CN110792731A - 一种用于长寿命小型涡扇发动机的中心传动结构 - Google Patents

一种用于长寿命小型涡扇发动机的中心传动结构 Download PDF

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赵建亭
赵阳
党晓勇
王娜
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Abstract

本发明涉及一种用于长寿命小型涡扇发动机的中心传动结构，属于发动机技术领域。本发明通过对轴承结构及其配合零件的设计，增强了中心传动结构给附件传动组件输出功位置轴承的承载能力，使中心传动结构具备了承受轴向载荷的能力；对锥齿轮的设计，滑油通过锥齿轮的冷却通道，在离心力的作用下，实现了对轴承的有效冷却；通过齿轮材料的设计，使其承载能力提升，使用寿命增加。

Description

一种用于长寿命小型涡扇发动机的中心传动结构
技术领域
本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种用于长寿命小型涡扇发动机的中心传动结构。
背景技术
小型涡轮发动机传动装置为典型高速旋转的机械结构件，现有传动装置主要由中心传动组件，附件传动组件，发电机齿轮螺母以及高压轴齿轮螺母四部分组成，如图1所示。发动机传动装置主要是将发动机高压轴上的部分扭矩传递给高速交流发电机和附件传动组件，高速交流发电机运转为弹上提供所需的电力；附件传动运转带动滑油泵、燃油增压泵和供油调节器运转工作，为发动机润滑系统工作、燃油调节提供动力。
结合图1传动装置可知，在传动系统运行过程中，会受到外部冲击或内部激励振动的影响。花键轴的两端都存在锥齿轮副传动，而齿轮在啮合过程中存在内部激励，且花键端间隙比较大也会引起额外振动的情况。所以传动系统轴承的径向受力与轴向受力都随之增加，对轴承的负载与寿命带来了巨大的考验。同时要保证传动系统能够长时间可靠运行，对于齿轮材料的选择也有一定要求。
如图1所示，目前中心传动组件关键部位的轴承1采用的深沟球轴承，通过分析认为，在中心传动组件工作过程中，此轴承要承受较大的轴向载荷，这不符合深沟球轴承长时间使用的要求；且目前中心传动组件中齿轮的材料为2Cr3WMoV，若想使得中心传动组件长时间可靠工作，需要选用性能指标更好的二代齿轮钢。
通过传动系统的部件试验可知，现有中心传动结构在工作40h后发生了失效，因此迫切需要设计一种简单可靠的传动结构形式，满足长寿命小型涡扇发动机的使用需求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种简单可靠的传动结构形式，满足长寿命小型涡扇发动机的使用需求。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于长寿命小型涡扇发动机的中心传动结构，包括壳体9、自锁螺母1、成对角接触轴承 2、孔用挡圈3、调整垫圈4、锥齿轮5；
将成对角接触球轴承2相对的端面紧贴放置后装入到壳体9上对应的环槽位置，壳体9靠近锥齿轮5啮合端面的位置设有台阶，台阶与环槽的轴向距离大于成对角接触球轴承2的轴向长度之和，成对角接触轴承2的外圈一端顶到壳体9的台阶处，用于对成对角接触轴承2外圈轴向限位；将调整垫圈4从锥齿轮5的圆柱端套入，至靠近啮合端面的位置，装好后放入壳体9内使调整垫圈4与成对角接触球轴承2的内圈接触，用于对成对角接触球轴承2内圈轴向限位，并调整锥齿轮5 与相邻锥齿轮之间的啮合位置；将孔用挡圈3装入壳体9的环槽内，对成对角接触球轴承2的外圈另一端进行限位；最后将自锁螺母1从锥齿轮5的圆柱端拧入，对成对角接触轴承2的内圈轴向限位，此时的拧紧力矩为5±0.5N.m，以保证锥齿轮5既能转动灵活又能与相邻的锥齿轮有效啮合。
