CN114776395B - 用于涡轮机的高效周转齿轮组件及其制造方法 - Google Patents

用于涡轮机的高效周转齿轮组件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种用于涡轮机的高效周转齿轮组件及其制造方法。一种齿轮组件，该齿轮组件包含具有外表面(352、354)和表面(356)的多个行星齿轮副轴(330)，外表面(352、354)具有多个齿轮表面，表面(356)具有一个或多个支承表面。行星齿轮副轴的表面(356)的一个或多个支承表面具有第一表层硬化深度和第一渗氮硬度深度。行星齿轮副轴的外表面(352、354)的齿轮表面具有第二表层硬化深度。

Description

用于涡轮机的高效周转齿轮组件及其制造方法
技术领域
本主题大体涉及齿轮组件，并且特别地，涉及特定于某些涡轮机配置的齿轮组件布置。
确认政府支持
导致本申请的项目已根据No 945541拨款协议接收了来自清洁天空2联合行动(JU)的资助。JU接收来自欧洲联盟的地平线2020研究创新计划以及除联盟以外的清洁天空2JU成员的支持。
背景技术
涡扇发动机按照中央燃气涡轮核心驱动旁通风扇的原理运行，旁通风扇设位于发动机的舱室和发动机核心之间的径向位置处。对于这种配置，发动机大体受限于旁通风扇的允准尺寸，因为增加风扇的尺寸对应地增加舱室的尺寸和重量。相比之下，开式转子发动机按照旁通风扇设位于发动机舱室外侧的原理运行。相比于传统的涡扇发动机，这允准使用能够作用于更大体积空气的更大转子叶片，相比于常规涡扇发动机设计，潜在地改进推进效率。
针对包括涡扇和开式转子发动机的涡轮机的发动机设计要求高效和可靠的齿轮组件。如此，总是期望改进齿轮组件的效率和可靠性。
发明内容
本发明的各方面及优点将在以下描述中部分地阐述，或者可以从描述中显见，或者可以通过实践该描述中公开的技术来获知。
文中公开有各种涡轮机发动机和齿轮组件。在一些实施例中，提供有一种涡轮机发动机，其包括风扇组件和核心发动机，核心发动机包含涡轮和能够随涡轮旋转的输入轴。单级周转齿轮组件以第一速度接收输入轴并且以第二速度驱动联接到风扇组件的输出轴，第二速度比第一速度慢。齿轮组件包含太阳齿轮、多个行星齿轮和环齿轮。太阳齿轮绕着齿轮组件的纵向中心线旋转，并且沿着齿轮组件的纵向中心线具有太阳齿轮啮合区域，其中太阳齿轮配置成接触多个行星齿轮。沿着齿轮组件的纵向中心线设置有环齿轮啮合区域，其中环齿轮配置成接触多个行星齿轮。太阳齿轮啮合区域沿着纵向中心线在轴向上与环齿轮啮合区域偏移。
参考以下描述和所附权利要求书，将更好地了解本公开的这些及其他特征、方面和优点。并入并构成本说明书的一部分的附图图示该公开技术的实施例，并同描述一起用来说明该公开的原理。
附图说明
在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的全面且能实现的公开，说明书参考了附图，其中：
图1是开式转子推进系统的示例性实施例的横截面示意图；
图2是涵道推进系统的示例性实施例的横截面示意图；
图3是示例性齿轮组件的示意图；
图4是示例性行星齿轮副轴的横截面视图；
图5是图示对行星齿轮副轴的齿轮表面渗碳和渗氮的方法的流程图；
图6是图示对行星齿轮副轴的支承表面渗碳和渗氮的另一方法的流程图；
图7是图示对行星齿轮副轴的齿轮及支承表面渗碳和渗氮的方法的流程图；
图8是对齿轮表面和支承表面进行不同热处理的复合行星齿轮的一部分的示意图；
图9A和图9B是示例性行星齿轮副轴的横截面视图。
具体实施方式
现在将详细参考该发明的实施例，其中的一个或多个示例图示在附图中。通过说明该发明而非限制该发明的方式提供每个示例。事实上，对于本领域技术人员而言，显然，在不偏离该发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变型。比如，作为一个实施例的部分图示或描述的特征可以与另一实施例一起使用，以生出更进一步的实施例。因而，本发明旨在涵盖落入所附权利要求书及其等同物的范围之内的这些修改和变型。
词语“示例性”文中用以意指“用作示例、实例或图示”。文中描述为“示例性”的任何实施方式不必诠释为对相比于其它实施方式优选或有利。
文中使用的术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换地使用，以将一个部件与另一部件区分开，而不意在指明各个部件的位置或重要性。
术语“前”和“后”指代燃气涡轮发动机或载具之内的相对位置，并且指代燃气涡轮发动机或载具的正常运行姿态。例如，就燃气涡轮发动机而言，前指代更靠近发动机入口的位置，后指代更靠近发动机喷嘴或排放部的位置。
