CN104246311A - 齿轮箱以及齿轮箱载体的支撑设备 - Google Patents

齿轮箱以及齿轮箱载体的支撑设备 Download PDF

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Abstract

一种齿轮箱支撑设备，所述设备包括：齿轮箱载体(16)，所述齿轮箱载体具有中心轴，所述载体(16)被配置成将一个或多个旋转齿轮(12、18、22)安装在其中，所述载体(16)包括隔开的前壁和后壁(26、28)；以及柔性中心板结构(58)，其设置在所述前壁与后壁(26、28)之间；环形支撑环(60)，其轴向设置在邻近所述载体(16)处；以及多个轴向延伸的扭矩指形件(68)，其将所述支撑环(60)与所述中心板结构(58)互连。

Description

齿轮箱以及齿轮箱载体的支撑设备
背景技术
本发明总体上涉及一种行星齿轮箱，具体来说，涉及一种行星齿轮箱的载体(carrier)支撑设备和轴承。
行星齿轮箱常在飞机发动机中用于传输动力，例如，以驱动动力涡轮机的推进器或风扇。飞机应用的齿轮箱必须轻质量、能够传输高扭矩载荷并且高度可靠。从技术角度来看，齿轮箱的系统级可靠性是最大的挑战。
在运行中，齿轮箱中的行星齿轮会将高载荷传输到载体中，导致齿轮箱的轴承和齿轮偏移和错位。为了延长商业寿命，必须最大限度地减小这些偏转和错位。
众所周知，使用球面轴承将齿轮箱载体支撑在中心，以在载体中的轴向中点转移载荷。这能够使将齿轮箱载体连接到相邻结构的扭矩指形件与弯曲力矩隔开。但是，具有运动零件的工作球形接头需要承受磨损和松弛，并且它们的存在将导致齿轮箱复杂性提高。
此外，由于齿轮箱中的轴承数，使用传统钢轴承(例如，M50钢合金或类似材料)将缩短系统级寿命。
众所周知，陶瓷滚动元件能够提供比钢滚子更长的寿命，但是，它们以球形或球形滚子轴承的形式使用，这样不具轴向柔性(compliant)，因此不适用于一些螺旋形齿轮构造。
因此，需要一种具有耐久、柔性载体安装构造的齿轮箱以及耐久、轴向柔性的轴承构造的齿轮箱。
发明内容
本发明解决了这一需要，其提供了一种行星齿轮箱，所述行星齿轮箱具有载体，所述载体通过板连接到相邻结构，所述板足够柔韧，以将扭矩作为应变能量吸收。本发明还提供了一种行星齿轮箱，所述行星齿轮箱具有行星齿轮，所述行星齿轮具有人字形或双螺旋齿轮图案。所述行星齿轮安装成通过串联的圆柱形滚子轴承旋转，所述滚子轴承由陶瓷材料制成。
根据本发明的一方面，一种用于支撑齿轮箱的设备，包括：齿轮箱载体，所述齿轮箱载体具有中心轴，所述载体被配置成将一个或多个旋转齿轮安装在其中，所述载体包括隔开的前壁和后壁；以及柔性中心板结构，其设置在所述前壁与后壁之间；环形支撑环，其轴向设置在邻近所述载体处；以及多个轴向延伸的扭矩指形件，其将所述支撑环与所述中心板互连。
根据本发明的另一方面，提供了一种齿轮箱载体，所述齿轮箱载体具有中心轴，所述载体被配置成将一个或多个旋转齿轮安装在其中。所述载体包括：隔开的前壁和后壁，所述前壁和后壁具有共轴的相应前孔和后孔；销，所述销具有前端和后端，所述前端和后端分别接纳在所述前孔和后孔中，所述销固定以防止相对于所述载体轴向运动；内座圈(race)，所述内座圈安装在所述销上位于所述前端与后端之间处，所述内座圈包括凸起导向装置，其界定环形滚道，所述内座圈固定以防止相对于所述载体轴向运动；多个大体呈圆柱形的滚子，所述滚子由陶瓷材料制成，设置在所述滚道中；以及行星齿轮，所述行星齿轮安装成围绕所述销旋转，以使所述行星齿轮的圆柱形内表面界定围绕所述滚子的外座圈。
