CN110132576B - 一种齿轮箱试验台 - Google Patents

Abstract

一种齿轮箱试验台，其特征在于，所述试验台包括功率流封闭系统、驱动装置和加载装置；所述驱动装置用于提供所述试验台运转消耗功率、带动所述功率流封闭系统运转，所述加载装置用于向所述功率流封闭系统施加扭矩；所述功率流封闭系统包括：第一支路，所述第一支路包括陪试齿轮箱，试验齿轮箱，所述试验齿轮箱包括第一输出轴；第二支路，所述第二支路包括所述陪试齿轮箱，可变传动比组件，所述可变传动比组件包括第二输出轴；所述陪试齿轮箱接收来自所述驱动装置的输入，所述第一输出轴与所述第二输出轴直接或间接相连。

Description

一种齿轮箱试验台

技术领域

本发明涉及航空发动机试验领域，尤其涉及一种齿轮箱试验台。

背景技术

高涵道比双转子涡轮风扇发动机自上世纪70年代初投入使用以来，受风扇叶尖切线速度限制，与风扇连接的低压压气机与低压涡轮只能在较低转速运行，从而导致压气机级数增多，重量大且效率低。为解决上述问题，可在由低压压气机及低压涡轮组成的低压转子与风扇转子间安装一套合适的风扇驱动齿轮箱(Fan Drive Gear System,FDGS)，使风扇转子工作于低转速，而低压转子工作于高转速，即为齿轮传动涡扇发动机(GearedTurbofan，GTF)。

GTF的低压轴与风扇由一个风扇驱动齿轮箱连接。风扇驱动齿轮箱的传动部分是一个行星轮系，发动机的低压轴与行星轮系的太阳轮连接，风扇与行星轮系的内齿圈连接，行星轮系的行星轮固定于行星架上。从低压轴传递来的功率通过太阳轮与行星轮啮合以及行星轮与内齿圈啮合传递至发动机风扇，以达到减速的效果。航空领域中的风扇驱动齿轮箱具有尺寸小、转速高、传递功率大等特点，尤其是其传递功率，达到了数十兆瓦的功率级别；它的这些特点导致其试验试验过程中对试验台的要求高，试验台结构复杂。

尽管计算机分析与仿真模拟技术取得了长足进步，但齿轮箱的实际性能试验仍是必需的步骤。当超过齿轮箱的负荷能力时，会出现多种模式的故障，例如齿断裂、点状腐蚀和微点状腐蚀以及过度磨损甚至变形。除了负荷能力，还有其它重要参数如效率和动力特性需要实验研究。因此，需要允许齿轮箱运行在预定的速度和扭矩条件下的试验设备。在试验过程中，通过此结构齿轮箱的功率需达到齿轮箱的额定功率才能达到验证效果。由于航空业中行星轮系齿轮箱的传递功率大，若要达到其额定功率，对试验台的要求极高。

结构最为简单的试验台是开放式试验台，即将试验的齿轮箱置于电动机和制动器之间，电动机提供全部功率，制动器吸收全部功率。但这种结构的缺点也是显而易见的，尤其对于数十兆瓦功率级别的齿轮箱，提供数十兆瓦功率的电动机以及吸收数十兆瓦功率的制动器，电动机与制动器的成本极高，且试验的能耗也很大。因此，更为经济实用的方法是将齿轮箱包括在功率流封闭系统中。上述功率流封闭系统有电功率流封闭系统与机械功率流封闭系统两种。电功率流封闭系统是将上述开放式试验台的制动器替换成发电机，即将齿轮箱的输出轴连接到发电机，发电机齿轮箱传递的功率回馈到电网，如此即完成了电网－电动机－齿轮箱－发电机－电网的功率流封闭系统。但电功率流封闭系统仍需要数十兆瓦级别的大功率电动机与发电机，成本同样很高。相比而言，机械功率流封闭系统包括与试验齿轮箱输入轴、输出轴相连的齿轮系统，使得机械功率在试验齿轮箱与齿轮系统中传递，驱动电机只需克服试验台各齿轮箱运转时损失掉的功率即可带动行星轮系齿轮箱运转，即用较小的驱动功率就可实现大功率齿轮箱的试验。