术语“上游”和“下游”指代相对于流体路线中的流体流动的相对方向。例如，“上游”指代流体从该处流动的方向，“下游”指代流体向该处流动的方向。
术语“联接”、“固定”、“附接”等等指代直接联接、固定或附接以及通过一个或多个中间部件或特征的间接联接、固定或附接，除非文中另有指定。
术语“对...渗碳”、“被渗碳”和“渗碳”指代一种表层硬化(case hardening)过程，其中碳引入步骤通过将钢零件暴露于碳密集的气氛而致使碳扩散到钢零件的表面层(如，齿轮表面)中。例如，齿轮部件的表面可以通过在碳密集的气氛中将其加热而被渗碳，允许碳原子附接到表面，借此获得硬度和强度这两者。渗碳可以通过各种工艺实现，例如包括真空渗碳、液体渗碳、固体渗碳和/或气体渗碳。术语“双渗碳”指代其中部件表面(如，齿轮表面)经受两次碳引入步骤的过程。除了碳引入步骤之外，渗碳过程可以包括其他过程，诸如奥氏体化、淬火以及各种温度和回火工序。
术语“渗氮”指代其中氮被添加到钢部件的表面(如，齿轮表面)的表面硬化处理。术语“双重硬化”指代在已被渗碳的表面上进行渗氮的过程。
术语“表层硬化深度”或“最终表层硬化深度”指代源于渗碳过程以及任何渗碳后加工(诸如去除坯料)后的硬化层的最终深度。具体地，表层硬化深度是从零件的表面向内到特定硬度的距离。例如，54HRC下1.0mm到1.5mm的表层硬化深度意指源于渗碳过程的硬化层在1.0到1.5毫米的指定深度范围之内具有54HRC的硬度。
术语“渗氮硬度深度”指代，通过测量从表面到计算硬度极限的距离，基于渗氮层的硬度在距表面的距离上的渗氮层的深度。例如，具有800HV下0.15mm的最小深度的渗氮层是在至少0.15mm的深度上具有800HV硬度的层。
除非上下文另有清楚规定，否则，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代。
文中遍及说明书和权利要求书使用的近似语言应用于修饰任何定量表示，可以允准变化而不引起其所涉及的基本功能的变动。由此，术语或各术语诸如“约”、“近似”和“大致”所修饰的数值不限于指定的精确数值。在至少一些实例中，近似语言可以对应于用于测量数值的仪器的精确度、或者用于构筑或制造部件和/或系统的方法或机器的精确度。例如，近似语言可以指代在百分之1、2、4、10、15或20的余量之内。
这里及遍及说明书和权利要求书，范围限制被组合和互换，这种范围被识别并包括其中含有的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。例如，文中公开的所有范围都包括端点，并且端点能够独立地彼此组合。
现在参考附图，图1是根据本公开各方面的包括齿轮组件102的发动机100的示例性实施例。发动机100包括由核心发动机106驱动的风扇组件104。在各种实施例中，核心发动机106是配置成驱动风扇组件104的布雷顿循环系统。核心发动机106至少部分地被外壳体114遮挡。风扇组件104包括多个风扇叶片108。轮叶组件110从外壳体114延伸。包括多个轮叶112的轮叶组件110定位成与风扇叶片108可操作地布置，以提供推力、控制推力矢量、减弱或重定向不期望的声学噪音，和/或以其他方式合意地相对于风扇叶片108变更空气流动。在一些实施例中，风扇组件104包括三(3)和二十(20)个之间的风扇叶片108。在特别的实施例中，风扇组件104包括十(10)和十六(16)个之间的风扇叶片108。在某些实施例中，风扇组件104包括十二(12)个风扇叶片108。在某些实施例中，轮叶组件110包括与风扇叶片108相等或更少数量的轮叶112。
在一些实施例中，巡航飞行条件下的风扇叶片尖端速度可以是650到900fps，或者700到800fps。针对风扇组件104的风扇压力比(FPR)可以是1.04到1.10，或者在一些实施例中是1.05到1.08，如在巡航飞行条件下跨风扇叶片测量的。
在某些实施例中，诸如图1中描绘的，轮叶组件110定位在风扇组件104下游或后方。然而，应当理解，在一些实施例中，轮叶组件110可以定位在风扇组件104上游或前方。在又各种实施例中，发动机100可以包括定位在风扇组件104前方的第一轮叶组件和定位在风扇组件104后方的第二轮叶组件。风扇组件104可以配置成合意地调整一个或多个风扇叶片108处的俯仰(pitch)，诸如，以控制推力矢量、减弱或重定向噪音及/或变更推力输出。轮叶组件110可以配置成合意地调整一个或多个轮叶112处的俯仰，诸如，以控制推力矢量、减弱或重定向噪音及/或变更推力输出。风扇组件104或轮叶组件110的一者或两者处的俯仰控制机构可以协作，以产生上面描述的一种或多种所需效果。
