CN117948207A - 一种起动机用输出轴组件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种起动机用输出轴组件,属于机械设计技术领域,该起动机用输出轴组件包括:第一机构、第二机构、第三机构和第四机构,第二机构将第一机构、第三机构和第四机构连接在一起,第一机构用于实现输出轴组件防反带和重复利用功能;第三机构用于实时监测输出轴组件的转接轴与输出轴的转速是否同步,进而判断输出轴组件是否出现故障;第四机构用于保持第三机构的光路不发生位置变化;能够实现起动机与发动机之间的反带主动保护,并提供可复位的机械机构,以提高维修性和使用经济性;可实时判断输出轴组件的工作状态,以提高起动机装机运行的安全性。
Description
技术领域
本发明属于机械设计技术领域,尤其涉及一种起动机用输出轴组件。
背景技术
飞机发动机用起动机是一种用于驱动航空发动机实现起动、冷运转和油封启封的高功率密度机械装置。起动机通过输出轴组件将放大后的扭矩传递给发动机附件齿轮箱实现上述功能。为保证起动机与发动机联合运行的安全性,通常起动机需要考虑超扭保护和反带保护设计。超扭保护用于当起动机输出扭矩显著升高时,主动剪断输出轴组件,以避免损坏发动机附件齿轮箱。反带保护设计用于起动机内部传动系统离合器失效时,主动脱开起动机与发动机附件齿轮箱,避免起动机内部转动部件飞车造成高能转子飞出影响飞机安全,并防止发动机附件齿轮箱超载损毁。
在传统设计方案中,起动机在起动发动机时,如出现扭矩超载引起输出轴组件保护性断裂,无法第一时间判断故障并确定故障位置,需要飞行员反复执行起动指令,如按规定次数起动不成功,则判断起动系统故障,并进一步定位故障LRU。在此过程中,起动机空载运行,重复起动指令,将使起动机进入自由运转,存在起动机损毁引起高能转子飞出危害发动机和飞机安全的隐患。
当起动机完成起动发动机任务,但造成输出轴组件损伤时,在发动机反带起动机过程中,输出轴组件如遭遇损坏,则无法在发动机再次起动前被探查到。如遭遇发动机空中停车需要起动机辅助起动,则起动任务将无法完成,严重危害飞行安全。同时,飞机下次起飞时探查到起动系统故障,将延误飞行任务,造成不必要的经济损失。在起动机被发动机反带过程中,如果离合器卡滞,则会造成起动机转动部件被发动机反带,造成起动机转动部件飞车并引起发动机附件齿轮箱超载,引起失效风险。此时,输出轴组件上的防反带结构将主动脱开,使发动机和起动机脱开连接。但传统设计中,该防反带结构通常为损耗件,出现反带时,通过防反带结构主动损坏来实现功能,维修性和经济性欠佳。
发明内容
本发明提供支持脱开检测的可复位防反带起动机用输出轴组件,可提高输出轴故障检测率,并改善输出轴组件的维修性和使用经济性。所述技术方案如下:
一种起动机用输出轴组件,包括:第一机构、第二机构、第三机构和第四机构,第二机构将第一机构、第三机构和第四机构连接在一起,第一机构用于实现输出轴组件防反带和重复利用功能;第三机构用于实时监测输出轴组件的转接轴与输出轴的转速是否同步,进而判断输出轴组件是否出现故障;第四机构用于保持第三机构的光路不发生位置变化。
其中,第一机构包括:转接轴、传动销、圆柱弹簧、锁止片、扭簧和第一圆柱销、第二圆柱销和输出轴,该传动销安装于转接轴的销孔内,传动销与销孔配合,销孔孔底设置有第一圆柱弹簧,输出轴组件正常工作时,圆柱弹簧顶起传动销,实现连接;扭簧一端与锁止片固定,扭簧另一端通过第一圆柱销与转接轴固定,通过压缩扭簧,使锁止片在锁止方向上具备扭矩;锁止片中心设有凸起,通过该凸起与转接轴孔配合,约束锁止片相对转接轴的径向自由度,且锁止片圆周设有均布的圆孔,靠近传动销的一侧圆孔设有边倒角,该圆孔与传动销相配合,在传动销压入锁止片中部的定位孔内时,通过扭簧驱动锁止片旋转,锁定传动销的位置。
其中,锁止片圆周上开有弧形缺口,该缺口与安装于转接轴上的第二圆柱销相连接,当扭簧驱动锁止片旋转时,该缺口的一端运动至第二圆柱销的位置,锁止片周向位置锁定。
其中,锁止片圆周开有用于卡接工具的驱动口,转动工具从而转动锁止片,使锁止片均布的圆孔与传动销对齐,解除锁止状态。
其中,输出轴上与转接轴连接的一侧设有周向均布的斜槽,在输出轴相对转接轴转动时,传动销沿斜槽的斜面回缩,直至切断连接,在锁止片作用下实现传动销的自锁。
其中,第二机构包括:转接轴、自锁螺母、弹性垫片、推力轴承、拉杆轴和输出轴,转接轴通过拉杆轴与输出轴连接,拉杆轴一端通过推力轴承与转接轴连接,采用轴向推力轴承连接拉杆轴与转接轴,以提高轴承轴向承载能力,该推力轴承通过弹性垫片和自锁螺母与拉杆轴连接,采用自锁螺母压紧弹性垫片给轴承提供预紧力,第二机构用于连接第一机构与第四机构,并保证输出轴组件主动脱开时输出轴组件平稳运转。
