CN110455539B - 一种齿轮箱式轴向力加载装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种齿轮箱式轴向力加载装置及方法，所述装置包括：齿轮箱体、输入轴、第一输出轴和第二输出轴；第一输出轴和第二输出轴对称设置在输入轴两侧，并且输入轴、第一输出轴和第二输出轴通过斜齿轮的啮合连接；输入轴的一端穿过第一轴承经第一联轴器与第一测功机连接，另一端穿过第二轴承经法兰盘与涡桨发动机的输出轴连接；第一输出轴的一端穿过第三轴承经第二联轴器与第二测功机连接；第二输出轴的一端穿过第五轴承经第三联轴器与第三测功机连接。本发明能满足轴向力动态加载功能，可以为涡桨发动机输出轴进行轴向力加载。同时，其造价低廉，安装方便，安全可靠。

Description

一种齿轮箱式轴向力加载装置及方法

技术领域

本发明涉及轴向力加载试验技术领域，尤其是一种齿轮箱式轴向力加载装置及方法。

背景技术

在涡桨发动机试车试验中，其输出轴是未装配螺旋桨的，常常利用电涡流测功器代替螺旋桨，用于精确测量发动机的输出功率和扭矩。由于测功机不能承受轴向力，缺少了螺旋桨产生的轴向拉力，则很容易使桨轴上的轴承轻载、打滑，导致轴承出现磨损等故障。

为了解决以上问题，涡桨发动机在进行试车试验时，需对其输出轴进行轴向力加载，该力就是为了给涡桨发动机浆轴的轴承施加预载(缺失螺旋桨后，浆轴的窜动和振动等会导致轴承轻载、打滑)。在发动机工作的过程中，这种载荷力是动态值，根据某型涡桨发动机的试验测试数据推算，该轴向力范围为120kgf～400kgf之间。

如何对输出轴进行轴向力加载？在设计轴向力加载装置时，需要满足以下几点条件：

1)在涡桨发动机高空模拟试验时对其输出轴进行轴向力加载，该输出轴转速恒定保持在2000r/min；

2)该输出轴需与测功机的轴相连，输出轴传递扭矩给测功机的轴，测功机轴不能承受轴向力，因此，加载轴向力的装置只能安装于涡桨发动机输出轴与测功机轴之间，且需保证测功机轴端不受轴向力；

3)涡桨发动机进行试车试验时，发动机的热涨会导致加载的轴向力变化，需对轴向力进行动态调整；

4)涡桨发动机在试车过程中，螺旋桨产生的轴向力随转速和输出功率的增大而增大，浆轴的轴承受到的轴向力也是逐渐增大到合理要求值(如在发动机试车前就施加一个较大的轴向力，可能会影响发动机的起动规律，频繁起动也会影响轴承的寿命)。

传统的轴向力加载装置采取的是机械加载方式，在输出轴上另安装推力轴承，推力轴承安装在轴承座上，通过弹簧将轴承座与底座相连，底座固定在基础或地面上，利用底座和弹簧对轴承座施加轴向弹性力，轴向力通过轴承座传递到推力轴承上，推力轴承再把轴向力传递给涡桨发动机输出轴，从而实现输出轴轴向力的加载。轴向力的大小由弹簧产生的弹性力来确定，也就是弹簧的变形量来具体反应。这种传统加载方式可实现对涡桨发动机输出轴的轴向力加载，但其会对发动机起动规律和轴承的寿命产生影响，也不能在试车过程中对轴向力的大小进行动态调整，且其结构较为复杂、零件较多、制造成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种齿轮箱式轴向力加载装置及方法。

本发明提供的一种齿轮箱式轴向力加载装置，包括：齿轮箱体、输入轴、第一输出轴和第二输出轴；第一输出轴和第二输出轴对称设置在输入轴两侧，并且输入轴、第一输出轴和第二输出轴通过斜齿轮的啮合连接；