核心发动机106大体被包裹在限定最大直径的外壳体114中。在某些实施例中，发动机100包括从纵向前端116到纵向后端118的长度。在各种实施例中，发动机100限定长度(L)与最大直径(Dmax)的比率，提供减少的安装阻力。在一个实施例中，L/Dmax至少是2。在另一实施例中，L/Dmax至少是2.5。在一些实施例中，L/Dmax小于5、小于4以及小于3。在各种实施例中，应当理解，L/Dmax针对单无涵道转子发动机。
减少的安装阻力可以进一步提供改进的效率，诸如改进的燃料消耗率。附加地或替代地，减少的阻力可以提供巡航高度发动机和飞行器在0.5马赫或以上运行。在某些实施例中，L/Dmax、风扇组件104和/或轮叶组件110单独或一起，至少部分地使发动机100配置成以近似0.55马赫和近似0.85马赫之间的最大巡航高度运行速度运行。
再次参考图1，核心发动机106相对于发动机轴线中心线120在径向方向R上延伸。齿轮组件102通过动力输入源122从核心发动机106接收动力或扭矩，并且提供动力或扭矩，以通过动力输出源124在绕着发动机轴线中心线120的周向方向C上驱动风扇组件104。
在某些实施例中，诸如图1中描绘的，发动机100是无涵道推力产生系统，使得多个风扇叶片108未被舱室或风扇壳体遮挡。如此，在各种实施例中，发动机100可以被配置为未遮挡涡扇发动机、开式转子发动机或桨扇发动机。在特别的实施例中，发动机100是包括单排风扇叶片108的单无涵道转子发动机。配置为开式转子发动机的发动机100包括具有大直径风扇叶片108的风扇组件104，诸如可以适合于高旁通比、高巡航速度(如，与带有涡扇发动机的飞行器相比，或者，大体比带有涡桨发动机的飞行器巡航速度高)、高巡航高度(如，与带有涡扇发动机的飞行器相比，或者，大体比带有涡桨发动机的飞行器巡航速度高)和/或相对低的转速。巡航高度大体是爬升之后以及下降到进近飞行阶段以前飞行器平飞所在的高度。在各种实施例中，发动机应用于巡航高度高达近似65,000ft的载具。在某些实施例中，巡航高度在近似28,000ft和近似45,000ft之间。在又某些实施例中，巡航高度以基于海平面处的标准空气压力的飞行水平(FL)表示，其中巡航飞行条件在FL280和FL650之间。在另一实施例中，巡航飞行条件在FL280和FL450之间。在又某些实施例中，巡航高度至少基于大气压力来限定，其中基于近似14.70psia的海平面压力和近似59华氏度的海平面温度，巡航高度在近似4.85psia和近似0.82psia之间。在另一实施例中，巡航高度在近似4.85psia和近似2.14psia之间。应当理解，在某些实施例中，通过压力定义的巡航高度的范围可以基于不同的参考海平面压力和/或海平面温度来调整。
尽管上面图1中描绘为未遮挡或开式转子发动机，但是，应当理解，文中公开的齿轮组件可以应用于被遮挡或涵道发动机、局部涵道发动机、后风扇发动机或其他涡轮机配置，包括用于船舶、工业或航空推进系统的那些。此外，文中公开的齿轮组件还可以适用于涡扇、涡桨或涡轴发动机。
例如，图2是发动机200的示例性实施例的横截面示意图，发动机200包括与涵道风扇推进系统组合的齿轮组件202。然而，不像图2的开式转子配置，风扇组件204及其风扇叶片208容纳在环状风扇壳体230之内，并且轮叶组件210和轮叶212在风扇护罩232和风扇壳体230的内表面之间径向延伸。如上面论述的，文中公开的齿轮组件可以对于固定齿轮包络(如，带有相同尺寸的环齿轮)提供增加的齿轮比，或者替代地，可以使用较小直径的环齿轮来实现相同的齿轮比。
如图2中示出的，核心发动机206大体包裹在外壳体214中，并且具有从纵向前端216延伸到纵向后端218的长度。示例性核心发动机(针对涵道或无涵道发动机)可以包括一起呈串行流动布置的压缩机部段240、热量添加系统242(如，燃烧器)和扩张部段244。核心发动机206相对于发动机中心线轴线220周向延伸。核心发动机206包括高速线轴，高速线轴包括通过高速轴可操作地、可旋转地联接在一起的高速压缩机和高速涡轮。热量添加系统232定位在高速压缩机和高速涡轮之间。热量添加系统232的各种实施例包括燃烧部段。燃烧部段可以配置为爆燃燃烧部段、旋转爆震燃烧部段、脉冲爆震燃烧部段或者其他合适的热量添加系统。热量添加系统232可以配置为富燃系统或贫燃系统中的一种或多种，或者其组合。在各种实施例中，热量添加系统232包括环状燃烧器、罐式燃烧器、管筒燃烧器、驻涡燃烧器(TVC)或其他合适的燃烧系统或者其组合。
