CN109543304A - 一种航空螺旋锥齿轮喷油润滑喷嘴布局优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空螺旋锥齿轮喷油润滑喷嘴布局优化设计方法；齿轮润滑效果可由计算润滑油喷射到轮齿表面的冲击深度数值进行判断，从而对喷嘴参数布局优化设计，其数学模型的计算具体实施步骤为：由螺旋锥齿轮球面渐开线空间关系，通过几何运算得到一段时间内大、小齿轮空间位置及滑油射流线的位置变化(初始时间螺旋锥齿轮副与射流线的关系如附图所示)，同时根据齿轮啮合转过角度所用时间与射流喷油时间相等，得到润滑油在大、小齿轮上的冲击深度。本发明冲击深度数学模型的计算方法简单，能提高齿轮喷油润滑性能与效果。

Description

一种航空螺旋锥齿轮喷油润滑喷嘴布局优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种航空螺旋锥齿轮喷油润滑喷嘴布局优化设计方法。

背景技术

航空齿轮的工作环境是高速工况，通常采用的是喷油润滑的方式，但是由于轮齿在啮合的过程中的啮合间隙很小，高速旋转的齿轮又会对射流产生阻挡作用，这些导致了轮齿可能出在乏油甚至无油状态下高速运转，极大的影响齿轮的使用寿命，因此，探索更好的喷油方式以获得更好的润滑效果是很重要的。

航空发动机齿轮主要的工作环境是高速和重载，这种情况下的主要失效形式是：划伤、点蚀、塑性变形、齿面胶合已经由于高温引起的齿轮膨胀从而导致卡死。为了避免这些失效，需要润滑油进行润滑和冷却。润滑油会在齿面形成一层薄薄的油膜，可以防止齿面间产生干性摩擦，避免温度升高，同时润滑油可以带走热量，降低齿轮表面的温度。

喷嘴喷油的方位参数对润滑油能否直接进入轮齿啮合部分有直接影响，传统螺旋锥齿轮喷油润滑喷嘴设计通常按照经验安放，但是由于在实际工作中，不同发动机或者发动机不同位置的齿轮设置并不会完全相同，这样就难以仅仅根据经验来得到最佳的喷嘴设置。

发明内容

本发明的目的是为了能更便捷的探索出最好的润滑效果，提供一种航空螺旋锥齿轮喷油润滑喷嘴布局优化设计方法。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明的技术方案是：

一种航空螺旋锥齿轮喷油润滑喷嘴布局优化设计方法，首先计算润滑油喷射到互相啮合的大螺旋锥齿轮和小螺旋锥齿轮的轮齿表面的冲击深度数值，然后基于冲击深度越大则齿轮润滑效果越好的原则，从冲击深度来得到不同喷嘴布局下的润滑效果，最后选择冲击深度大的喷嘴布局以完成喷嘴参数布局优化设计；其中齿轮冲击深度计算方法为：由螺旋锥齿轮球面渐开线空间关系，通过几何运算得到一段时间内大、小螺旋锥齿轮空间位置及滑油射流线的位置的变化，同时根据齿轮啮合转过角度所用时间与喷射流经过距离所用时间相等，得到润滑油在大、小螺旋锥齿轮上的冲击深度；

其中小螺旋锥齿轮冲击深度的计算过程为：

根据空间几何关系以及球面渐开线特性，计算初始时刻螺旋锥齿轮副的大螺旋锥齿轮空间角度位置和小螺旋锥齿轮空间角度位置，然后再计算小螺旋锥齿轮转动相应时间后的空间角度位置以及喷嘴的射流线经过的距离，从而由小螺旋锥齿轮端面几何关系，得到小螺旋锥齿轮上的冲击深度数学模型；

大螺旋锥齿轮冲击深度的计算过程为：

根据空间几何关系以及球面渐开线特性，计算初始时刻螺旋锥齿轮副大轮空间角度位置和小轮空间角度位置，然后再计算大齿轮转动相应时间后的空间角度位置以及喷嘴的射流线经过的距离，从而由大轮端面几何关系，得到大齿轮上的冲击深度数学模型。