所述齿轮箱体上相对的侧壁上设置有第一轴承、第二轴承、第三轴承、第四轴承、第五轴承和第六轴承；输入轴通过第一轴承和第二轴承在齿轮箱体上形成支撑；第一输出轴通过第三轴承和第四轴承在齿轮箱体上形成支撑；第二输出轴通过第五轴承和第六轴承在齿轮箱体上形成支撑；

输入轴的一端穿过第一轴承经第一联轴器与第一测功机连接，另一端穿过第二轴承经法兰盘与涡桨发动机的输出轴连接；第一输出轴的一端穿过第三轴承经第二联轴器与第二测功机连接；第二输出轴的一端穿过第五轴承经第三联轴器与第三测功机连接。

作为优选，所述第一联轴器、第二联轴器和第三联轴器为花键联轴器。

作为优选，所述第一轴承和第二轴承为滚棒轴承。

作为优选，第三轴承、第四轴承、第五轴承和第六轴承为角接触球轴承。

本发明还提供一种齿轮箱式轴向力加载方法，包括：

(1)通过第一测功机控制输入轴的恒定转速；

(2)通过第二测功机和第三测功机控制输出轴的扭矩；

(3)在第二测功机和第三测功机控制输出轴的扭矩时，通过第一测功机控制输入轴的扭矩。

进一步地，所述第二测功机和第三测功机获得的斜齿轮产生的合扭矩M与轴向力F_a的表达关系式为

其中，d为斜齿轮的分度圆直径，β为斜齿轮的螺旋角。

进一步地，所述第二测功机和第三测功机采用PID的方式控制第一输出轴和第二输出轴的扭矩。

进一步地，所述第二测功机和第三测功机采用PID的方式控制第一输出轴和第二输出轴的扭矩的方法为：

(1)利用磁滞力对第一输出轴和第二输出轴的扭矩进行调整，并监测第一输出轴和第二输出轴的实时扭矩值；

(2)将第一输出轴和第二输出轴的实时扭矩值与目标扭矩值进行对比，若第一输出轴和第二输出轴的实时扭矩值与目标扭矩值相差较大，则对第一输出轴和第二输出轴的扭矩进行循环调节，直至实时扭矩值逼近目标扭矩值。

进一步地，所述第一测功机采用PID的方式控制输入轴的扭矩。

进一步地，所述第一测功机采用PID的方式控制输入轴的扭矩的方法为：

(1)利用磁滞力对输入轴的扭矩进行调整，并监测输入轴的实时扭矩值；

(2)若输入轴的实时扭矩值与剩余扭矩值不匹配，则对输入轴的扭矩进行循环调节，直至输入轴的实时扭矩值与剩余扭矩值相匹配。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明的齿轮箱式轴向力加载装置能满足轴向力动态加载功能，可以为涡轮螺旋桨发动机输出轴进行轴向力加载。同时，其造价低廉，安装方便，安全可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的齿轮箱式轴向力加载装置的结构示意图。

图2为本发明的齿轮箱式轴向力加载方法的原理框图。

附图标记：1-斜齿轮，10-输入轴，11-第一输出轴，12-第二输出轴，21-第一轴承，22-第二轴承，23-第三轴承，24-第四轴承，25-第五轴承，26-第六轴承，31-第一联轴器，32-第二联轴器，33-第三联轴器，41-第一测功机，42-第二测功机，43-第三测功机，50-法兰盘，100-齿轮箱体，200-涡桨发动机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供的一种齿轮箱式轴向力加载装置，如图1所示，包括：齿轮箱体100、输入轴10、第一输出轴11和第一输出轴12；第一输出轴11和第一输出轴12对称设置在输入轴10两侧，并且输入轴10、第一输出轴11和第一输出轴12通过斜齿轮1的啮合连接；

所述齿轮箱体100上相对的侧壁上设置有第一轴承21、第二轴承22、第三轴承23、第四轴承24、第五轴承25和第六轴承26；输入轴10通过第一轴承21和第二轴承22在齿轮箱体100上形成支撑；第一输出轴11通过第三轴承23和第四轴承24在齿轮箱体100上形成支撑；第一输出轴12通过第五轴承25和第六轴承26在齿轮箱体100上形成支撑；

