩实现减振。减振使得能够显著地降低输出齿轮26的重量，尤其通过减小轮缘的厚度、腹板的厚度、和/或轮毂的厚度来实现。对于输出齿轮26，重量大约减轻20%。中间齿轮24能够获得同样的效果。

Claims (9)

1.一种齿轮（26），该齿轮（26）沿轴向和径向延伸，所述齿轮（26）包括支撑轴向环形轮缘（34）的径向腹板（30），所述轮缘（34）带有轮齿（40），其中，所述腹板（30）设置有减振装置（42），该减振装置（42）由黏弹性材料层（44）和衬底层（46）构成，所述黏弹性材料层（44）沿轴向布置在所述径向腹板（30）和所述衬底层（46）之间，并且所述黏弹性材料层（44）直接固定于所述腹板（30），其特征在于，所述径向腹板（30）大体为截头圆锥形，所述减振装置（42）位于该截头圆锥形的内侧。

2.根据权利要求1所述的齿轮，其特征在于，所述减振装置（42）为环形，该环为连续的环、或者为开口环、或者为具有多个节段的环。

3.根据权利要求1或2所述的齿轮，其特征在于，所述衬底层（46）的径向长度至少等于所述黏弹性材料层（44）的长度。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的齿轮，其特征在于，所述黏弹性材料层（44）的轴向厚度（e1）在0.1mm至3mm的范围内。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的齿轮，其特征在于，所述衬底层（46）的轴向厚度（e2）在0.5mm至2mm的范围内。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的齿轮，其特征在于，所述齿轮包括轮毂（32），所述减振装置（42）布置为距离所述环形轮缘（34）比距离所述轮毂（32）更近。

7.一种包括根据权利要求1至6中任一项所述的齿轮的涡轮发动机（10），所述齿轮为小齿轮（26）。

8.一种制造根据权利要求1至6中任一项所述的齿轮的方法，其特征在于，该方法包括在所述径向腹板（30）上硫化黏弹性材料层（44）的步骤。

9.一种制造根据权利要求1至6中任一项所述的齿轮的方法，其特征在于，该方法包括在所述径向腹板（30）上黏附地结合黏弹性材料层（44）的步骤。

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