所述的一种航空螺旋锥齿轮喷油润滑喷嘴布局优化设计方法，所述的小齿轮冲击深度的计算过程包括：

以初始时刻t₀＝0，由空间几何关系以及球面渐开线特性，计算螺旋锥齿轮副大轮空间角度位置θ_g1和小轮空间角度位置θ_p1：

θ_p1＝iθ_g1+invα_球(δ,δ_b)_p-λ(1)

其中：i指螺旋锥齿轮副传动比；invα_球(δ,δ_b)_g和invα_球(δ,δ_b)_p分别为大、小齿轮的球面渐开线函数，分别表示大、小齿轮的分度圆与渐开线交点处的两个偏角的大小；过小轮齿面的冲击点做垂直其轴线的面，在该面上做过小轮中心点且向射流线在该面投影线作垂线，以及齿轮副的对称面和小轮中心点的连线，该垂线和连线的夹角即λ；x_H′指大齿轮坐标系下小齿轮冲击点的横向偏置距离；invα_a球(δ_a,δ_b)_g表示大齿轮的齿顶圆与渐开线交点处的偏角的大小；

在时刻t₁＝t，由空间几何关系以及球面渐开线特性，计算小齿轮转动时间t后的空间角度位置θ_p2：

式中：L_p为冲击距离；r_α指过小轮齿面滑油冲击点做垂直其轴线的面，从小轮中心点向射流线在该面投影线作的垂线距离；invα_p2球(δ_p2,δ_b)_p指小轮渐开线上冲击点处偏角β_p2球；

从时间t₀到t₁，射流线经过的距离Δh′为：

式中：V_j指喷油速度；指射流线和小轮轴线夹角；ω_p指小轮转速；

由小轮端面几何关系，得到小齿轮上的冲击深度d_p的数学模型为：

其中，

式中：δ_ap,δ_g分别指小齿轮顶锥角和大齿轮节锥角；N_p指小齿轮齿数；m′_n指小齿轮滑油冲击点模数；β′指小齿轮滑油冲击点处螺旋角；h′_ap指小齿轮滑油冲击点处齿顶高；Σ指螺旋锥齿轮副轴交角；θ，φ分别指喷油射流线仰角和方位角；d′,A_g分别指小齿轮冲击位置处分度圆直径和大齿轮安装距；y_L,z_V,z_V′分别指大齿轮坐标系下喷嘴的纵向偏置，垂向偏置以及小齿轮滑油冲击点垂向偏置。

所述的一种航空螺旋锥齿轮喷油润滑喷嘴布局优化设计方法，所述的大齿轮冲击深度的计算过程包括：

以初始时刻t₀＝0，由空间几何关系以及球面渐开线特性，计算螺旋锥齿轮副大轮空间角度位置θ_g2和小轮空间角度位置θ_p4：

式中：过大轮齿面润滑油冲击点做垂直其轴线的面O″_g，再从大轮中心点向射流线在该面投影线作的垂线，以及齿轮副对称面和小轮中心点的连线，该垂线和连线的夹角即η；X_H″指小齿轮坐标系下小齿轮齿面滑油冲击点的横向偏置距离；invα_a球(δ_a,δ_b)_p指小齿轮的齿顶圆与渐开线交点处的偏角β_a球；

在时刻t₁＝t，由空间几何关系以及球面渐开线特性，计算大齿轮转动时间t后的空间角度位置θ_g3：

式中：L_g为冲击距离，单位：毫米mm；R_α指过大轮齿面滑油冲击点做垂直其轴线的面，从大轮中心点向射流线在该面投影线作的垂线距离；invα_g3球(δ_g3,δ_b)_g指小轮渐开线上冲击点处偏角β_g3球；

从时间t₀到t₁，射流线经过的距离Δh′为：

式中：V_j指喷油速度，ω_g指大轮转速；

由大轮端面几何关系，得到大齿轮上的冲击深度d_g的数学模型：

其中，

式中：δ_ag指大齿轮顶锥角；N_g指大齿轮齿数；m″_n指大齿轮滑油冲击点模数；β″为指大齿轮滑油冲击点处螺旋角；h″_ag指大齿轮滑油冲击点处齿顶高；x_H″指大齿轮坐标系下大齿轮滑油冲击点的横向偏置。