输入轴10的一端穿过第一轴承21经第一联轴器31与第一测功机41连接，另一端穿过第二轴承22经法兰盘50与涡桨发动机200的输出轴连接；第一输出轴11的一端穿过第三轴承23经第二联轴器32与第二测功机42连接；第一输出轴12的一端穿过第五轴承25经第三联轴器33与第三测功机43连接。

作为优选，所述第一联轴器31、第二联轴器32和第三联轴器33为花键联轴器。

作为优选，所述第一轴承21和第二轴承22为滚棒轴承。

作为优选，第三轴承23、第四轴承24、第五轴承25和第六轴承26为角接触球轴承。

工作原理为：

涡桨发动机200的输出轴以恒转速运行，则其输出的功率直接和扭矩相关，其产生的扭矩使得齿轮箱体100的输入轴10、第一输出轴11和第一输出轴12上的斜齿轮1的啮合产生轴向力，轴向力通过输入轴10(其支撑为第一轴承21和第二轴承22)在轴向移动传递到涡桨发动机200的输出轴上，其反向轴向力则通过输出轴的支撑(第三轴承23、第四轴承24、第五轴承25和第六轴承26)传递到齿轮箱体100上，从而实现对该涡桨发动机200输出轴的轴向力加载。其中，涡桨发动机200的输出轴产生的扭矩通过斜齿轮1可分为两部分，一部分直接被与输入轴10连接的第一测功机41吸收，另一部分通过斜齿轮1被分别与第一输出轴11和第一输出轴12连接的第二测功机42和第三测功机43吸收。第一输出轴11和第一输出轴12对称分布在输入轴10的两侧，两个斜齿轮1将轴向力一分为二，这样每个第一输出轴11和第一输出轴12上斜齿轮1的轴向力为总轴向力的二分之一，使输入轴10上斜齿轮1受力更加平衡，也使整个轴向力加载装置中斜齿轮1的螺旋角处在合理的范围。

当第一测功机通过输入轴控制的转速恒定时，与第一输出轴11和第二输出轴12连接的第二测功机42和第三测功机43获得的斜齿轮1产生的合扭矩M与轴向力F_a的表达关系式为

在齿轮箱体100尺寸结构确定后，斜齿轮的分度圆直径d和螺旋角β变为常数，则扭矩M与轴向力F_a呈线性关系。也就是说，与输入轴10连接的第一测功机41通过输入轴10进行恒转速控制，再通过第二测功机42和第三测功机43只需要将斜齿轮1产生的扭矩控制在要求的范围内，最后与输入轴10连接的第一测功机41通过输入轴10对涡桨发动机200产生的多余的扭矩(剩余扭矩值)进行吸收，就可对轴向力的大小进行控制，并实现对轴向力的合理动态加载。

由此，本发明还提供一种齿轮箱式轴向力加载方法，如图2所示，包括：

(1)通过第一测功机41控制输入轴10的恒定转速；

(2)通过第二测功机42和第三测功机43分别控制第一输出轴11和第二输出轴12的扭矩。

其中，所述第二测功机和第三测功机采用PID的方式控制第一输出轴和第二输出轴的扭矩。具体包括：

(1)利用磁滞力对第一输出轴和第二输出轴的扭矩进行调整，并监测第一输出轴和第二输出轴的实时扭矩值；

(2)将第一输出轴和第二输出轴的实时扭矩值与目标扭矩值进行对比，若第一输出轴和第二输出轴的实时扭矩值与目标扭矩值相差较大，则对第一输出轴和第二输出轴的扭矩进行循环调节，直至实时扭矩值逼近目标扭矩值。

