CN107061475A - 调谐式冲压空气涡轮传动轴 - Google Patents

Abstract

一种用于飞机冲压空气涡轮的传动轴，所述传动轴包括圆柱体，所述圆柱体具有外表面、内表面、纵轴线、第一末端区段、与所述第一末端区段相反的第二末端区段、以及连接所述第一末端区段和所述第二末端区段的细长中间区段。所述细长中间区段的所述外表面包括至少三个分开的凹槽，所述三个分开的凹槽在邻近所述第一末端区段的位置处开始并且平行于所述纵轴线跨所述外表面延伸到邻近所述第二末端区段的位置，所述凹槽围绕所述外表面的圆周等距离地分开。所述凹槽提供高的横向弯曲刚度和低的扭转刚度，以使得传动系以低于操作范围频率的频率操作，并且所述传动轴以高于操作速度的临界速度操作。

Description

调谐式冲压空气涡轮传动轴

背景技术

本发明的实施方案总体涉及传动轴，并且更具体地说，涉及用于冲压空气涡轮(RAT)中的传动轴。

RAT通常用于现代飞机上，以在主电源不足或发生故障时提供辅助或紧急电源。典型的RAT包括在被需要之前保持在飞机内部的涡轮。当需要额外的电力时，飞机机身中的门将打开，从而将RAT的涡轮展开到自由流空气中。自由流空气使涡轮旋转，并且来自涡轮的旋转扭矩通过传动系传递，以便通过发电机转换成电力。RAT还可用来驱动液压泵。在被展开时，RAT涡轮的旋转产生离心负荷，从而导致涡轮、传动系和发电机的扭转共振、振动和弯曲问题。

发明内容

一种用于飞机冲压空气涡轮的传动轴，所述传动轴包括圆柱体，所述圆柱体具有外表面、内表面、纵轴线、第一末端区段、与第一末端区段相反的第二末端区段、以及连接第一末端区段和第二末端区段的细长中间区段。细长中间区段的外表面包括至少三个分开的凹槽，所述三个分开的凹槽在邻近第一末端区段的位置处开始并且平行于纵轴线跨外表面延伸到邻近第二末端区段的位置，所述凹槽围绕外表面的圆周等距离地分开。凹槽提供高的横向弯曲刚度和低的扭转刚度，以使得传动系展现出低于操作范围频率的扭转自然频率和高于操作速度的传动轴临界速度。

附图说明

在本说明书的结论处的权利要求书中具体指出并明确要求保护被认为是本发明的主题。本发明的前述和其他特征以及优点从结合附图进行的以下详细描述中显而易见，在附图中：

图1是根据本发明的实施方案的具有用于冲压空气涡轮(RAT)组件的传动轴的飞机的透视图；

图2是根据本发明的实施方案的冲压空气涡轮的截面图；

图3是根据本发明的实施方案的图2的RAT的传动轴的透视图；

图4是根据本发明的实施方案的图3的传动轴的纵向视图；

图5是根据本发明的实施方案的图3的传动轴连同所附接的小齿轮和单个轴承的纵向截面图；

图6是根据本发明的实施方案的图3的传动轴的轴向截面图，所述传动轴具有矩形凹槽；

图7是根据本发明的实施方案的冲压空气涡轮的截面图；

图8是根据本发明的实施方案的图7的RAT的传动轴的纵向视图；

图9是根据本发明的实施方案的图8的传动轴的纵向截面图；

图10是根据本发明的实施方案的图8的传动轴的轴向截面图，所述传动轴具有矩形凹槽；

图11是根据本发明的实施方案的图2或图7的RAT的传动轴的轴向截面图，所述传动轴具有圆形凹槽；以及

图12是根据本发明的实施方案的图2或图7的RAT的传动轴的轴向截面图，所述传动轴具有燕尾形凹槽。

详细描述参考附图通过实例的方式来解释本发明的实施方案以及优点和特征。

具体实施方式

根据实施方案的飞机在图1中总体指示为2。飞机2包括从机头部分6通过主体部分10延伸到机尾部分8的机身4。主体部分10容纳机舱14，所述机舱14包括乘务员舱15和乘客舱16。主体部分10支撑第一机翼17和第二机翼18。第一机翼17从第一根部20通过第一翼面部分23延伸到第一尖端部分21。第一翼面部分23包括前缘25和后缘26。第二机翼18从第二根部(未示出)通过第二翼面部分33延伸到第二尖端部分31。第二翼面部分33包括前缘35和后缘36。机尾部分8包括稳定器38。