对于试验的齿轮箱而言，其传动比是一定的，为了满足机械功率闭合的要求，相同构件在不同支路的转速计算应一致。试验齿轮箱的输出轴转速为其输入轴转速与其传动比乘积，另一支路的转速计算为，试验齿轮箱的输出轴转速为其输入轴与其相连的齿轮系统的传动比的乘积。因此，对于特定的试验齿轮箱而言，试验配套的齿轮系统的传动比也是与之匹配的，当更换试验齿轮箱时，也需要更换配套的齿轮系统。

通常而言，解决此类问题的方法是加工两套相同的齿轮箱，一套齿轮箱作为试验件，另一套齿轮箱作为齿轮系统，以节约用于安装调试配套齿轮系统的时间。例如公开号为CN104502098A的中国发明专利申请文件，公开了一种机械功率闭合式试验台，由2个完全相同、用于试验的圆锥齿轮箱，其中一个称为被试齿轮箱，另一个称为陪试齿轮箱，和1个完全中心对称的连接圆柱齿轮箱、1个液压扭矩加载器、1个驱动电机、2个扭矩仪及轴承座、联轴器、轴和万向轴等组成，以达到具备其它机械封闭加载试验台的优点，同时又能自动适应任意齿轮模数和传动比的圆锥齿轮箱的试验的目的。

但对于航空发动机数十兆瓦功率级别的齿轮箱而言，其造价昂贵，额外加工一个完全相同的齿轮箱用于测试，将导致测试的成本极高。

因此本领域需要一种传动比可变的功率封闭试验台，能满足不同传动比齿轮箱试验件的试验需求，以减少加工成本和试验台改造成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种齿轮箱试验台，其具有可满足不同传动比齿轮箱试验件的试验需求，减少了加工成本和试验台改造成本，缩短了加工和试验周期，大大提高了资源利用率等优点。

根据本发明一方面的一种齿轮箱试验台，一种齿轮箱试验台，其特征在于，所述试验台包括功率流封闭系统、驱动装置和加载装置；所述驱动装置用于提供所述试验台运转消耗功率、带动所述功率流封闭系统运转，所述加载装置用于向所述功率流封闭系统施加扭矩；所述功率流封闭系统包括：

第一支路，所述第一支路包括陪试齿轮箱，试验齿轮箱，所述试验齿轮箱包括第一输出轴；

第二支路，所述第二支路包括所述陪试齿轮箱，可变传动比组件，所述可变传动比组件包括第二输出轴；

所述陪试齿轮箱接收来自所述驱动装置对所述功率流封闭系统的输入，所述第一输出轴与所述第二输出轴直接或间接相连。

在一个实施例中，所述试验齿轮箱还包括试验行星轮系，所述试验行星轮系包括所述试验太阳轮、试验行星轮、试验内齿圈、试验行星架。

在一个实施例中，所述可变传动比组件为差速器。

在一个实施例中，所述差速器包括第一半轴、第二半轴、第一太阳轮、第二太阳轮、差速行星架、差速行星轮，所述第二半轴为所述第二输出轴。

在一个实施例中，所述第一太阳轮与所述第二半轴共轴线连接，所述第二太阳轮与所述第一半轴共轴线连接，第一半轴与所述加载装置直接或间接相连。

在一个实施例中，所述差速器还包括输入齿轮、驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述差速行星架固连，所述驱动齿轮与所述输入齿轮啮合，所述输入齿轮接收来自所述陪试齿轮箱的输出。

在一个实施例中，所述第二支路还包括转向齿轮箱，所述转向齿轮箱与所述陪试齿轮箱、所述可变传动比组件直接或间接相连。

在一个实施例中，所述驱动装置包括驱动电机、减速器，所述减速器的高速端与所述驱动电机相连，所述减速器的低速端与所述陪试齿轮箱相连，所述加载装置包括加载电机、减速器，所述减速器的高速端与所述加载电机相连，所述减速器的低速端与所述功率流封闭系统相连。