核心发动机206还可以包括定位成与高速压缩机呈流动关系的增压器或低速压缩机。低速压缩机经由低速轴246与低速涡轮可旋转地联接，以使低速涡轮能够驱动低速压缩机。低速轴246还可操作地连接到齿轮组件202，以经由动力输入源222向风扇组件204提供动力，诸如文中进一步描述的。
应当理解，当与压缩机、涡轮、轴或线轴部件一起使用时，术语“低”和“高”或者其相应的比较级(如，较，在适用的情况下)每个皆指代发动机之内的相对速度，除非另有指定。例如，“低涡轮”或“低速涡轮”定义发动机处被配置成以低于“高涡轮”或“高速涡轮”的转速(诸如最大允许转速)运行的部件。替代地，除非另有说明，否则前述术语可以按其最高级来理解。例如，“低涡轮”或“低速涡轮”可以指代涡轮部段之内的最低最大转速涡轮，“低压缩机”或“低速压缩机”可以指代压缩机部段之内的最低最大转速涡轮，“高涡轮机”或“高速涡轮机”可以指代涡轮部段之内的最高最大转速涡轮，以及“高压缩机”或“高速压缩机”可以指代压缩机部段之内的最高最大转速压缩机。相似地，低速线轴指代低于高速线轴的最大转速。应当进一步理解，就这些前述点而言，术语“低”或“高”可以附加地或替代地理解为相对于最小允许速度，或者相对于发动机的正常、所需、稳定状态等运行的最小或最大允许速度。
如下面更详细地论述的，核心发动机包括齿轮组件，齿轮组件被配置成从扩张部段传递动力，并且相对于低速涡轮减少风扇组件处的输出转速。文中描绘和描述的齿轮组件的实施例可以允许适合于大直径无涵道风扇(如，图1)或某些涡扇(如，图2)的齿轮比。附加地，文中提供的齿轮组件的实施例可以适合于外壳体之内的核心发动机的径向或直径约束。
文中描述的齿轮组件包括齿轮组，用于减小风扇组件相对于低速(压力)涡轮的转速。运行时，旋转的风扇叶片由低速(压力)涡轮经由齿轮组件驱动，使得风扇叶片围绕发动机轴线中心线旋转，并且生成推力以推动发动机，于是在前进方向上推动发动机安装其上的飞行器。
再次参考图1，可能希望风扇叶片104或轮叶112的一个或两个结合有俯仰变动机构，使得叶片可以相对于俯仰旋转轴线独立地或彼此结合地旋转。这种俯仰变动可以被运用来在各种运行条件下改变推力和/或涡流效应，包括提供在某些运行条件下(诸如飞行器着陆之时)可以有用的推力反向特征。
轮叶112可以尺寸定成、形状定成和配置成对流体施予反作用涡流，从而在风扇叶片104和轮叶112后方的下游方向上，流体具有大大减少的涡流度，这转化成增加的诱导效率水平。轮叶112可以具有比风扇叶片104短的跨度。例如，在一些实施例中，轮叶112可以具有为风扇叶片104的跨度的至少50％的跨度。在其他实施例中，如果需要，轮叶的跨度可以与风扇叶片104的跨度相同或比之更长。轮叶112可以附接到与发动机100关联的飞行器结构(如图1中示出的)，或者其他飞行器结构诸如机翼、挂架或机身。轮叶112可以在数量上比风扇叶片104的数量少或多，或者，在数量上与风扇叶片104的数量相同。在一些实施例中，轮叶112的数量在数量上多于两个或多于四个。风扇叶片104可以尺寸定成、形状定成和轮廓定成考虑到所需叶片负载。
图1和图2图示可以称为“拉出器”配置的情况，其中风扇组件设位于发动机核心前方。在本公开的范围之内，其他配置是可以的，可以设想，诸如可以称为“推动器”配置实施例的情况，其中发动机核心设位于风扇组件前方。“拉出器”或“推动器”配置的选定可以与关于预期飞行器应用的机架的安装方向的选定一致，一些可能结构上或运行上有利，这取决于安装位点和取向是否为机翼安装、机身安装或尾部安装配置。
在图1的示例性实施例中，空气通过风扇叶片后方的开口进入核心发动机106。图2更详细地图示这种开口。如图2所示，进入风扇组件的空气A分为进入核心发动机的空气A1和旁绕核心发动机的空气A2。
文中描绘和描述的齿轮组件的实施例可以提供适配于发动机的L/Dmax约束的齿轮比和布置。在某些实施例中，描绘和描述的齿轮组件允许齿轮比和布置提供与上面提供的巡航高度和/或巡航速度的一个或多个范围对应的风扇组件的转速。
文中提供的齿轮组件的各种实施例可以允许高达14:1的齿轮比。齿轮组件的又各种实施例可以允许至少6:1的齿轮比。文中提供的齿轮组件的再各种实施例允许在6:1和12:1之间、在7:1和11:1之间以及在8:1和10:1之间的齿轮比。应当理解，文中提供的齿轮组件的实施例可以允许大齿轮比，以及在约束之内，诸如但不限于发动机10的长度(L)、发动机的最大直径(Dmax)、高达65,000ft的巡航高度和/或高达0.85马赫的运行巡航速度或其组合。
