CN107191547B - 涡轮发动机减速齿轮箱 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡轮发动机减速齿轮箱，包括安装机匣，安装机匣内设有用于与自由涡轮轴相连以输入动力的主动齿轮、与主动齿轮啮合的中间第一齿轮、与中间第一齿轮同轴设置且与中间第一齿轮的输出端固定连接的中间第二齿轮、与中间第二齿轮啮合以将动力向外输出的输出齿轮。主动齿轮包括与自由涡轮轴的输出端相连的主动齿轮轴，主动齿轮轴的输入端和输出端各装设有带有轴承内圈的滚子轴承，且主动齿轮轴与滚子轴承的轴承内圈过盈配合。选择带有轴承内圈的滚子轴承支承主动齿轮的主动齿轮轴，当载荷太小不足以拖动保持架和滚动体时，转动的轴承内圈可援以适当的动力使保持架和滚动体转动，从而避免打滑。

Description

涡轮发动机减速齿轮箱
技术领域
本发明涉及航空发动机领域，特别地，涉及一种涡轮发动机减速齿轮箱。
背景技术
涡轮发动机减速齿轮箱位于发动机后部，其作用是降低输出转速，并向前传递动力。现有的涡轮发动机减速齿轮箱为两级圆柱斜齿轮组成的减速齿轮箱，包括主动齿轮、中间齿轮及输出齿轮，减速齿轮箱工作时，工作环境温度高、传递的功率大且转速高。现有的减速齿轮箱工作时，主动齿轮的轴颈磨损严重，严重影响减速齿轮箱转速和功率的传递，进而影响飞机的操纵性能及使用效能；中间齿轮和输出齿轮强度低，减速齿轮箱工作时安全性低。
发明内容
本发明提供了一种涡轮发动机减速齿轮箱，以解决现有的减速齿轮箱工作时主动齿轮的轴颈磨损严重的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种涡轮发动机减速齿轮箱，包括安装机匣，安装机匣内设有用于与自由涡轮轴相连以输入动力的主动齿轮、与主动齿轮啮合的中间第一齿轮、与中间第一齿轮同轴设置且与中间第一齿轮的输出端固定连接的中间第二齿轮、与中间第二齿轮啮合以将动力向外输出的输出齿轮；主动齿轮包括与自由涡轮轴的输出端相连的主动齿轮轴，主动齿轮轴的输入端和输出端各装设有带有轴承内圈的滚子轴承，且主动齿轮轴与滚子轴承的轴承内圈过盈配合。
进一步地，主动齿轮轴的输入端和输出端还各装设有限位件，以抵顶轴承内圈的端部以对轴承内圈在主动齿轮轴的轴线方向进行限位。
进一步地，主动齿轮轴输入端和输出端的外圆上均加工有外螺纹；限位件为带有内螺纹的锁紧螺母，锁紧螺母装设于主动齿轮轴的外圆上且与主动齿轮轴外圆上的外螺纹配合以对轴承内圈进行限位锁紧。
进一步地，主动齿轮还包括设置于主动齿轮轴外圆上的主动齿轮盘；中间第一齿轮包括与主动齿轮轴并排设置的第一齿轮轴，第一齿轮轴的外圆上支承有第一轴承，第一齿轮轴的外圆上还设有与主动齿轮盘外啮合的第一齿轮盘；第一齿轮盘包括设置于第一齿轮轴外圆上的第一辐板环，第一辐板环的外圆上设有与主动齿轮盘外啮合的第一齿圈。
进一步地，第一辐板环为朝向中间第二齿轮方向开口的第一圆锥盘，第一圆锥盘的圆锥角为7°～10°；第一圆锥盘的厚度为4～4.5mm。
进一步地，中间第二齿轮包括与第一齿轮轴的端部焊接固定的第二齿轮轴，第二齿轮轴的外圆上支承有与第一轴承匹配的第二轴承，第二齿轮轴的外圆上还设有第二齿轮盘。
进一步地，第一齿轮轴和第二齿轮轴均为两端连通的空心轴，且第二齿轮轴与第一齿轮轴连通；涡轮发动机减速齿轮箱还包括用于将外部油路的滑油引入第二齿轮轴的空腔内的滑油导管，滑油导管的一端固定连接于安装机匣上，其相对设置的另一端由第二齿轮轴的端部插入第二齿轮轴的空腔内。