附图说明
结合附图阅读以下说明可以更好地理解本发明，在附图中：
图1是根据本发明一个方面构造的行星齿轮箱的截面图；
图2是图1中所示的齿轮箱的轴承滚子的侧视图；
图3是图1中的齿轮箱的载体的一部分的局部截面图；
图4是沿图3中的线4-4截取的视图；以及
图5是图1中的齿轮箱的一部分的局部截面透视图。
具体实施方式
参考附图，其中相同参考编号表示贯穿各个附图的相同元件，图1示出了根据本发明一个方面构造的齿轮箱10。齿轮箱10是行星式齿轮箱并且具有中心轴“A”。齿轮箱10包括位于中心的太阳齿轮12。太阳齿轮12具有双螺旋或“人字形”图案的齿轮齿14。载体16围绕太阳齿轮12，并承载环形阵列的行星齿轮18。图示的实例中有四个行星齿轮18，但是也可以使用不同数量的行星齿轮18。每个行星齿轮18具有人字形图案的齿轮齿20。环形齿轮22围绕行星齿轮18，并且还拥有人字形图案的齿轮齿24。太阳齿轮12、行星齿轮18和环形齿轮22一起构成齿轮系。每个行星齿轮18均同时与太阳齿轮12和环形齿轮22啮合。太阳齿轮12、行星齿轮18和环形齿轮22可以由钢合金制成。在运行中，太阳齿轮12通过输入端(例如，未图示的转子轴)转动，而环形齿轮22连接到机械载荷(例如，未图示的风扇)。齿轮箱10有效地将太阳齿轮12的旋转速度减小到适用于以已知方式与环形齿轮22相连的载荷的旋转速度。
由于每个齿轮啮合(太阳与行星以及行星与环形)拥有双螺旋或“人字形”齿轮齿轮廓，因此太阳齿轮12与行星齿轮18之间，或者行星齿轮18与环形齿轮22之间没有平行于轴A的相对运动，换言之，这些元件之间没有轴向应变(compliance)性能。
因此，行星齿轮18经过选择并且安装成提供载体16与行星齿轮18之间的轴向应变性能。
基于所有行星齿轮18均以相同方式安装的理解，下文将描述一个行星齿轮18的安装。载体16包括前壁26和后壁28，所述前壁和后壁分别具有共轴的孔30和32。销34接纳在孔30和32中。销34中空、大致呈圆柱形并且具有前端和后端。前端包括带螺纹的直径缩小表面36，而后端包括径向向外延伸的环形法兰38。护圈40(在本实例中为螺纹防松螺母)与直径缩小的前端表面36接合，以将销34固定在防止向后轴向运动的适当位置中。销34拥有形成于其中的多个传动导孔(feed holes)42。在运行中，将油输送到中空销34的内部，穿过传动导孔进入内座圈44中，从而提供冷却和润滑。滚子轴承52设置在内座圈44与行星齿轮18的内表面之间。
在图示的实例中，内座圈44是单个一体式部件，其中包含多对凸起导向装置46，所述凸起导向装置界定环形前滚道48和后滚道50。销34的法兰38抵靠着内座圈44，所述内座圈抵靠着载体16的前壁26的内表面。这能够固定销24以防止向前轴向运动。使用单个内座圈能够实现滚子组之间的良好同心度，但是也可以使用两个单独的内座圈。内座圈44经过大小设置，以便其无法相对于载体16轴向移动。
通道48、50在两个串联环中接纳滚子52。滚子52包括公知成分的陶瓷材料，例如氮化硅(Si3Ni4)。滚子52被配置成圆柱形滚子。如图2中所示，在侧视图中，滚子52呈桶状并且具有最大直径的中央齿冠53，端部55沿凸曲线向较小直径逐渐变细(为清楚图示，图2中对形状进行了放大)。根据公知惯例仔细地选择齿冠53和端部55的形状和尺寸可最大限度地延长滚子52的寿命。
重新参见图1，行星齿轮18的圆柱形内表面界定滚子52的外座圈58。在运行中，滚子52能相对于外座圈58轴向滑动，因而允许载体16相对于行星齿轮18进行有限的轴向运动。这提供了载体16中的耐受性和热层叠。