各种示例性齿轮组件在文中示出并描述。这些齿轮组件可以与示例性发动机的任何发动机和/或可能希望这种齿轮组件的任何其他适合发动机一起运用。以这种方式，将会理解，文中公开的齿轮组件大体可以能够与发动机一起运行，该发动机具有带有多个转子叶片的旋转元件以及具有涡轮和能够随涡轮旋转的轴的涡轮机。对于这种发动机，旋转元件(如，风扇组件)可以通过齿轮组件由涡轮机的轴(如，低速轴)驱动。
图3图示带有复合对称布置的示例性齿轮组件302。齿轮组件302包括具有直径Ds的太阳齿轮304、具有直径Dp1的多个第一级行星齿轮306、具有直径Dp2的多个第二级行星齿轮308以及具有直径Dr的环齿轮310。在一些实施例中，环齿轮310可以是用螺栓连在一起的两部分环齿轮，如图3中示出的。太阳齿轮304、行星齿轮306、308和环齿轮310的每一个皆是双螺旋齿轮，带有相对于彼此以锐角倾斜的第一组螺旋齿和第二组螺旋齿。特别地，太阳齿轮204包含第一太阳齿轮组312和第二太阳齿轮组314。第一级行星齿轮的每一个皆包含第一行星齿轮组316和第二行星齿轮组318，第二级行星齿轮的每一个皆包含第三行星齿轮组320和第四行星齿轮组322。环齿轮310包含第一环齿轮组324和第二环齿轮组326。
如下面更详细地论述的，行星齿轮的数量可以变化。在一个实施例中，存在三个复合行星齿轮(如，306、308)。在另一实施例中，可以存在两到四个复合行星齿轮。
如图4中示出的，复合行星齿轮306、308由具有管状构造的副轴330支撑。文中使用的“管状”意指具有中空内部截面的纵向延伸结构。管状副轴可以包含支撑第一级行星齿轮和第二级行星齿轮的内表面和外表面，如文中论述的。
管状副轴可以在两个外部分334之间包含支撑第一级行星齿轮306的中间部分332。如图4(及其他地方)中示出的，第一级行星齿轮的直径Dp1可以大于第二级行星齿轮的直径Dp2。在一些实施例中，Dp1:Dp2的比率可以从1.0变化到2.0，或者，在一些实施例中，从1.2到1.7，或从1.3到1.6，或从1.4到1.5。
由于第一级行星齿轮和第二级行星齿轮的直径上的不同，管状副轴330可以相似地变化，以支撑这些齿轮。因而，如图4中示出的，中间部分332具有比外部分334大的直径，其中副轴的成角度部分在中间部分332和外部分334之间延伸。
在一些实施例中，副轴330可以包含多个孔338，以清除齿轮组件之内的润滑油。如图4中示出的，多个孔338可以在第一外部分和第二外部分334之间的中间部分332(如，扩大部分)处围绕副轴330周向延伸。
在一些实施例中，第一级和第二级之间的齿轮比对于每一级分配范围为从40％到60％(即，对于第一级从40％到60％，对于第二级从60％到40％)。
如上面论述的，在一些实施例中，太阳齿轮304、行星齿轮306、308和环齿轮310可以是具有相对于彼此以锐角倾斜的第一组螺旋齿和第二组螺旋齿的双螺旋齿轮。
在图3中示出的实施例中，齿轮组件302是星形齿轮配置，其中行星架通过支撑结构大体固定(如，不旋转)在发动机之内。太阳齿轮304由输入轴(如，低速轴)驱动。行星齿轮架328可旋转地联接到复合行星齿轮306、308的副轴，环齿轮310配置成在周向方向上绕着纵向发动机轴线中心线旋转，这转而又驱动动力输出源(如风扇轴)，该动力输出源联接到环齿轮并且配置成与环齿轮一起旋转，以驱动风扇组件。在该实施例中，低速轴在与风扇轴旋转的方向相反的周向方向上旋转。
在其他实施例中，齿轮组件可以具有行星配置，其中环齿轮通过支撑结构固定(如，不旋转)在发动机之内。太阳齿轮由输入轴(即，低速轴)驱动，并且代替环齿轮旋转，行星架在与低速轴旋转方向相同的方向上旋转，以驱动动力输出源(如，风扇轴或推进器轴)和风扇组件。
再次参考图3，环齿轮310联接到风扇驱动轴340，以驱动风扇。太阳齿轮304联接到输入动力源(如，输入轴342)。在一些实施例中，输入轴可以与太阳齿轮一体地形成。行星齿轮的双螺旋啮合轴向地平衡每个复合行星齿轮的四个(相位)齿轮组上的负载。第二级的行星齿轮308可以由行星孔口处的两排圆柱滚子轴承344支撑。此外，风扇驱动轴340可以由圆锥滚子轴承350支撑，圆锥滚子轴承350以轴向紧凑的方式支撑风扇驱动轴。在一些实施例中，滚子轴承可以由陶瓷材料形成。在一些实施例中，滚子轴承可以通过座圈下润滑来润滑，其中润滑被导向到内座圈下并且通过内座圈中的多个孔挤出。替代地，滚子轴承可以通过保持架下润滑来润滑，其中润滑由邻近于滑动保持架的孔提供。在一些实施例中，如图3中示出的，两组滚子轴承344的内支撑元件可以是实心独特元件。