优选地，所述自锁螺母1的拧紧力矩为5±0.5N.m，以保证锥齿轮 5既能转动灵活又能与相邻的锥齿轮有效啮合。
优选地，所述中心传动结构用于将发动机高压轴上的部分扭矩一部分通过柱齿轮13传递给交流发电机。
优选地，所述锥齿轮的啮合端面包括部分A和部分B，在保证齿面的啮合要求基础上，部分A相对于部分B前移使得二者不在同一中心轴线上，进一步，部分A相对于部分B壁厚更薄；在锥齿轮的啮合端面上，具有中心轴与前移的啮合端面的部分A的中心轴成60°角均布一周的4个冷却通道。
优选地，所述锥齿轮5的材料为二代齿轮钢16Cr3NiWMoVNbE。
优选地，所述柱齿轮13的材料为二代齿轮钢16Cr3NiWMoVNbE。
本发明还提供了一种用于长寿命小型涡扇发动机，包括所述的中心传动结构。
优选地，所述用于长寿命小型涡扇发动机还包括附件传动组件。
优选地，所述用于长寿命小型涡扇发动机还包括发电机齿轮螺母。
优选地，所述用于长寿命小型涡扇发动机还包括高压轴齿轮螺母。
(三)有益效果
本发明通过对轴承结构及其配合零件的设计，增强了中心传动结构给附件传动组件输出功位置轴承的承载能力，使中心传动结构具备了承受轴向载荷的能力；对锥齿轮的设计，滑油通过锥齿轮的冷却通道，在离心力的作用下，实现了对轴承的有效冷却；通过齿轮材料的设计，使其承载能力提升，使用寿命增加。
附图说明
图1是小型涡轮发动机传动装置结构示意图；
图2是本发明的用于长寿命小型涡扇发动机的中心传动结构示意图；
图3是本发明的核心装配结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明设计了一种用于长寿命小型涡扇发动机的中心传动结构，此结构能够承受外部冲击或内部激励振动的影响，大幅提升现有结构的使用寿命，满足长寿命小型涡扇发动机的使用需求。
如图2所示，本发明的一种用于长寿命小型涡扇发动机的中心传动结构，包括壳体9、自锁螺母1、成对角接触轴承2、孔用挡圈3、调整垫圈4、锥齿轮5(包括形成为一体啮合端面和圆柱端)、柱齿轮13。
本发明的核心设计如图3所示，对核心设计部分装配时，将成对角接触球轴承2中的两个角接触球轴承2相对的端面紧贴放置，成对角接触球轴承2装入到壳体9上对应的环槽位置(用于装配轴承的位置)，壳体9靠近锥齿轮5啮合端面的位置设有台阶，台阶与环槽的轴向距离略大于成对角接触球轴承2的轴向长度之和，成对角接触轴承2的外圈一端顶到壳体9的台阶处，用于对成对角接触轴承2外圈轴向限位；将调整垫圈4从锥齿轮5的圆柱端套入，至靠近啮合端面的位置，装好后放入壳体9内使调整垫圈4与成对角接触球轴承2的内圈接触，用于对成对角接触球轴承2内圈轴向限位，并调整锥齿轮5与相邻锥齿轮之间的啮合位置；将孔用挡圈3装入壳体9的环槽内，对成对角接触球轴承 2的外圈另一端进行限位；最后将自锁螺母1从锥齿轮5的圆柱端拧入，对成对角接触轴承2的内圈轴向限位，此时的拧紧力矩为5±0.5N.m，以保证锥齿轮5既能转动灵活又能与相邻的锥齿轮有效啮合。
中心传动结构主要作用是将发动机高压轴上的部分扭矩一部分通过图2中柱齿轮13传递给高速交流发电机，一部分通过图2、3中锥齿轮5的内花键传递给附件传动组件。高速交流发电机运转为弹上提供所需的电力，附件传动组件运转带动滑油泵、燃油增压泵和供油调节器运转工作，为发动机润滑系统工作、燃油调节提供动力。
所述锥齿轮的啮合端面包括部分A和部分B，在保证齿面的啮合要求基础上，部分A相对于部分B前移使得二者不在同一中心轴线上，进一步，部分A相对于部分B壁厚更薄；在锥齿轮的啮合端面上，具有中心轴与前移的啮合端面的部分A的中心轴成60°角均布一周的4 个冷却通道。