载体16也以特定方式支撑，以免齿轮箱10中的齿轮和轴承在运行期间发生错位，如图3到图5中所示。
载体16的前壁26和后壁28通过轴向延伸的侧壁54互连(见图3)。多对侧壁54设置在每个行星齿轮18的相对横向侧上。前壁26、后壁28和侧壁54一起界定载体16的多个凸角或臂56，它们之间留有空间。每个行星齿轮18包封在一个凸角56中。载体16还包括中心板结构，所述中心板结构作为其结构的整体部分。如图3和图4所示，中心板结构分割为多个独立的中心板58。每个中心板58采取圆盘的弧形部分的形式，并且基本上位于径向平面(即，与前壁26和后壁28平行)中。每个中心板58横跨一对凸角56之间的空间，连接到相邻的侧壁54。在图示的实例中，中心板58位于前壁26与后壁28之间的中点附近。中心板58的轴向位置可以调整，以适用于特定应用。具体来说，通过仔细地设置中心板58的轴向位置，可以控制载体16中的错位。
环形支撑环60(见图1)轴向设置在后壁28附近。支撑环60设有诸如螺栓孔(未图示)等装置，用于将其固定到扭矩环结构(未图示)。多个扭矩指形件68轴向延伸在支撑环60与中心板结构之间。为每个中心板58提供了一个扭矩指形件68。扭矩指形件68在功能上与中心板58和支撑环60一体成形。它可以视作中心板58和支撑环60的整体部件(即，单片)的部分，或者它可以是组装到中心板58和支撑环60的单独部件。可以使用诸如铁基合金、镍基合金或钛基合金等适当的金属合金来构造中心板结构以及周围结构。扭矩指形件68具有位于其后端70(图1)的第一截面区域，并且向位于其前端72(图4)的较小截面区域逐渐变细。其在切向中的截面宽度通常大于其在径向中的截面厚度。前端72和后端70通过凹曲线的圆角平缓地向中心板58和支撑环60中逐渐变细。
在运行中，行星齿轮18将较大切向力转移到载体16中，导致载体16趋于相对于支撑环60旋转(参见图4中用箭头“R”标出的相对方向)。这将导致扭矩指形件68在切向中弹性弯曲(如箭头“B”所示)。中心板58将偏转(箭头“D”)，以适应扭矩指形件68的弯曲。它们的效果是将扭矩作为应变能量吸收，同时将扭矩指形件68的运动与载体16分离。这能够避免载体16扭曲，导致轴承错位并且轴承运行间隙改变。中心板58的大小和形状经过设置，以使它们中的应力将维持在预期运行载荷的弹性范围内。
本说明书中所述的齿轮箱支撑设备具有相对于现有技术的多个优点。与现有技术齿轮箱相比，它消除了多个单独的零件。不需要对接头进行润滑。通过这种设备提供的低错位，能够使用嵌入燃气涡轮发动机中的齿轮箱。具体来说，低错位使齿轮和轴承寿命满足系统级别要求。
此外，使用陶瓷圆柱形滚动元件使行星齿轮18在轴向中拥有一定自由度，从而简化了设计。与钢滚子相比，陶瓷滚动元件预期能够提供至少两倍的寿命，以便齿轮箱10满足可靠性目标。作为额外的优点，陶瓷滚动元件还提供了卓越的排油性能、低油流要求、低生热(low heat generation)以及轻质量设计。在商业上，该设计将拥有较长寿命，从而最大限度地降低产品寿命中的更换成本。
上文描述了一种齿轮箱载体支撑设备、齿轮箱及其轴承布置。虽然已描述了本发明的特定实施例，但所属领域技术人员应清楚，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以作出对本发明的各种修改。因此，以上对本发明优选实施例和用于实践本发明最佳模式的说明仅用于说明而非限制。