如图3和图4中示出的，管状副轴330包含在支撑第二级行星齿轮308的两个外部分334之间支撑第一级行星齿轮306的中间部分332。第一级行星齿轮306的外表面352(即，齿)与太阳齿轮304接合，而第二级行星齿轮308的外表面354(即，齿)与环齿轮310接合并且内表面356与滚子轴承344接合。因而，管状副轴330具有为支承表面(如，轴承座圈)的内表面356以及带有齿轮齿的外表面352、354。
尽管图3和图4中示出为内表面，但是应当理解，支承表面替代地可以是管状副轴330外部的外表面或其他表面。例如，图9A和图9B图示替代的支承表面。图9A图示示例性支承表面456，该支承表面456具有小于齿轮354的内直径的外直径，图9B图示示例性支承表面556，该支承表面556具有大于齿轮354的外直径的外直径。
内表面和外表面两者均可以历经热处理，以硬化表面。然而，已经确定可以通过对内表面和外表面提供不同的热处理来实现增强的可靠性和效率。如下面更详细地论述的，在一个实施例中，外表面(即，齿轮表面)可以经受单渗碳和渗氮热处理过程，而内表面(即，支承表面)可以经受双渗碳和渗氮热处理过程。文中描述的渗氮过程可以提供附加的、有益的、压缩残余应力，增加齿轮和轴承两者的强度。
参考图5，在一个实施例中，副轴330的齿轮齿(外表面352、354)可以经受渗碳过程360，提供54HRC(洛氏C)下在0.4到1.6mm之间的齿轮表面(GS)表层硬化深度，或者更优选地，54HRC下0.8到1.2mm。
在表层硬化到所需深度之后，副轴330的齿轮齿(外表面352、354)可以进一步经受渗氮过程362。渗氮过程可以提供表面处800HV的最小渗氮硬度，以及表面硬度在800和1000HV之间的情况下，0.10mm的最小渗氮硬度深度，优选地，在850HV和950HV之间，或者，在875HV和925HV之间。在一些实施例中，800之间的渗氮硬度深度不超过0.3mm或0.5mm。
参考图6，副轴330的支承表面(内表面356)可以经受双渗碳过程364，提供54HRC下在1.0和2.2mm之间的支承表面(BS)表层硬化深度，更优选地，54HRC下1.4-1.8mm。
因而，BS表层硬化深度可以大于GS表层硬化深度。在一些实施例中，BS表层硬化深度与GS表层硬化深度的比率可以在1.16到2.25的范围内。
在表层硬化到所需深度之后，副轴330的支承表面(内表面356)可以进一步经受渗氮过程366。渗氮过程可以提供表面处至少800HV的最小渗氮硬度，以及表面硬度在800和1000HV之间的情况下，0.10mm的最小渗氮深度，优选地，在850HV和950HV之间，或者，在875HV和925HV之间。在一些实施例中，800HV的渗氮硬度深度不超过0.3mm或0.5mm。
如上面论述的，比之于为齿轮齿(外表面352、354)，双渗碳步骤364为支承表面(内表面356)提供更大的表层硬化深度。图7图示在双渗碳过程的第二碳引入步骤期间保护具有较低表层硬化深度的副轴的一部分(如，齿轮齿)的过程。特别地，内表面和外表面两者均暴露于第一渗碳步骤368(即，第一碳引入步骤)，之后，在执行第二渗碳步骤372(即，第二碳引入步骤)之前保护外表面免受附加的渗碳370。可以以各种方式保护外表面(如，齿轮齿)免受第二渗碳步骤(即，第二碳引入步骤)。例如，可以在第二渗碳期间施加铜涂层来保护齿轮齿。替代的，厚度大于预期渗碳深度的附加的储备材料可以在第一渗碳循环期间留在原位并且去除，从而第二渗碳循环提供所需渗碳深度。如果施加保护涂层(如，铜涂层)，则可以在渗氮内表面和外表面(376)以前去除涂层(374)。
在替代实施例中，齿轮表面可以仅经受渗碳过程。例如，该过程和所得结构可以如上面描述的，只是齿轮表面不经受渗氮步骤。
图8是在历经文中公开的渗碳和渗氮步骤之后的示例性第一级行星齿轮306和第二级行星齿轮308的示意性视图。如图8中示出的，外表面352、354处的齿轮齿具有小于内表面356的支承表面的BS表层硬化深度380(如，1.4-1.8mm)的GS表层硬化深度378(如，0.8-1.2mm)。表面352、354、356的渗氮深度382可以相同或大致相同(如，在10％之内)。
该书面描述使用示例来公开该发明，包括最佳模式，还使本领域技术人员能够实践该发明，包括制作和使用任何装置或系统，并执行任何并入的方法。该发明的可专利权范围由权利要求书来限定，可以包括本领域技术人员容易想到的其他示例。这种其他示例旨在落入权利要求书的范围内，如果该示例包括与权利要求书的文字语言并无不同的结构元素，或者，如果该示例包括与权利要求书的文字语言无实质不同的等同结构元素。