本发明的技术效果在于，通过计算润滑油喷嘴所喷出的油线的冲击深度，并由冲击深度直接反应出的润滑效果，即可方便直观的得到不同喷嘴布局下的润滑效果，从而为喷嘴的设计布局提供了可靠的依据，有助于快速高效的改善航空螺旋锥齿轮的润滑效果。

附图说明

图1为本发明中小齿轮冲击深度数学计算模型t₀＝0时刻齿轮副空间位置示意图。

图2为本发明中小齿轮冲击深度数学计算模型t₁＝t时刻齿轮副空间位置示意图。

图3为本发明中大齿轮冲击深度数学计算模型t₀＝0时刻齿轮副空间位置示意图。

图4为本发明中大齿轮冲击深度数学计算模型t₁＝t时刻齿轮副空间位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和公式，对本发明做进一步详细说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本具体实施方式采用如下技术方案：首先计算润滑油喷射到互相啮合的大螺旋锥齿轮和小螺旋锥齿轮的轮齿表面的冲击深度数值，然后基于冲击深度越大则齿轮润滑效果越好的原则，从冲击深度来得到不同喷嘴布局下的润滑效果，最后选择冲击深度大的喷嘴布局以完成喷嘴参数布局优化设计。其中螺旋锥齿轮冲击深度计算方法如下：由螺旋锥齿轮球面渐开线空间关系，通过几何运算得到一段时间内大、小齿轮空间位置及滑油射流线的位置的变化，同时根据齿轮啮合转过角度所用时间与射流喷油时间相等，从而得到润滑油在大、小齿轮上的冲击深度。

具体的计算方法如下：、

一、小齿轮冲击深度的算法：

在某一初始时刻t₀＝0，由空间几何关系以及球面渐开线特性，计算螺旋锥齿轮副大轮空间角度位置θ_g1和小轮空间角度位置θ_p1，其计算公式：

θ_p1＝iθ_g1+invα_球(δ,δ_b)_p-λ (1)

式中：i指螺旋锥齿轮副传动比；

invα_球(δ,δ_b)_g和invα_球(δ,δ_b)_p分别为大小齿轮的球面渐开线函数，表示大小齿轮的分度圆与渐开线交点处的偏角β_球，单位：弧度rad；

过小轮齿面的冲击点做垂直其轴线的面，在该面上做过小轮中心点且向射流线在该面投影线作垂线，以及齿轮副的对称面和小轮中心点的连线，该垂线和连线的夹角即λ；单位：弧度rad；