飞机2包括安装在机身4或机头部分6内的冲压空气涡轮(RAT)组件40。当需要额外的电力时，机身4中的舱门54将打开，从而将RAT组件40展开到自由流空气中。如图2和图7所示，RAT组件40可包括涡轮组件42、传动轴50(50a或50b)和发电机46。涡轮组件42包括涡轮78和涡轮轴76。发电机46可以是电力发电机、液压泵、或电力发电机和液压泵二者。涡轮组件42通过传动轴50机械地连接到发电机46。当涡轮78旋转时，旋转扭矩通过小齿轮52从涡轮轴76传递到传动轴50。传动轴50可存在于各种实施方案中，包括但不限于如图2中所见的传动轴50a和如图7中所见的传动轴50b。

在一个实施方案中，小齿轮52可附连到传动轴50a。在另一个实施方案中，单个轴承80可附连到小齿轮52。传动轴50a、小齿轮52和轴承80的组装形成支柱变速箱组件90，如图2和图5中所见。在又一个实施方案中，小齿轮52通过位于传动轴50a的第一末端区段64中的锁孔72而被固定。在其他实施方案中，传动轴50a的细长中间区段74的外表面60朝向第二末端区段66渐缩，如图3、图4和图5中所见。在另一个实施方案中，传动轴50a被构造成在第二末端区段66处具有花键70。

在一个替代的实施方案中，如图7所描绘，支柱组件48和变速箱组件44是分开的，并且代替组合的支柱变速箱组件90(如图2中所描绘)，通过花键连接。在这个实施方案中，旋转扭矩通过变速箱组件44从涡轮组件42传递到小齿轮52，并且随后通过位于传动轴50b的第一末端区段64上的花键70传递到传动轴50b。然后，旋转扭矩通过位于传动轴50b的第二末端区段66处的花键70传递到发电机46。在其他实施方案中，传动轴50b的细长中间区段74的外表面60朝向第二末端区段66渐缩，如图8和图9中所见。在另一个实施方案中，传动轴50b的细长中间区段74的外表面60朝向第一末端区段64渐缩，如图8和图9中所见。

如图4、图5、图8和图9中所见，传动轴50包括外表面60、内表面62、纵轴线C、第一末端区段64、与第一末端区段64相反的第二末端区段66、以及连接第一末端区段64和第二末端区段66的细长中间区段74。在一个实施方案中，传动轴50的细长中间区段74的外表面60还包括至少三个分开的凹槽68，所述三个分开的凹槽68在邻近第一末端区段64的位置处开始并且平行于纵轴线C跨外表面60延伸到邻近第二末端区段66的位置，所述凹槽68围绕外表面60的圆周等距离地分开，如图3和图4中所见。传动轴50中的凹槽68修改了轴特性，从而提供高的横向弯曲刚度和低的扭转刚度，以使得在低于操作范围频率的频率下并且在高于操作速度的传动轴临界速度下发生传动系自然频率。在各种实施方案中，凹槽68可以是如图6中所见的矩形、如图11中所见的圆形、如图12中所见的燕尾形、花键形(未示出)、T形(未示出)或L形(未示出)。