本发明的进一步方面通过以下条项的主题提供：
1.一种齿轮组件，包含：太阳齿轮(304)，配置成绕着齿轮组件的纵向中心线(120、220、320)旋转；多个行星齿轮副轴(330)，行星齿轮副轴(330)与太阳齿轮(304)接合，行星齿轮副轴(330)每个皆包含具有多个齿轮表面的外表面(352、354)和具有一个或多个支承表面的表面(356)；以及，环齿轮(310)，与多个行星齿轮副轴(330)接合，其中，行星齿轮副轴的表面(356)的一个或多个支承表面具有第一表层硬化深度和第一渗氮硬度深度，并且其中，行星齿轮副轴的外表面(352、354)的齿轮表面具有第二表层硬化深度。在一些实施例中，行星齿轮副轴还可以具有第二渗氮硬度深度。
2.如文中条项中任一项所述的齿轮组件，其中，第一表层硬化深度大于第二表层硬化深度。
3.如文中条项中任一项所述的齿轮组件，其中，第二表层硬化深度在54HRC下在0.4到1.6mm之间，并且第一表层硬化深度在54HRC下在1.0和2.2mm之间。
4.如文中条项中任一项所述的齿轮组件，其中，第二表层硬化深度在54HRC下在0.8到1.2mm之间，并且第一表层硬化深度在54HRC下在1.4和1.8mm之间。
5.如文中条项中任一项所述的齿轮组件，其中，第一表层硬化深度与第二表层硬化深度的比率在54HRC下在1.16到2.25之间。
6.如文中条项中任一项所述的齿轮组件，其中，第二渗氮硬度深度是表面硬度在800和1000HV之间的情况下，0.10mm的最小渗氮深度。
7.如文中条项中任一项所述的齿轮组件，其中，第一渗氮硬度深度是表面硬度在800和1000HV之间的情况下，0.10mm的最小渗氮深度。
8.如文中条项中任一项所述的齿轮组件，其中，第一渗氮硬度深度和第二渗氮硬度深度是表面硬度大于800HV的情况下，0.10mm的最小渗氮深度。
9.如文中条项中任一项所述的齿轮组件，其中，行星齿轮副轴(330)的外表面的多个齿轮表面包含第一级行星齿轮(306)和第二级行星齿轮(308)。
10.如文中条项中任一项所述的齿轮组件，进一步包含将第二级行星齿轮支撑在行星齿轮副轴的表面上的一排或多排滚子轴承。
11.一种形成行星齿轮副轴(330)的方法，包含：将行星齿轮副轴(330)的表面(356)的一个或多个支承表面渗碳到第一表层硬化深度；将行星齿轮副轴(330)的外表面(352、354)的多个齿轮表面渗碳到第二表层硬化深度；将行星齿轮副轴(330)的表面(356)的一个或多个支承表面渗氮到第一渗氮硬度深度；以及，将行星齿轮副轴(330)的外表面(352、354)的多个齿轮表面渗氮到第二渗氮硬度深度。
12.如文中条项中任一项所述的方法，其中，第一表层硬化深度大于第二表层硬化深度。
13.如文中条项中任一项所述的方法，其中，第二表层硬化深度在54HRC下在0.4到1.6mm之间，并且第一表层硬化深度在54HRC下在1.0和2.2mm之间。
14.如文中条项中任一项所述的方法，其中，第二表层硬化深度在54HRC下在0.8到1.2mm之间，并且第一表层硬化深度在54HRC下在1.4和1.8mm之间。
15.如文中条项中任一项所述的方法，其中，第一表层硬化深度与第二表层硬化深度的比率在54HRC下在1.16到2.25之间。
16.如文中条项中任一项所述的方法，其中，第二渗氮硬度深度是表面硬度在800和1000HV之间的情况下，0.10mm的最小渗氮深度。
17.如文中条项中任一项所述的方法，其中，第一渗氮硬度深度是表面硬度在800和1000HV之间的情况下，0.10mm的最小渗氮深度。
18.如文中条项中任一项所述的方法，其中，第一渗氮硬度深度和第二渗氮硬度深度是表面硬度大于800HV的情况下，0.10mm的最小渗氮深度。
19.如文中条项中任一项所述的齿轮组件，其中，齿轮组件的齿轮比范围从6:1到14:1，从6.1到12:1，从7:1到11:1，或者从8:1到10:1。
20.一种涡轮机发动机(100、200)，包含文中条项中任一项所述的齿轮组件，进一步包含风扇组件(104、204)和核心发动机(106、206)，风扇组件(104、204)包含多个风扇叶片(108、208)，核心发动机(106、206)包含涡轮以及能够与涡轮一起旋转的输入轴(122、222)，其中，齿轮组件(102、202、302)以第一速度接收输入轴(122、222)并且以第二速度驱动联接到风扇组件(104、204)的输出轴(124、224)，第二速度比第一速度慢。

Claims (19)

1.一种齿轮组件，其特征在于，包含：