x_H′指大齿轮坐标系下小齿轮冲击点的横向偏置距离，单位：毫米mm；

invα_a球(δ_a,δ_b)_g指大齿轮的齿顶圆与渐开线交点处的偏角β_a球，单位：弧度rad。

在时刻t₁＝t，由空间几何关系以及球面渐开线特性，计算小齿轮转动时间t后的空间角度位置θ_p2，其计算公式：

式中：L_p为冲击距离，单位：毫米mm；

r_α指过小轮齿面滑油冲击点做垂直其轴线的面，从小轮中心点向射流线在该面投影线作的垂线距离，单位：毫米mm；

invα_p2球(δ_p2,δ_b)_p指小轮渐开线上冲击点处偏角β_p2球，单位：弧度rad。

从时间t₀到t₁，射流线经过的距离Δh′，其计算公式：

式中：V_j指喷油速度，单位：米每秒m/s；

指射流线和小轮轴线夹角，单位：弧度rad；

ω_p指小轮转速，单位：弧度每秒rad/s；

由小轮端面几何关系，得到小齿轮上的冲击深度数学模型，其计算公式：

其中，

式中：δ_ap,δ_g分别指小齿轮顶锥角和大齿轮节锥角，单位：弧度rad；

N_p指小齿轮齿数；

m′_n指小齿轮滑油冲击点模数，单位：毫米mm；

β′指小齿轮滑油冲击点处螺旋角，单位：弧度rad；

h′_ap指小齿轮滑油冲击点处齿顶高，单位：毫米mm；

Σ指螺旋锥齿轮副轴交角，单位：弧度rad；

θ，φ分别指喷油射流线仰角和方位角，单位：弧度rad；

d′,A_g分别指小齿轮冲击位置处分度圆直径和大齿轮安装距，单位：毫米mm；

y_L,z_V,z_V′分别指大齿轮坐标系下喷嘴的纵向偏置，垂向偏置以及小齿轮滑油冲击点垂向偏置，单位：毫米mm。

(二)大齿轮冲击深度的算法：

在某一初始时刻t₀＝0，由空间几何关系以及球面渐开线特性，计算螺旋锥齿轮副大轮空间角度位置θ_g2和小轮空间角度位置θ_p4，其计算公式：

式中：η指过大轮齿面滑油冲击点做垂直其轴线的面O″_g，从大轮中心点向射流线在该面投影线作的垂线，与射流线投影线与齿轮副对称面交点与大轮中心点连线的夹角，单位：弧度rad；

X_H″指小齿轮坐标系下小齿轮齿面滑油冲击点的横向偏置距离，单位：毫米mm；

invα_a球(δ_a,δ_b)_p指小齿轮的齿顶圆与渐开线交点处的偏角β_a球，单位：弧度rad；

在时刻t₁＝t，由空间几何关系以及球面渐开线特性，计算大齿轮转动时间t后的空间角度位置θ_g3，其计算公式：

式中：L_g为冲击距离，单位：毫米mm；

R_α指过大轮齿面滑油冲击点做垂直其轴线的面，从大轮中心点向射流线在该面投影线作的垂线距离，单位：毫米mm；

invα_g3球(δ_g3,δ_b)_g指小轮渐开线上冲击点处偏角β_g3球，单位：弧度rad。

从时间t₀到t₁，射流线经过的距离Δh′，其计算公式：

式中：ω_g指大轮转速，单位：弧度每秒rad/s。

由大轮端面几何关系，得到大齿轮上的冲击深度数学模型，其计算公式：

其中，

式中：δ_ag指大齿轮顶锥角，单位：弧度rad；

N_g指大齿轮齿数；

m″_n指大齿轮滑油冲击点模数，单位：毫米mm；

β″指大齿轮滑油冲击点处螺旋角，单位：弧度rad；

h″_ag指大齿轮滑油冲击点处齿顶高，单位：毫米mm；

x_H″指大齿轮坐标系下大齿轮滑油冲击点的横向偏置，单位：毫米mm；

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种航空螺旋锥齿轮喷油润滑喷嘴布局优化设计方法，其特征在于,首先计算润滑油喷射到互相啮合的大螺旋锥齿轮和小螺旋锥齿轮的轮齿表面的冲击深度数值，然后基于冲击深度越大则齿轮润滑效果越好的原则，从冲击深度来得到不同喷嘴布局下的润滑效果，最后选择冲击深度大的喷嘴布局以完成喷嘴参数布局优化设计；其中齿轮冲击深度计算方法为：由螺旋锥齿轮球面渐开线空间关系，通过几何运算得到一段时间内大、小螺旋锥齿轮空间位置及滑油射流线的位置的变化，同时根据齿轮啮合转过角度所用时间与喷射流经过距离所用时间相等，得到润滑油在大、小螺旋锥齿轮上的冲击深度；

其中小螺旋锥齿轮冲击深度的计算过程为：

根据空间几何关系以及球面渐开线特性，计算初始时刻螺旋锥齿轮副的大螺旋锥齿轮空间角度位置和小螺旋锥齿轮空间角度位置，然后再计算小螺旋锥齿轮转动相应时间后的空间角度位置以及喷嘴的射流线经过的距离，从而由小螺旋锥齿轮端面几何关系，得到小螺旋锥齿轮上的冲击深度数学模型；

大螺旋锥齿轮冲击深度的计算过程为：

根据空间几何关系以及球面渐开线特性，计算初始时刻螺旋锥齿轮副大轮空间角度位置和小轮空间角度位置，然后再计算大齿轮转动相应时间后的空间角度位置以及喷嘴的射流线经过的距离，从而由大轮端面几何关系，得到大齿轮上的冲击深度数学模型。