Claims (15)

1.一种用于支撑齿轮箱的设备，所述设备包括：
齿轮箱载体(16)，所述齿轮箱载体具有中心轴，所述载体(16)被配置成将一个或多个旋转齿轮(12、18、22)安装在其中，所述载体(16)包括隔开的前壁和后壁(26、28)，以及柔性中心板结构(58)，所述柔性中心板结构设置在所述前壁与后壁(26、28)之间；
环形支撑环(60)，所述环形支撑环轴向设置在邻近所述载体(16)处；以及
多个轴向延伸的扭矩指形件(68)，所述扭矩指形件将所述支撑环(60)与所述中心板结构(58)互连。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述中心板结构(58)沿轴向设置在所述前壁与后壁(26、28)之间的中点附近。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述载体(16)包括至少一个侧壁(54)，所述侧壁将所述前壁与后壁(26、28)互连。
4.根据权利要求3所述的设备，其中多个侧壁(54)布置成围绕所述中心轴隔开的多对侧壁的阵列，从而界定所述载体(16)的多个凸角(56)。
5.根据权利要求4所述的设备，其中多个空间界定在所述载体(16)的所述凸角(56)之间，并且所述中心板结构(58)包括多个中心板(58)，每个独立的中心板(58)设置在一个所述空间中并且延伸在相邻的所述侧壁(54)之间。
6.根据权利要求1所述的设备，其中每个扭矩指形件(68)具有位于其后端(70)的第一截面区域，并且向位于其前端(72)的、小于所述第一截面区域的第二截面区域逐渐变细。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述扭矩指形件(68)在切向中的截面宽度大于所述扭矩指形件(68)在径向中的截面厚度。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述支撑环(60)、所述中心板(58)和所述扭矩指形件(68)是整体部件的一部分。
9.一种齿轮箱，所述齿轮箱包括：
权利要求1所述的设备；以及
支撑在所述载体(16)内的齿轮系(12、18、22)。
10.根据权利要求9所述的齿轮箱，其中所述齿轮系(12、18、22)包括至少一个齿轮(18)，所述齿轮受到支撑以由轴承加以旋转，所述轴承包括多个大体呈圆柱形的滚子(52)，所述滚子由陶瓷材料制成。
11.根据权利要求10所述的齿轮箱，其中所述滚子(52)呈桶状，具有最大直径的中央齿冠(53)，以及从所述中央齿冠(53)向较小直径逐渐变细的端部(55)。
12.一种具有中心轴的齿轮箱载体(16)，所述载体(16)被配置成将一个或多个旋转齿轮(12、18、22)安装在其中，所述载体(16)包括：
隔开的前壁和后壁(26、28)，所述前壁和后壁具有共轴的相应前孔和后孔(30、32)；
销(34)，所述销具有前端和后端，所述前端和后端分别接纳在所述前孔和后孔(30、32)中，所述销(34)固定以免相对于所述载体(16)轴向运动，
内座圈(44)，所述内座圈安装在所述销(34)上位于所述前端与所述后端之间处，所述内座圈(44)包括凸起导向装置(46)，所述凸起导向装置界定环形滚道(48、50)，所述内座圈(44)固定以免相对于所述载体(16)轴向运动；以及
多个大体呈圆柱形的滚子(52)，所述滚子由陶瓷材料制成，设置在所述滚道(48、50)中；以及
行星齿轮(18)，所述行星齿轮安装成围绕所述销(34)旋转，以使所述行星齿轮(18)的圆柱形内表面界定围绕所述滚子(52)的外座圈。
13.根据权利要求12所述的齿轮箱载体(16)，其中：
所述销(34)的所述后端包括径向向外延伸的环形法兰(38)，所述环形法兰抵靠着所述内座圈(44)，从而防止所述销(34)相对于所述载体(16)轴向向前运动；并且
所述销(34)的所述前端连接到护圈(40)，所述护圈抵靠着所述载体(16)的所述前壁(26)，从而防止所述销(34)相对于所述载体(16)轴向向后运动。
14.根据权利要求12所述的齿轮箱载体(16)，其中所述陶瓷材料是氮化硅。
15.根据权利要求12所述的齿轮箱载体(16)，其中所述滚子(52)呈桶状，具有最大直径的中央齿冠(53)，以及从所述中央齿冠(53)向较小直径逐渐变细的端部(55)。
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