太阳齿轮(304)，所述太阳齿轮(304)配置成绕着所述齿轮组件的纵向中心线(120、220、320)旋转；
多个行星齿轮副轴(330)，所述行星齿轮副轴(330)与所述太阳齿轮(304)接合，所述行星齿轮副轴(330)每个皆包含具有多个齿轮表面的外表面(352、354)和具有一个或多个支承表面的表面(356)；以及
环齿轮(310)，所述环齿轮(310)与所述多个行星齿轮副轴(330)接合，
其中，所述行星齿轮副轴的所述表面(356)的所述一个或多个支承表面具有第一表层硬化深度和第一渗氮硬度深度，并且
其中，所述行星齿轮副轴的所述外表面(352、354)的所述齿轮表面具有第二表层硬化深度。
2.如权利要求1所述的齿轮组件，其特征在于，其中，所述外表面(352、354)的所述齿轮表面具有第二渗氮硬度深度。
3.如权利要求1所述的齿轮组件，其特征在于，其中，所述第一表层硬化深度大于所述第二表层硬化深度。
4.如权利要求3所述的齿轮组件，其特征在于，其中，所述第二表层硬化深度在54HRC下在0.4到1.6mm之间，并且所述第一表层硬化深度在54HRC下在1.0和2.2mm之间。
5.如权利要求3所述的齿轮组件，其特征在于，其中，所述第二表层硬化深度在54HRC下在0.8到1.2mm之间，并且所述第一表层硬化深度在54HRC下在1.4和1.8mm之间。
6.如权利要求1所述的齿轮组件，其特征在于，其中，所述第一表层硬化深度与所述第二表层硬化深度的比率在54HRC下在1.16到2.25之间。
7.如权利要求2所述的齿轮组件，其特征在于，其中，所述第二渗氮硬度深度是表面硬度在800和1000HV之间的情况下，0.10mm的最小渗氮深度。
8.如在前权利要求中任一项所述的齿轮组件，其特征在于，其中，所述第一渗氮硬度深度是表面硬度在800和1000HV之间的情况下，0.10mm的最小渗氮深度。
9.如权利要求2所述的齿轮组件，其特征在于，其中，所述第一渗氮硬度深度和所述第二渗氮硬度深度是表面硬度大于800HV的情况下，0.10mm的最小渗氮深度。
10.如在前权利要求中任一项所述的齿轮组件，其特征在于，其中，所述行星齿轮副轴(330)的所述外表面的所述多个齿轮表面包含第一级行星齿轮(306)和第二级行星齿轮(308)。
11.如权利要求10所述的齿轮组件，其特征在于，进一步包含将所述第二级行星齿轮支撑在所述行星齿轮副轴的所述表面上的一排或多排滚子轴承。
12.一种形成行星齿轮副轴(330)的方法，其特征在于，包含：
将所述行星齿轮副轴(330)的表面(356)的一个或多个支承表面渗碳到第一表层硬化深度；
将所述行星齿轮副轴(330)的外表面(352、354)的多个齿轮表面渗碳到第二表层硬化深度；
将所述行星齿轮副轴(330)的所述表面(356)的所述一个或多个支承表面渗氮到第一渗氮硬度深度；以及
将所述行星齿轮副轴(330)的所述外表面(352、354)的所述多个齿轮表面渗氮到第二渗氮硬度深度。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，其中，所述第一表层硬化深度大于所述第二表层硬化深度。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，其中，所述第二表层硬化深度在54HRC下在0.4到1.6mm之间，并且所述第一表层硬化深度在54HRC下在1.0和2.2mm之间。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，其中，所述第二表层硬化深度在54HRC下在0.8到1.2mm之间，并且所述第一表层硬化深度在54HRC下在1.4和1.8mm之间。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，其中，所述第一表层硬化深度与所述第二表层硬化深度的比率在54HRC下在1.16到2.25之间。
17.如权利要求12至16中任一项所述的方法，其特征在于，其中，所述第二渗氮硬度深度是表面硬度在800和1000HV之间的情况下，0.10mm的最小渗氮深度。
18.如权利要求12至16中任一项所述的方法，其特征在于，其中，所述第一渗氮硬度深度是表面硬度在800和1000HV之间的情况下，0.10mm的最小渗氮深度。
19.如权利要求12至18中任一项所述的方法，其特征在于，其中，所述第一渗氮硬度深度和所述第二渗氮硬度深度是表面硬度大于800HV的情况下，0.10mm的最小渗氮深度。
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