通过本发明的设计，可以有效提高中心传动组件的承载能力。将原有中心传动结构的深沟球轴承设计为能够承受轴向载荷的成对角接触球轴承2；将原有中心传动结构的锥齿轮设计为利于滑油通过的冷却通道的锥齿轮5，使得在离心力的作用下，可以对成对角接触球轴承2进行冷却和润滑；而且将中心传动结构中锥齿轮5、柱齿轮13 的材料由2Cr3WMoV更改为二代齿轮钢16Cr3NiWMoVNbE，大幅提升了齿轮的承载能力。对设计后的锥齿轮结构进行了强度及振动分析。由静强度分析可知锥齿轮的等效应力及位移分布。最大等效应力远小于材料的屈服极限，同时位移变化量在5微米以内，静强度上可以满足使用要求。由振动分析可知，在发动机长时间稳态工作转速范围内锥齿轮共振裕度约为12.3％，发生共振可能性较低。从共振转速图可以看出，锥齿轮5的材料采用二代齿轮钢16Cr3NiWMoVNbE，有效提高其承载能力，使得使用寿命增加。
通过传动系统的试验验证，本发明相对于现有小型涡扇发动机的传动系统，有效的提高了其使用寿命，由原有40h使用寿命提高为 200h。为长寿命小型涡扇发动机提供了一种中心传动结构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于长寿命小型涡扇发动机的中心传动结构，其特征在于，包括壳体(9)、自锁螺母(1)、成对角接触轴承(2)、孔用挡圈(3)、调整垫圈(4)、锥齿轮(5)；
将成对角接触球轴承(2)相对的端面紧贴放置后装入到壳体(9)上对应的环槽位置，壳体(9)靠近锥齿轮(5)啮合端面的位置设有台阶，台阶与环槽的轴向距离大于成对角接触球轴承(2)的轴向长度之和，成对角接触轴承(2)的外圈一端顶到壳体(9)的台阶处，用于对成对角接触轴承(2)外圈轴向限位；将调整垫圈(4)从锥齿轮(5)的圆柱端套入，至靠近啮合端面的位置，装好后放入壳体(9)内使调整垫圈(4)与成对角接触球轴承(2)的内圈接触，用于对成对角接触球轴承(2)内圈轴向限位，并调整锥齿轮(5)与相邻锥齿轮之间的啮合位置；将孔用挡圈(3)装入壳体(9)的环槽内，对成对角接触球轴承(2)的外圈另一端进行限位；最后将自锁螺母(1)从锥齿轮(5)的圆柱端拧入，对成对角接触轴承(2)的内圈轴向限位。
2.如权利要求1所述的中心传动结构，其特征在于，所述自锁螺母(1)的拧紧力矩为5±0.5N.m，以保证锥齿轮(5)既能转动灵活又能与相邻的锥齿轮有效啮合。
3.如权利要求1所述的中心传动结构，其特征在于，所述中心传动结构用于将发动机高压轴上的部分扭矩一部分通过柱齿轮(13)传递给交流发电机。
4.如权利要求1所述的中心传动结构，其特征在于，所述锥齿轮的啮合端面包括部分A和部分B，在保证齿面的啮合要求基础上，部分A相对于部分B前移使得二者不在同一中心轴线上，进一步，部分A相对于部分B壁厚更薄；在锥齿轮的啮合端面上，具有中心轴与前移的啮合端面的部分A的中心轴成60°角均布一周的多个冷却通道。
5.如权利要求1所述的中心传动结构，其特征在于，所述锥齿轮5的材料为二代齿轮钢16Cr3NiWMoVNbE。
6.如权利要求1所述的中心传动结构，其特征在于，所述柱齿轮13的材料为二代齿轮钢16Cr3NiWMoVNbE。
7.一种用于长寿命小型涡扇发动机，其特征在于，包括如权利要求1至6中任一项所述的中心传动结构。
8.如权利要求7所述的用于长寿命小型涡扇发动机，其特征在于，所述用于长寿命小型涡扇发动机还包括附件传动组件。
9.如权利要求8所述的用于长寿命小型涡扇发动机，其特征在于，所述用于长寿命小型涡扇发动机还包括发电机齿轮螺母。
10.如权利要求8所述的用于长寿命小型涡扇发动机，其特征在于，所述用于长寿命小型涡扇发动机还包括高压轴齿轮螺母。
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