传统上，RAT被构造成具有定位在飞机2内部的发电机46、长支柱组件48、以及在飞机2外部位于支柱组件48末端处的涡轮组件42和变速箱组件。这种构型需要传动轴50连接变速箱组件44与发电机46。由于涡轮组件42是远离变速箱组件44而垂悬的，所以当涡轮78转动时，离心负荷导致整个涡轮组件42在轴承间隙内涡旋，并且导致变速箱组件44响应于结构共振而移动。这两种运动导致小齿轮52的速度变化。，涡轮系统42和发电机46惯性对形成弹簧质量系统，当涡轮78在被称为扭矩波动的现象中转动时，所述弹簧质量系统产生共振。传动轴通常是弹簧质量系统中的调节(最弱的)弹簧。小齿轮52的速度变化激起传动系共振，从而将显著的交变扭矩添加到正常的传动系统扭矩。当传动系自然频率低于涡轮组件42的调节范围频率时，发电机46感觉到的变速箱共振的增幅显著减小。因此，在扭转上顺应的传动轴50是高度合乎期望的。传动轴50通常以发电机46的速度快速地旋转，这需要传动轴50在横向弯曲上是刚性的，以使得临界速度远高于操作范围。在横向弯曲上的高刚度需要通常与扭转上的顺应性相冲突。

当小齿轮52在涡轮78的每个回转期间加速和减速时，RAT传动系将经受如上所述的扭矩波动。如果小齿轮52的运动被增大以使整个传动系统上的负荷大大增加，则扭矩波动可以是非常显著的。扭矩波动的减少将有助于减轻变速箱、轴承、花键和发电机上的负荷。继而，较低的负荷将允许在RAT组件40的整个传动系中实现具有更少磨损和更低峰值负荷的更小、更轻的部件。

举例来说，假设涡轮46以这样的RPM进行调节：使得每个回转一次的频率处于70至110赫兹的范围内。小齿轮52处的扭矩波动强制函数同样是70至110赫兹。假定传动轴50被设计来实现与操作范围相差50％的频率。在扭转上柔性传动轴50将被设计用于47赫兹，或刚性较大的传动轴50将被设计用于165赫兹。对于柔性传动轴50来说，当频率比是1.5时，输出振幅小于输入振幅。然而，对于刚性较大的传动轴50来说，当频率比是1/1.5＝.667时，存在显著的增幅。当轴的刚度增加时，增幅的量减小，但是这通常是不切实际的或者轴变得沉重且昂贵。如果柔性传动轴50可在显著低于操作范围的共振下使用，则RAT组件40传动系的扭矩波动将显著减小。柔性传动轴50也可能比刚性较大的传动轴轻得多。

传统上，传动轴50是一端具有花键70的中空圆柱体。如果圆柱体尺寸被制作成足够小以实现期望的扭转刚度，则传动轴50在弯曲时的临界速度将下降到过于接近传动轴50的操作RPM，并且使得传动轴50变得不可操作。在工业中，所期望的传动轴50将被构造来具有包括以下的特性组合：扭转刚度，使得传动系被调谐到低于操作范围的频率，并且传动轴处于高于操作速度的临界速度。

这些期望的特性通过带凹槽的传动轴50实现。如图3、图4、图8和图9中所见，传动轴50具有沿着轴的纵轴线C加工而成的凹槽68。对于给定的传动轴50外直径，凹槽68导致扭转刚度的显著改变，同时使弯曲刚度减小较少的量。

各种带凹槽的轴的扭转刚度由Robert I.Isakower在技术报告ARMID-TR-78001，非圆形轴的扭转特性的设计图(以引用方式并入本文)中公布。示例性带凹槽的轴的扭转刚度是实心轴刚度的1/9.33倍。纵向弯曲刚度是实心轴刚度的1/2.07倍。因此，通过添加适当几何形状的凹槽，扭转刚度的减小可比弯曲刚度的损失快得多。这使得可能利用凹槽68来将传动轴50调谐到期望的扭转刚度和期望的弯曲刚度。相反地，传统圆形轴的扭转刚度与弯曲刚度成正比。

凹槽68的数量、宽度和深度都是变量，可以调整所述变量以实现期望的扭转刚度和弯曲刚度。对于调谐传动轴50来说，最常见的是改变凹槽68的深度和宽度。若干可能的凹槽68构型在图6、图10、图11和图12中示出，但是可使用其他构型。在一个实施方案中，存在至少三个凹槽68，而在另一个实施方案中，存在四个或更多个凹槽68。使用一个凹槽68的设计是不平衡的，并且两个凹槽68在相对于与第一平面成90度的平面的一个平面中具有更为柔性的弯曲刚度。具有三个或更多个凹槽68的传动轴50在所有平面中都具有相等的刚度。增加凹槽68的数量一般会减小扭转刚度。改变凹槽68的设计也会对传动轴50的特性造成极大影响。与其他构型相比，矩形凹槽68或燕尾形凹槽68从传动轴50外表面60附近加工去掉更少的材料，从而优化了惯性力矩。如图12所描绘，在使扭转刚度的减小量大于弯曲刚度的变化方面，燕尾形凹槽68设计比矩形凹槽68设计更有效。