在一个实施例中，所述可变传动比组件为无级变速器。

在一个实施例中，所述第一输出轴与所述第二输出轴通过联轴器共轴线连接。

本发明的进步之处在于，通过加载电机、可变传动比组件的设置，实现了试验台的差动加载，同一试验台不仅能进行不同传动比齿轮箱的试验，减少了加工成本和试验台改造成本；同时，将驱动电机与加载电机分开，驱动电机提供齿轮箱的转速，提供功率只需克服试验台各齿轮箱运转时损失掉的功率即可带动行星轮系齿轮箱运转，而加载电机设置在低速高扭矩运行状态，为齿轮箱提供扭矩，将提供转速与转矩的电机分开，即用较小的驱动功率就可实现大功率齿轮箱的试验。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为根据本发明一实施例的齿轮箱试验台各部件连接关系示意图。

图2为根据本发明一实施例的齿轮箱试验台的差速器结构示意图。

图3为根据本发明一实施例的齿轮箱试验台的试验件齿轮箱结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

需要注意的是，附图均仅作为示例，不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参考图1，行星轮系齿轮箱试验台包括功率流封闭系统、驱动装置和加载装置。功率流封闭系统包括第一支路与第二支路，第一支路包括陪试齿轮箱3，试验齿轮箱4，试验齿轮箱4包括第一输出轴41；第二支路包括陪试齿轮箱3，可变传动比组件6，所述可变传动比组件6包括第二输出轴67；陪试齿轮箱3接收来自所述驱动装置对所述功率流封闭系统的输入，第一输出轴41与所述第二输出轴67直接或间接相连，如此形成功率流封闭。优选地，第一输出轴41与所述第二输出轴67通过联轴器共轴线相连。

参考图3，试验齿轮箱4包括试验齿轮箱可以包括行星轮系，但不以此为限。如图3，试验行星轮系包括试验太阳轮42、试验行星轮43、试验内齿圈45；试验齿轮箱4还包括第一输入轴44，第一输出轴41与试验太阳轮42共轴线连接，第一输入轴44与试验内齿圈45通过法兰连接结构连接。

参考图1，优选地，第二支路还包括转向齿轮箱5，转向齿轮箱5与陪试齿轮箱3、可变传动比组件6直接或间接相连。

参考图1、图2，优选地，可变传动比组件6为差速器，但不以此为限。差速器6包括第一半轴66、第二半轴67、第一太阳轮68、第二太阳轮69、差速行星架63、差速行星轮64、65，在一个实施例中，第二半轴即为上述第一输出轴。第一太阳轮68与第二半轴67共轴线连接，第二太阳轮69与第一半轴66共轴线连接，第一半轴66与加载装置连接；差速行星架63将接收来自陪试齿轮箱5的输出。

继续参考图1，优选地，差速器6还包括输入齿轮61、驱动齿轮62，驱动齿轮62与差速行星架63固连，驱动齿轮62与输入齿轮61啮合，输入齿轮61接收来自转向齿轮箱5的输出。

如图1所示，配套齿轮系统可以分别设置于不同的壳体，但不以此为限，配套齿轮系统也可以设置于同一个壳体。

继续参考图1，具体地，驱动装置用于提供功率流封闭系统运转消耗功率、带动功率流封闭系统运转，优选地，驱动装置包括驱动电机1，减速器2，减速器2的高速端与驱动电机1相连，减速器2的低速端与功率流封闭系统的陪试齿轮箱3相连。加载装置包括加载电机8，减速器7，减速器7的高速端与加载电机8相连，减速器7的低速端与功率流封闭系统相连，优选地，可以与第一半轴66相连。

继续参考图1、图2，减速器2的低速端与陪试齿轮箱3连接，将转速传入，带动包括第一支路与第二支路的功率流封闭系统。具体地，转速传递路径如下：

从陪试齿轮箱3输入，由于陪试齿轮箱3分别与试验齿轮箱4、转向齿轮箱5连接，将转速传递至试验齿轮箱4、转向齿轮箱5。

转速在第一支路的传递如下：第一输入轴44与试验内齿圈45通过法兰连接结构连接，因此将转速传递至试验内齿圈45，试验内齿圈45将转速传递至与之啮合的试验行星轮43，试验行星轮43将转速传递至与之啮合的试验太阳轮42，第一输出轴41与试验太阳轮42共轴线连接，试验太阳轮42将转速传递至第一输出轴41。