进一步地，滑油导管的外圆上设有用于平衡第一轴承和第二轴承轴向载荷的扭矩活塞，扭矩活塞的一端与安装机匣的内壁相连，其相对设置的另一端通过第三轴承支承于第二齿轮轴的内腔中。
进一步地，输出齿轮包括用于与功率轴相连以将动力向外输出的输出齿轮轴，输出齿轮轴与第二齿轮轴并排设置，且输出齿轮轴的输入端和输出端分别支承有第四轴承和第五轴承，输出齿轮轴的外圆上还设有与第二齿轮盘外啮合的输出齿轮盘。
进一步地，输出齿轮盘包括设置于输出齿轮轴外圆上的输出辐板环，输出辐板环的外圆上设有与第二齿轮盘外啮合的输出齿圈；输出辐板环为朝向输出齿轮轴输出端方向开口的第二圆锥盘，第二圆锥盘的圆锥角为10°～12.5°；第二圆锥盘的厚度为5.5～6.2mm。
本发明具有以下有益效果：
由于现有的轴承为仅带有保持架和滚动体的滚子轴承，当载荷太小不足以拖动保持架和滚动体转动时，滚动体和主动齿轮的轴颈处容易出现轻载打滑现象，针对主动齿轮轴颈磨损严重的根本原因，发明人对支承主动齿轮的轴承进行选择和更换，选择带有轴承内圈的滚子轴承支承主动齿轮的主动齿轮轴，当载荷太小不足以拖动保持架和滚动体时，转动的轴承内圈可援以适当的动力使保持架和滚动体转动，从而避免打滑；另一方面，改进后的滚子轴承增加了轴承内圈，且轴承内圈与主动齿轮轴的轴颈过盈配合，故两者装配后的过盈量会使轴承游隙减少，从而使得承载区滚动体的数目增加，非承载区滚动体的数目减少，从而减少滚动体和保持架的阻力，增加了托动力，进一步改善轴承轻载打滑现象。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的涡轮发动机减速齿轮箱的剖视结构示意图。
图例说明
10、安装机匣；20、主动齿轮；21、主动齿轮轴；22、主动齿轮盘；30、中间第一齿轮；31、第一齿轮轴；32、第一齿轮盘；321、第一辐板环；322、第一齿圈；40、中间第二齿轮；41、第二齿轮轴；42、第二齿轮盘；50、输出齿轮；51、输出齿轮轴；52、输出齿轮盘；521、输出辐板环；522、输出齿圈；60、滚子轴承；70、限位件；80、第一轴承；90、第二轴承；100、滑油导管；110、扭矩活塞；120、第三轴承；130、第四轴承；140、第五轴承。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参照图1，本发明的优选实施例提供了一种涡轮发动机减速齿轮箱，包括安装机匣10，安装机匣10内设有用于与自由涡轮轴相连以输入动力的主动齿轮20、与主动齿轮20啮合的中间第一齿轮30、与中间第一齿轮30同轴设置且与中间第一齿轮30的输出端固定连接的中间第二齿轮40、与中间第二齿轮40啮合以将动力向外输出的输出齿轮50。主动齿轮20包括与自由涡轮轴的输出端相连的主动齿轮轴21，主动齿轮轴21的输入端和输出端各装设有带有轴承内圈的滚子轴承60，且主动齿轮轴21与滚子轴承60的轴承内圈过盈配合。