现在具体参考传动轴50a的实施方案，其中小齿轮52和轴承80附连到传动轴50，如图5所描绘。具有单个轴承80需要传动轴50a充当长变速箱支撑轴，并且在历史上不是RAT的常规布置。涡轮78可以在起动期间快速地加速和减速。当发电机46具有显著的惯性时，传动系中的加速和减速负荷可以是大于正常操作负荷的数量级。小齿轮52的齿上的加速负荷将大的侧向负荷置于传动轴50a上，从而导致传动轴50a偏转。当发电机46的惯性较高时，传动轴50a允许小齿轮52对于在齿上的形成良好接触图形来说偏转过远。轴承80内圈也以对于适当操作来说过高的角度旋转。另外，花键70处于发电机46内部的传动轴50a的第二末端区段66弯曲足够远以使花键70的两端上具有齿接触，从而导致高度的齿疲劳。常规的解决方案将是使用直径大得多的传动轴50a来减小偏转，但是较大直径的传动轴50a在扭转时也具有较大刚性。产生传动轴50a弯曲问题的同样大的发电机46惯性也在具有刚性传动轴50a的传动系中导致过度的扭矩波动。传动轴50a需要在弯曲时非常刚硬，以保护小齿轮52a、轴承80和花键70，而在扭转时非常柔软以减少扭矩波动扭矩震荡。这些期望的特征通过具有定制凹槽68的传动轴50a实现。大的传动轴50外直径在弯曲时提供高的惯性力矩，从而限制轴由于小齿轮52轮齿负荷而偏转。小齿轮52的偏转已减少，从而允许小齿轮52齿上的良好接触图形。安装在小齿轮52上的轴承80不再偏转超过常规的角旋转极限。在第二末端区段66处的花键70具有最小的角偏转，因此重新建立正常的花键70齿接触。

传动轴50a的凹槽68允许将扭转刚度精确地调谐到低于涡轮组件42的调节范围频率的自然频率。凹槽68的数量可改变，但是凹槽68的数量应为至少三个，如先前提及的。在一个实施方案中，传动轴50a具有四个凹槽68，以便通过使切割器尺寸保持足够大以用于快速移除材料来简化制造过程。四个凹槽68还提供期望的扭转刚度。在另一个实施方案中，传动轴50a具有大于0.4的(凹槽深度)/(传动轴半径)比，这需要传动轴50a具有大的外直径，以使弯曲最小化并且在扭转时具有足够的柔性。

在又一个实施方案中，细长中间区段74的外表面60朝向传动轴50a的第二末端区段66渐缩(变得更窄)。这种锥形是有益的，因为导致偏转问题的小齿轮52负荷是朝向传动轴50a的第一末端区段64的集中负荷。在第二末端区段66处需要比第一末端区段64处更小的惯性力矩以抵抗偏转。锥形用于在最需要的位置处通过以下方式维持传动轴50a的刚度：增大第一末端区段64附近的外直径，同时通过减小第二末端区段66附近的外直径来减轻重量。

在另外的实施方案中，第二末端区段66的管状截面使用如将配合在配对的发电机46花键46内那样大的外直径D1，以进一步使花键70偏转最小化。如果外直径D1的尺寸减小，则花键70将偏转过远。

在另外的实施方案中，传动轴50a区段内的孔从第一末端区段64而不是从第二末端区段66进行加工。形成内表面62的这个孔有助于调谐扭转自然频率并且减少重量，同时对弯曲自然频率具有极小影响。