同理，转速在第二支路的传递如下：转向齿轮箱5将转速输出至差速器6的输入齿轮61，输入齿轮61将转速传递至与其啮合的驱动齿轮62，驱动齿轮62将转速传递至与之固连的差速行星架63，差速行星架63将转速传递至差速行星轮64、65，差速行星轮64、65将转速传递至与之啮合的第一太阳轮68、第二太阳轮69，第一太阳轮68将转速传递至与之共轴线连接的第二半轴67。

由于第二半轴67与第一输出轴41通过联轴器共轴线连接，形成转速传递的封闭，若要形成功率流封闭，则第二半轴67与第一输出轴41的转速应相等。

若更换试验齿轮箱4，导致第一支路的转动比变化，将第一输出轴41的转速变化。而可变传动比组件6的设置，可使得第二支路的传动比随试验齿轮箱4的传动比的变化而变化，从而达到试验台可进行不同传动比的试验齿轮箱4的测试，减少试验台加工成本和改造成本的目的。

具体地，当试验齿轮箱4的传动比变化，例如由i变为i₁，第一支路的第一输出轴41的转速由N/i变为N/i₁；而第二支路的转速经过陪试齿轮箱3、转向齿轮箱5后仍不变，第一太阳轮68转速不变，因此第二半轴67与第一输出轴41存在转速不同的趋势，迫使在另一支路的差速行星轮64、65自转，差速行星轮64、65的自转使得第二支路的第一太阳轮68转速变化，从而使得第二半轴67与第一输出轴41转速一致。而第二太阳轮69的转速也相反地变化，例如，当第一输出轴41转速升高时，与之连接的第二半轴67转速也需要升高，即第一太阳轮68转速升高，差速行星轮64、65的自转使得第一太阳轮68转速升高，也使第二太阳轮69的转速相应地降低，反之亦然。如此，实现了第二支路的第二半轴67的转速随试验齿轮箱4传动比的变化而相应变化，从而达到进行不同传动比的试验齿轮箱4的测试，也能够实现功率流封闭的优点，减少了加工成本和试验台改造成本的目的。而采用差速器6为可变传动比组件，其结构简单、易于加工。

继续参考图1、图2，加载装置8、减速器7与第一半轴66相连，用于向所述功率流封闭系统施加扭矩。扭矩由第二太阳轮69输入，传递至与之啮合的差速行星轮64、65，具体地，扭矩传递路径如下：

经过第一支路的扭矩传递如下：差速行星轮64、65将扭矩传递至与之啮合的第一太阳轮68，第一太阳轮68将扭矩传递至与之共轴线连接的第二半轴67，第二半轴67将扭矩传递至与之通过联轴器共轴线连接的第一输出轴41、第一输出轴41将扭矩传递至与之共轴线连接的试验太阳轮42，试验太阳轮42将扭矩传递至与之啮合的试验行星轮43，试验行星轮43将扭矩传递至与之啮合的试验内齿圈45，试验内齿圈45将扭矩传递至与之通过法兰连接的第一输入轴44，第一输入轴44将扭矩传递至与之连接的陪试齿轮箱3。

经过第二支路的扭矩传递如下：差速行星轮64、65将扭矩传递至差速行星架63以及与差速行星架63固连的驱动齿轮62，驱动齿轮62将扭矩传递至与之啮合的输入齿轮61，输入齿轮61将扭矩传递至转向齿轮箱5，转向齿轮箱5将扭矩传递至与之连接的陪试齿轮箱3，扭矩传递的两条支路封闭。转速、扭矩的封闭，形成了功率流封闭系统。同时，将驱动电机1与加载电机8分开，驱动电机1提供齿轮箱的转速，驱动电机1的功率只需克服功率流运转时损失掉的功率即可带动行星轮系齿轮箱运转，而加载电机8设置在低速高扭矩运行状态，通过并减速器7进一步加大扭矩，为齿轮箱提供扭矩，从而将提供转速与转矩的电机分开，即用较小的驱动功率就可实现大功率齿轮箱的试验。