飞机上的涡轮发动机减速齿轮箱的输入转速为40000～42000r/min，输出转速为6000r/min左右，输入转速高且传递的功率大，涡轮发动机减速齿轮箱内的主动齿轮工作一段时间后，主动齿轮的轴颈处磨损严重，严重影响减速齿轮箱转速和功率的传递，发明人经过长期的探索和大量的试验后分析认定，主动齿轮轴颈处磨损严重的根本原因为：由于现有的轴承为仅带有保持架和滚动体的滚子轴承，当载荷太小不足以拖动保持架和滚动体转动时，滚动体和主动齿轮的轴颈处容易出现轻载打滑现象，针对主动齿轮轴颈磨损严重的根本原因，发明人对支承主动齿轮的轴承进行选择和更换，选择带有轴承内圈的滚子轴承60支承主动齿轮20的主动齿轮轴21，当载荷太小不足以拖动保持架和滚动体时，转动的轴承内圈可援以适当的动力使保持架和滚动体转动，从而避免打滑；另一方面，改进后的滚子轴承60增加了轴承内圈，且轴承内圈与主动齿轮轴21的轴颈过盈配合，故两者装配后的过盈量会使轴承游隙减少，从而使得承载区滚动体的数目增加，非承载区滚动体的数目减少，从而减少滚动体和保持架的阻力，增加了托动力，进一步改善轴承轻载打滑现象。
优选地，选择带有轴承内圈的滚子轴承60时，尽量选择滚动体直径小且长度较短的滚子轴承60，减少滚动体的直径和长度可减小滚子轴承60的重量，从而降低其高速旋转产生的离心力，进一步改善轴承轻载打滑现象。
可选地，如图1所示，为防止轴承内圈工作时沿主动齿轮轴21的轴向窜动，进一步改善轴承轻载打滑现象，本发明实施例中，主动齿轮轴21的输入端和输出端还各装设有限位件70，以抵顶轴承内圈的端部以对轴承内圈在主动齿轮轴21的轴线方向进行限位。本发明具体实施例中，主动齿轮轴21输入端和输出端的外圆上均加工有外螺纹。限位件70为带有内螺纹的锁紧螺母，锁紧螺母装设于主动齿轮轴21的外圆上且与主动齿轮轴21外圆上的外螺纹配合以对轴承内圈进行限位锁紧。
可选地，如图1所示，主动齿轮20还包括设置于主动齿轮轴21外圆上的主动齿轮盘22。中间第一齿轮30包括与主动齿轮轴21并排设置的第一齿轮轴31，第一齿轮轴31的外圆上支承有第一轴承80，第一齿轮轴31的外圆上还设有与主动齿轮盘22外啮合的第一齿轮盘32。本发明实施例中，第一齿轮盘32包括设置于第一齿轮轴31外圆上的第一辐板环321，第一辐板环321的外圆上设有与主动齿轮盘22外啮合的第一齿圈322。
现有技术中，第一齿轮盘的第一辐板环为朝向第一齿轮轴输入端开口的圆锥盘，该圆锥盘的圆锥角为20°～27°，且第一辐板环的厚度为5.2～5.8。由于发动机减速齿轮箱的输入转速为40000～42000r/min，输出转速为6000r/min左右，输入转速高且传递的功率大，中间第一齿轮的强度低，减速齿轮箱工作时存在安全隐患。发明人通过理论分析和大量的试验后，将第一辐板环321改进为：第一辐板环321为朝向中间第二齿轮40方向开口的第一圆锥盘，第一圆锥盘的圆锥角为7°～10°，且第一圆锥盘的厚度为4～4.5mm，改进后的中间第一齿轮30的强度明显提高，减速齿轮箱工作时安全性高。
进一步地，改进前，第一齿轮盘的第一辐板环为朝向第一齿轮轴开口的圆锥盘，该圆锥盘的圆锥角为20°～27°，且第一辐板环的厚度为5.2～5.8，该结构使得中间第一齿轮30工作时震动大，故改进前的结构中，第一辐板环与第一齿圈的交界处开设有用于安装减震环的减震环沟槽。改进后，第一辐板环321为朝向中间第二齿轮40方向开口的第一圆锥盘，第一圆锥盘的圆锥角为7°～10°，且第一圆锥盘的厚度为4～4.5mm，该结构下的中间第一齿轮30强度高，故改进后的结构中，取消了减震环沟槽，从而可减少减震环与中间第一齿轮30相对运动时产生的磨损。