2.根据权利要求1所述的一种航空螺旋锥齿轮喷油润滑喷嘴布局优化设计方法，其特征在于,所述的小齿轮冲击深度的计算过程包括：

以初始时刻t₀＝0，由空间几何关系以及球面渐开线特性，计算螺旋锥齿轮副大轮空间角度位置θ_g1和小轮空间角度位置θ_p1：

θ_p1＝iθ_g1+invα_球(δ,δ_b)_p-λ (1)

其中：i指螺旋锥齿轮副传动比；invα_球(δ,δ_b)_g和invα_球(δ,δ_b)_p分别为大、小齿轮的球面渐开线函数，分别表示大、小齿轮的分度圆与渐开线交点处的两个偏角的大小；过小轮齿面的冲击点做垂直其轴线的面，在该面上做过小轮中心点且向射流线在该面投影线作垂线，以及齿轮副的对称面和小轮中心点的连线，该垂线和连线的夹角即λ；x_H′指大齿轮坐标系下小齿轮冲击点的横向偏置距离；invα_a球(δ_a,δ_b)_g表示大齿轮的齿顶圆与渐开线交点处的偏角的大小；

在时刻t₁＝t，由空间几何关系以及球面渐开线特性，计算小齿轮转动时间t后的空间角度位置θ_p2：

式中：L_p为冲击距离；r_α指过小轮齿面滑油冲击点做垂直其轴线的面，从小轮中心点向射流线在该面投影线作的垂线距离；invα_p2球(δ_p2,δ_b)_p指小轮渐开线上冲击点处偏角β_p2球；

从时间t₀到t₁，射流线经过的距离Δh′为：

式中：V_j指喷油速度；指射流线和小轮轴线夹角；ω_p指小轮转速；

由小轮端面几何关系，得到小齿轮上的冲击深度d_p的数学模型为：

其中，

式中：δ_ap,δ_g分别指小齿轮顶锥角和大齿轮节锥角；N_p指小齿轮齿数；m′_n指小齿轮滑油冲击点模数；β′指小齿轮滑油冲击点处螺旋角；h_a′_p指小齿轮滑油冲击点处齿顶高；Σ指螺旋锥齿轮副轴交角；θ，φ分别指喷油射流线仰角和方位角；d′,A_g分别指小齿轮冲击位置处分度圆直径和大齿轮安装距；y_L,z_V,z_V′分别指大齿轮坐标系下喷嘴的纵向偏置，垂向偏置以及小齿轮滑油冲击点垂向偏置。

3.根据权利要求1所述的一种航空螺旋锥齿轮喷油润滑喷嘴布局优化设计方法，其特征在于,所述的大齿轮冲击深度的计算过程包括：

以初始时刻t₀＝0，由空间几何关系以及球面渐开线特性，计算螺旋锥齿轮副大轮空间角度位置θ_g2和小轮空间角度位置θ_p4：

式中：过大轮齿面润滑油冲击点做垂直其轴线的面O_g″，再从大轮中心点向射流线在该面投影线作的垂线，以及齿轮副对称面和小轮中心点的连线，该垂线和连线的夹角即η；X_H″指小齿轮坐标系下小齿轮齿面滑油冲击点的横向偏置距离；invα_a球(δ_a,δ_b)_p指小齿轮的齿顶圆与渐开线交点处的偏角β_a球；

在时刻t₁＝t，由空间几何关系以及球面渐开线特性，计算大齿轮转动时间t后的空间角度位置θ_g3：

式中：L_g为冲击距离，单位：毫米mm；R_α指过大轮齿面滑油冲击点做垂直其轴线的面，从大轮中心点向射流线在该面投影线作的垂线距离；invα_g3球(δ_g3,δ_b)_g指小轮渐开线上冲击点处偏角β_g3球；

从时间t₀到t₁，射流线经过的距离Δh′为：

式中：V_j指喷油速度，ω_g指大轮转速；

由大轮端面几何关系，得到大齿轮上的冲击深度d_g的数学模型：

其中，

式中：δ_ag指大齿轮顶锥角；N_g指大齿轮齿数；m_n″指大齿轮滑油冲击点模数；β″为指大齿轮滑油冲击点处螺旋角；h_a″_g指大齿轮滑油冲击点处齿顶高；x_H″指大齿轮坐标系下大齿轮滑油冲击点的横向偏置。