术语“约”旨在包括基于提交本申请时的可用设备、与特定量值测量相关联的误差程度。例如，“约”可包括给定值±8％或±5％或±2％的范围。

虽然仅结合有限数量的实施方案对本发明进行了详细描述，但应易于理解，本发明不限于此类公开的实施方案。相反，可对本发明进行修改，以并入以上未描述但与本发明精神和范围相称的任何数量的变化、改变、替代或等同布置。另外，虽然已描述了本发明的各种实施方案，但应理解，本发明的方面可仅包括所述实施方案中的一些。因此，不应认为本发明受限于前面的描述，而是仅受限于所附权利要求书的范围。

Claims (15)

1.一种用于飞机冲压空气涡轮的传动轴，所述传动轴包括：

圆柱体，所述圆柱体具有外表面、内表面、纵轴线、第一末端区段、与所述第一末端区段相反的第二末端区段、以及连接所述第一末端区段和所述第二末端区段的细长中间区段，

其中所述细长中间区段的所述外表面包括至少三个分开的凹槽，所述三个分开的凹槽在邻近所述第一末端区段的位置处开始并且平行于所述纵轴线跨所述外表面延伸到邻近所述第二末端区段的位置，所述凹槽围绕所述外表面的圆周等距离地分开，

其中所述凹槽提供高的横向弯曲刚度和低的扭转刚度，以使得传动系以低于操作范围频率的频率操作，并且所述传动轴以高于操作速度的临界速度操作。

2.如权利要求1所述的传动轴，其中：

所述凹槽被构造成矩形、圆形、燕尾形、花键形、T形和L形中的至少一种。

3.如权利要求2所述的传动轴，其还包括：

多个花键，所述多个花键围绕所述第二末端区段的所述外表面定位。

4.如权利要求3所述的传动轴，其还包括：

多个花键，所述多个花键围绕所述第一末端区段的所述外表面定位。

5.如权利要求4所述的传动轴，其中：

所述细长中间区段的所述外表面朝向所述第一末端区段渐缩并且朝向所述第二末端区段渐缩。

6.如权利要求3所述的传动轴，其中：

所述细长中间区段的所述外表面朝向所述第二末端区段渐缩。

7.如权利要求6所述的传动轴，其还包括：

小齿轮，所述小齿轮附连到所述第一末端区段。

8.如权利要求7所述的传动轴，其还包括：

轴承，所述轴承附连到所述小齿轮。

9.一种冲压空气涡轮，其包括：

涡轮组件，所述涡轮组件通过传动轴机械地连接到功率转换装置，所述传动轴包括：

圆柱体，所述圆柱体具有外表面、内表面、纵轴线、第一末端区段、与所述第一末端区段相反的第二末端区段、以及连接所述第一末端区段和所述第二末端区段的细长中间区段，

其中所述细长中间区段的所述外表面包括至少三个分开的凹槽，所述三个分开的凹槽在邻近所述第一末端区段的位置处开始并且平行于所述纵轴线跨所述外表面延伸到邻近所述第二末端区段的位置，所述凹槽围绕所述外表面的圆周等距离地分开，

其中所述凹槽提供高的横向弯曲刚度和低的扭转刚度，以使得传动系以低于操作范围频率的频率操作，并且所述传动轴以高于操作速度的临界速度操作。

10.如权利要求9所述的冲压空气涡轮，其中：

所述传动轴的所述凹槽被构造成矩形、圆形、燕尾形、花键形、T形和L形中的至少一种。

11.如权利要求10所述的冲压空气涡轮，其中所述传动轴还包括：

多个花键，所述多个花键围绕所述第二末端区段的所述外表面定位。

12.如权利要求11所述的冲压空气涡轮，其中所述传动轴还包括：

多个花键，所述多个花键围绕所述第一末端区段的所述外表面定位。

13.如权利要求12所述的冲压空气涡轮，其中：

所述传动轴的所述细长中间区段的所述外表面朝向所述第一末端区段渐缩并且朝向所述第二末端区段渐缩。

14.如权利要求11所述的冲压空气涡轮，其中：

所述传动轴的所述细长中间区段的所述外表面朝向所述第二末端区段渐缩。

15.如权利要求14所述的冲压空气涡轮，其还包括：

小齿轮，所述小齿轮附连到所述传动轴的所述第一末端区段。