综上，现有技术的功率流封闭系统中，试验配套的齿轮系统的只能匹配特定传动比的试验齿轮箱，导致更换试验齿轮箱时，也需要更换配套的齿轮系统；而对于数十兆瓦功率级别的齿轮箱而言，额外加工一个完全相同的齿轮箱的将导致测试成本高。前述试验台通过可变传动比组件、加载装置的设置，实现了试验台的差动加载，同一试验台不仅能进行不同传动比齿轮箱的试验，减少了加工成本和试验台改造成本；同时，将驱动电机与加载电机分开，驱动电机提供齿轮箱的转速，提供功率只需克服试验台各齿轮箱运转时损失掉的功率即可带动行星轮系齿轮箱运转，而加载电机设置在低速高扭矩运行状态，为齿轮箱提供扭矩，将提供转速与转矩的电机分开，即用较小的驱动功率就可实现大功率齿轮箱的试验。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。例如，将加载装置与功率流封闭系统的其它部件相连，例如差速行星架63以施加载荷，或是可变传动比组件采用更加复杂的无级变速器，如行星齿轮无级变速即ECVT(Electronic ContinuouslyVariable Transmission)结构。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种齿轮箱试验台，其特征在于，所述试验台包括功率流封闭系统、驱动装置和加载装置；所述驱动装置用于提供所述试验台运转消耗功率、带动所述功率流封闭系统运转，所述加载装置用于向所述功率流封闭系统施加扭矩；所述功率流封闭系统包括：

第一支路，所述第一支路包括陪试齿轮箱，试验齿轮箱，所述试验齿轮箱包括第一输出轴；

第二支路，所述第二支路包括所述陪试齿轮箱，可变传动比组件，所述可变传动比组件包括第二输出轴；

所述陪试齿轮箱接收来自所述驱动装置对所述功率流封闭系统的输入，所述第一输出轴与所述第二输出轴共轴线连接，形成转速传递的封闭，所述第一输出轴与所述第二输出轴的转速相等，以形成功率流封闭；所述第二支路的传动比随着所述试验齿轮箱的传动比的变化而变化。

2.如权利要求1所述的齿轮箱试验台，其特征在于，所述试验齿轮箱还包括试验行星轮系，所述试验行星轮系包括试验太阳轮、试验行星轮、试验内齿圈、试验行星架。

3.如权利要求1所述的齿轮箱试验台，其特征在于，所述可变传动比组件为差速器。

4.如权利要求3所述的齿轮箱试验台，其特征在于，所述差速器包括第一半轴、第二半轴、第一太阳轮、第二太阳轮、差速行星架、差速行星轮，所述第二半轴为所述第二输出轴。

5.如权利要求4所述的齿轮箱试验台，其特征在于，所述第一太阳轮与所述第二半轴共轴线连接，所述第二太阳轮与所述第一半轴共轴线连接，第一半轴与所述加载装置直接或间接相连。

6.如权利要求5所述的齿轮箱试验台，其特征在于，所述差速器还包括输入齿轮、驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述差速行星架固连，所述驱动齿轮与所述输入齿轮啮合，所述输入齿轮接收来自所述陪试齿轮箱的输出。

7.如权利要求4所述的齿轮箱试验台，其特征在于，所述驱动装置包括驱动电机、减速器，所述驱动装置的减速器的高速端与所述驱动电机相连，所述驱动装置的减速器的低速端与所述陪试齿轮箱相连，所述加载装置包括加载电机、减速器，所述加载装置的所述减速器的高速端与所述加载电机相连，所述加载装置的所述减速器的低速端与所述功率流封闭系统的所述第一半轴相连。

8.如权利要求1所述的齿轮箱试验台，其特征在于，所述第二支路还包括转向齿轮箱，所述转向齿轮箱与所述陪试齿轮箱、所述可变传动比组件直接或间接相连。

9.如权利要求1所述的齿轮箱试验台，其特征在于，所述可变传动比组件为无级变速器。

10.如权利要求1所述的齿轮箱试验台，其特征在于，所述第一输出轴与所述第二输出轴通过联轴器共轴线连接。

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