可选地，如图1所示，中间第二齿轮40包括与第一齿轮轴31的端部焊接固定的第二齿轮轴41，第二齿轮轴41的外圆上支承有与第一轴承80匹配的第二轴承90，第二齿轮轴41的外圆上还设有第二齿轮盘42。本发明实施例中，第一轴承80和第二轴承90均为圆柱滚子轴承。
可选地，如图1所示，第一齿轮轴31和第二齿轮轴41均为两端连通的空心轴，且第二齿轮轴41与第一齿轮轴31连通。涡轮发动机减速齿轮箱还包括用于将外部油路的滑油引入第二齿轮轴41的空腔内的滑油导管100，滑油导管100的一端固定连接于安装机匣10上，其相对设置的另一端由第二齿轮轴41的端部插入第二齿轮轴41的空腔内。本发明结构中，由于第一齿轮轴31和第二齿轮轴41连通，故装设于第二齿轮轴41中的滑油导管100可通过喷射润滑油同时对第一轴承80和第二轴承90进行润滑。本发明中的滑油导管100仅装设于第二齿轮轴41的空腔内，相比现有技术中的滑油导管插入第一齿轮轴31和第二齿轮轴41的空腔中，滑油导管100的长度变短，从而可减轻减速齿轮箱整体的重量。
可选地，如图1所示，滑油导管100的外圆上设有用于平衡第一轴承80和第二轴承90轴向载荷的扭矩活塞110，扭矩活塞110的一端与安装机匣10的内壁相连，其相对设置的另一端通过第三轴承120支承于第二齿轮轴41的内腔中。工作时，第一齿轮盘32和第二齿轮盘42产生向前的轴向合力，扭矩活塞110前端面承受调制压力，形成一个向后的平衡力，以平衡第一轴承80和第二轴承90所承受的轴向载荷。本发明结构中，扭矩活塞110通过第三轴承120支承于第二齿轮轴41的内腔中，相比现有技术中的扭矩活塞110通过三联轴承支承，减少了三个轴承在工作过程中轴向移动产生的磨损。另一方面，本发明结构中，扭矩活塞110仅装设于第二齿轮轴41的空腔内，相比现有技术中的扭矩活塞插入第一齿轮轴31和第二齿轮轴41的空腔中，扭矩活塞110的长度变短，从而可减轻减速齿轮箱整体的重量。
可选地，如图1所示，输出齿轮50包括用于与功率轴相连以将动力向外输出的输出齿轮轴51，输出齿轮轴51与第二齿轮轴41并排设置，且输出齿轮轴51的输入端和输出端分别支承有第四轴承130和第五轴承140，输出齿轮轴51的外圆上还设有与第二齿轮盘42外啮合的输出齿轮盘52。本发明实施例中，第四轴承130为不带轴承内圈的滚子轴承，第五轴承140为带有轴承内圈的滚子轴承。
进一步地，输出齿轮盘52包括设置于输出齿轮轴51外圆上的输出辐板环521，输出辐板环521的外圆上设有与第二齿轮盘42外啮合的输出齿圈522。
现有技术中，输出齿轮盘的输出辐板环为朝向输出齿轮轴输入端开口的圆锥盘，该圆锥盘的圆锥角为23°～28°，且输出辐板环的厚度为6.4～7.2。由于发动机减速齿轮箱的输入转速为40000～42000r/min，输出转速为6000r/min左右，输入转速高且传递的功率大，输出齿轮的强度低，减速齿轮箱工作时存在安全隐患。发明人通过理论分析和大量的试验后，将输出辐板环521改进为：输出辐板环521为朝向输出齿轮轴51输出端方向开口的第二圆锥盘，第二圆锥盘的圆锥角为10°～12.5°，第二圆锥盘的厚度为5.5～6.2mm。改进后的输出齿轮的强度明显提高，减速齿轮箱工作时安全性高。