其中，所述第一测功机采用PID的方式控制输入轴的扭矩。具体包括：

(1)利用磁滞力对输入轴的扭矩进行调整，并监测输入轴的实时扭矩值；

(2)若输入轴的实时扭矩值与剩余扭矩值不匹配，则对输入轴的扭矩进行循环调节，直至输入轴的实时扭矩值与剩余扭矩值相匹配。

上述过程中，实时扭矩值可以通过扭矩器进行测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种齿轮箱式轴向力加载装置，其特征在于，包括：齿轮箱体、输入轴、第一输出轴和第二输出轴；第一输出轴和第二输出轴对称设置在输入轴两侧，并且输入轴、第一输出轴和第二输出轴通过斜齿轮的啮合连接；

所述齿轮箱体上相对的侧壁上设置有第一轴承、第二轴承、第三轴承、第四轴承、第五轴承和第六轴承；输入轴通过第一轴承和第二轴承在齿轮箱体上形成支撑；第一输出轴通过第三轴承和第四轴承在齿轮箱体上形成支撑；第二输出轴通过第五轴承和第六轴承在齿轮箱体上形成支撑；

输入轴的一端穿过第一轴承经第一联轴器与第一测功机连接，另一端穿过第二轴承经法兰盘与涡桨发动机的输出轴连接；第一输出轴的一端穿过第三轴承经第二联轴器与第二测功机连接；第二输出轴的一端穿过第五轴承经第三联轴器与第三测功机连接。

2.根据权利要求1所述的齿轮箱式轴向力加载装置，其特征在于，所述第一联轴器、第二联轴器和第三联轴器为花键联轴器。

3.根据权利要求1所述的齿轮箱式轴向力加载装置，其特征在于，所述第一轴承和第二轴承为滚棒轴承。

4.根据权利要求1所述的齿轮箱式轴向力加载装置，其特征在于，第三轴承、第四轴承、第五轴承和第六轴承为角接触球轴承。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述的齿轮箱式轴向力加载装置的齿轮箱式轴向力加载方法，其特征在于，包括：

(1)通过第一测功机控制输入轴的恒定转速；

(2)通过第二测功机和第三测功机控制输出轴的扭矩；

(3)在第二测功机和第三测功机控制输出轴的扭矩时，通过第一测功机控制输入轴的扭矩。

6.根据权利要求5所述的齿轮箱式轴向力加载装置的控制方法，其特征在于，所述第二测功机和第三测功机获得的斜齿轮产生的合扭矩M与轴向力F_a的表达关系式为

其中，d为斜齿轮的分度圆直径，β为斜齿轮的螺旋角。

7.根据权利要求5所述的齿轮箱式轴向力加载装置的控制方法，其特征在于，所述第二测功机和第三测功机采用PID的方式控制第一输出轴和第二输出轴的扭矩。

8.根据权利要求7所述的齿轮箱式轴向力加载装置的控制方法，其特征在于，所述第二测功机和第三测功机采用PID的方式控制第一输出轴和第二输出轴的扭矩的方法为：

(1)利用磁滞力对第一输出轴和第二输出轴的扭矩进行调整，并监测第一输出轴和第二输出轴的实时扭矩值；

(2)将第一输出轴和第二输出轴的实时扭矩值与目标扭矩值进行对比，若第一输出轴和第二输出轴的实时扭矩值与目标扭矩值相差超过要求的范围，则对第一输出轴和第二输出轴的扭矩进行循环调节，直至实时扭矩值逼近目标扭矩值。

9.根据权利要求5所述的齿轮箱式轴向力加载装置的控制方法，其特征在于，所述第一测功机采用PID的方式控制输入轴的扭矩。

10.根据权利要求7所述的齿轮箱式轴向力加载装置的控制方法，其特征在于，所述第一测功机采用PID的方式控制输入轴的扭矩的方法为：

(1)利用磁滞力对输入轴的扭矩进行调整，并监测输入轴的实时扭矩值；

(2)若输入轴的实时扭矩值与剩余扭矩值不匹配，则对输入轴的扭矩进行循环调节，直至输入轴的实时扭矩值与剩余扭矩值相匹配。

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