现有的减速齿轮箱的输入转速为40000～42000r/min，输出转速为6000r/min左右，主动齿轮与中间第一齿轮的齿数比为0.283～0.303，中间第二齿轮与输出齿轮的齿数比为0.485～0.505，高温条件下时减速齿轮箱的输出功率不足，输出转速低于6000r/min，从而影响飞机的操纵性能及使用效能。本发明中，通过分析主动齿轮、中间第一齿轮、中间第二齿轮及输出齿轮可知，由于主动齿轮和中间第一齿轮的强度相对较低，故设计时，保持主动齿轮与中间第一齿轮的齿数比不变，通过将中间第二齿轮与输出齿轮的齿数比增大为0.515～0.535后，减速齿轮箱可实现低于40000r/min的转速输入，同时保持6000r/min的转速输出，解决高温条件下输出功率不足问题的同时，实现低转速输入、高转速输出。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种涡轮发动机减速齿轮箱，其特征在于，
包括安装机匣(10)，所述安装机匣(10)内设有用于与自由涡轮轴相连以输入动力的主动齿轮(20)、与所述主动齿轮(20)啮合的中间第一齿轮(30)、与所述中间第一齿轮(30)同轴设置且与所述中间第一齿轮(30)的输出端固定连接的中间第二齿轮(40)、与所述中间第二齿轮(40)啮合以将动力向外输出的输出齿轮(50)；
所述主动齿轮(20)包括与所述自由涡轮轴的输出端相连的主动齿轮轴(21)，所述主动齿轮轴(21)的输入端和输出端各装设有带有轴承内圈(61)的滚子轴承(60)，且所述主动齿轮轴(21)与所述滚子轴承(60)的所述轴承内圈(61)过盈配合；
对支承主动齿轮的轴承进行选择和更换，选择带有轴承内圈的滚子轴承(60)支承主动齿轮(20)的主动齿轮轴(21)，当载荷太小不足以拖动保持架和滚动体时，转动的轴承内圈可援以适当的动力使保持架和滚动体转动，从而避免打滑；改进后的滚子轴承(60)增加了轴承内圈，且轴承内圈与主动齿轮轴(21)的轴颈过盈配合，故两者装配后的过盈量会使轴承游隙减少，从而使得承载区滚动体的数目增加，非承载区滚动体的数目减少，从而减少滚动体和保持架的阻力，增加了托动力，进一步改善轴承轻载打滑现象；带有轴承内圈的滚子轴承(60)采用滚动体直径小且长度短的滚子轴承(60)，减少滚动体的直径和长度以减小滚子轴承(60)的重量，从而降低其高速旋转产生的离心力，进一步改善轴承轻载打滑现象；
所述主动齿轮轴(21)的输入端和输出端还各装设有限位件(70)，以抵顶所述轴承内圈(61)的端部以对所述轴承内圈(61)在所述主动齿轮轴(21)的轴线方向进行限位，防止轴承内圈工作时沿主动齿轮轴(21)的轴向窜动，进一步改善轴承轻载打滑现象；所述主动齿轮轴(21)输入端和输出端的外圆上均加工有外螺纹；所述限位件(70)为带有内螺纹的锁紧螺母，所述锁紧螺母装设于所述主动齿轮轴(21)的外圆上且与所述主动齿轮轴(21)外圆上的所述外螺纹配合以对所述轴承内圈(61)进行限位锁紧；
所述主动齿轮(20)还包括设置于所述主动齿轮轴(21)外圆上的主动齿轮盘(22)；所述中间第一齿轮(30)包括与所述主动齿轮轴(21)并排设置的第一齿轮轴(31)，所述第一齿轮轴(31)的外圆上支承有第一轴承(80)，所述第一齿轮轴(31)的外圆上还设有与所述主动齿轮盘(22)外啮合的第一齿轮盘(32)；所述第一齿轮盘(32)包括设置于所述第一齿轮轴(31)外圆上的第一辐板环(321)，所述第一辐板环(321)的外圆上设有与所述主动齿轮盘(22)外啮合的第一齿圈(322)；
所述第一辐板环(321)为朝向所述中间第二齿轮(40)方向开口的第一圆锥盘，所述第一圆锥盘的圆锥角为7°～10°；所述第一圆锥盘的厚度为4～4.5mm，改进后的中间第一齿轮(30)的强度明显提高，减速齿轮箱工作时安全性高；取消第一辐板环(321)与第一齿圈(322)交界处用于安装减震环的减震环沟槽的设置，减少减震环与中间第一齿轮(30)相对运动时产生的磨损；
所述中间第二齿轮(40)包括与所述第一齿轮轴(31)的端部焊接固定的第二齿轮轴(41)，所述第二齿轮轴(41)的外圆上支承有与所述第一轴承(80)匹配的第二轴承(90)，所述第二齿轮轴(41)的外圆上还设有第二齿轮盘(42)；第一轴承(80)和第二轴承(90)均为圆柱滚子轴承；
所述输出齿轮(50)包括用于与功率轴相连以将动力向外输出的输出齿轮轴(51)，所述输出齿轮轴(51)与所述第二齿轮轴(41)并排设置，且所述输出齿轮轴(51)的输入端和输出端分别支承有第四轴承(130)和第五轴承(140)，所述输出齿轮轴(51)的外圆上还设有与所述第二齿轮盘(42)外啮合的输出齿轮盘(52)；第四轴承(130)为不带轴承内圈的滚子轴承，第五轴承(140)为带有轴承内圈的滚子轴承；
所述输出齿轮盘(52)包括设置于所述输出齿轮轴(51)外圆上的输出辐板环(521)，所述输出辐板环(521)的外圆上设有与所述第二齿轮盘(42)外啮合的输出齿圈(522)；所述输出辐板环(521)为朝向所述输出齿轮轴(51)输出端方向开口的第二圆锥盘，所述第二圆锥盘的圆锥角为10°～12.5°，所述第二圆锥盘的厚度为5.5～6.2mm，且保持主动齿轮与中间第一齿轮的齿数比0.283～0.303不变，将中间第二齿轮与输出齿轮的齿数比增大为0.515～0.535；
第一齿轮轴(31)和第二齿轮轴(41)均为两端连通的空心轴，且第二齿轮轴(41)与第一齿轮轴(31)连通；涡轮发动机减速齿轮箱还包括用于将外部油路的滑油引入第二齿轮轴(41)的空腔内的滑油导管(100)，滑油导管(100)的一端固定连接于安装机匣(10)上，其相对设置的另一端由第二齿轮轴(41)的端部插入第二齿轮轴(41)的空腔内；由于第一齿轮轴(31)和第二齿轮轴(41)连通，故装设于第二齿轮轴(41)中的滑油导管(100)可通过喷射润滑油同时对第一轴承(80)和第二轴承(90)进行润滑；滑油导管(100)仅装设于第二齿轮轴(41)的空腔内，相比于滑油导管插入第一齿轮轴(31)和第二齿轮轴(41)的空腔中，滑油导管(100)的长度变短，从而可减轻减速齿轮箱整体的重量；
滑油导管(100)的外圆上设有用于平衡第一轴承(80)和第二轴承(90)轴向载荷的扭矩活塞(110)，扭矩活塞(110)的一端与安装机匣(10)的内壁相连，其相对设置的另一端通过第三轴承(120)支承于第二齿轮轴(41)的内腔中；工作时，第一齿轮盘(32)和第二齿轮盘(42)产生向前的轴向合力，扭矩活塞(110)前端面承受调制压力，形成一个向后的平衡力，以平衡第一轴承(80)和第二轴承(90)所承受的轴向载荷；扭矩活塞(110)通过第三轴承(120)支承于第二齿轮轴(41)的内腔中，相比于扭矩活塞(110)通过三联轴承支承，减少了三个轴承在工作过程中轴向移动产生的磨损；扭矩活塞(110)仅装设于第二齿轮轴(41)的空腔内，相比于扭矩活塞插入第一齿轮轴(31)和第二齿轮轴(41)的空腔中，扭矩活塞(110)的长度变短，从而可减轻减速齿轮箱整体的重量。
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