其中,拉杆轴一端设有轴肩,另一端设有螺纹,通过螺纹预紧,将转接轴与输出轴轴向连接,拉杆轴一端设有开槽,以提供拧紧工具操作空间。
其中,第三机构包括:拉杆轴、第一反射镜、第二反射镜和输出轴,第一反射镜安装于拉杆轴内孔,并与拉杆轴内孔配合,拉杆轴和第二反射镜安装于输出轴内孔,并使第一反射镜和第二反射镜镜面平行,输出轴设有径向光路孔,该光路孔与第二反射镜的镜面对齐,激光束通过光路孔入射时,经第二反射镜反射后由径向光束转换为轴向光束,该轴向光束经由第一反射镜两个镜面反射后,转换为与入射光反向的光束并二次入射至第二反射镜,经二次反射后转变为与初始光路同轴同向的光束,后通过输出轴另一侧光路孔射出;
输出轴光路入射孔处设有激光发射器,发射孔处设有光电传感器,以探测激光发射器发出的光源信号,当输出轴超扭断裂或转接轴与输出轴主动脱开进入自锁保护时,第一反射镜与第二反射镜存在转速差,光电传感器探测到的信号频率发生变化,基于此判断输出轴组件故障,无法传递扭矩。
其中,第一反射镜为90°夹角反射镜,入射端为平面,光线垂直入射至镜面并反射一束与原光路平行的光束;第二反射镜为90°夹角反射镜,入射端为90°夹角反射镜,光线沿45°入射并反射一束与原光路夹角90°的光束。
其中,第四机构包括:第二反射镜、橡胶垫片、第二圆柱弹簧、端盖、弹性挡圈和输出轴,第二反射镜安装于输出轴内孔,并通过橡胶垫片与输出轴压紧;第二圆柱弹簧安装于第二反射镜和端盖中间,用于给第二反射镜提供压紧力,防止长时间工作后引起第二反射镜相位发生变化;端盖通过弹性挡圈安装于输出轴内孔,用于限制端盖轴向位置。
通过本发明的输出轴组件,能够实现起动机与发动机之间的反带主动保护,并提供可复位的机械机构,以提高维修性和使用经济性。同时,通过合理的光路设计,实现了布置非接触式探测传感器的功能,用于实时判断输出轴组件的工作状态,以提高起动机装机运行的安全性。
附图说明
图1是传动销与输出轴配合斜面角度计算受力分析图;
图2是本发明提供的一种起动机用输出轴组件结构示意图;
图3是本发明提供的一种起动机用输出轴组件横剖结构示意图;
图4是输出轴组件状态光学监测原理示意图;
图5是脱开状态输出轴组件外观图。
其中:1-转接轴;2-弹性垫片;3-第一圆柱弹簧;4-传动销;5-锁止片;6-推力轴承;7-输出轴;8-橡胶垫片;9-第二圆柱弹簧;10-端盖;11-弹性挡圈;12-第二反射镜;13-拉杆轴;14-第一反射镜;15-锁紧螺母;16-扭簧;17-第一圆柱销;18-第二圆柱销。
具体实施方式
下面通过具体的实施方式和附图对本发明作进一步详细说明。
请参见图1、图2、图3和图5,本发明提供的一种起动机用输出轴组件,包括:第一机构、第二机构、第三机构和第四机构,第二机构将第一机构、第三机构和第四机构连接在一起,第一机构用于实现输出轴组件防反带和重复利用功能;第三机构用于实时监测输出轴组件的转接轴与输出轴的转速是否同步,进而判断输出轴组件是否出现故障;第四机构用于保持第三机构的光路不发生位置变化。
其中,第一机构包括:转接轴1、第一圆柱弹簧3、传动销4、锁止片5、输出轴7、扭簧16和第一圆柱销17和第二圆柱销18,该传动销4安装于转接轴1的销孔内,传动销4与销孔配合,销孔孔底设置有第一圆柱弹簧3,输出轴组件正常工作时,第一圆柱弹簧3顶起传动销4,实现连接;扭簧16一端与锁止片5固定,扭簧16另一端通过第一圆柱销17与转接轴1固定,通过压缩扭簧16,使锁止片5在锁止方向上具备扭矩;锁止片5中心设有凸起,通过该凸起与转接轴1孔配合,约束锁止片5相对转接轴1的径向自由度,且锁止片5圆周设有均布的圆孔,靠近传动销4的一侧圆孔设有边倒角,该圆孔与传动销4相配合,在传动销4压入锁止片5中部的定位孔内时,通过扭簧16驱动锁止片5旋转,锁定传动销4的位置。
其中,锁止片5圆周上开有弧形缺口,该缺口与安装于转接轴1上的第二圆柱销18相连,当扭簧16驱动锁止片旋转时,该缺口的一端运动至第二圆柱销18的位置,锁止片5周向位置锁定。
其中,锁止片5圆周开有用于卡接工具的驱动口,转动工具从而转动锁止片5,使锁止片5均布的圆孔与传动销4对齐,解除锁止状态。
其中,输出轴7上与转接轴1连接的一侧设有周向均布的斜槽,在输出轴7相对转接轴1转动时,传动销4沿斜槽的斜面回缩,直至切断连接,在锁止片5作用下实现传动销4的自锁。
其中,第二机构包括:转接轴1、弹性垫片2、推力轴承6、输出轴7、拉杆轴13和自锁螺母15,转接轴1通过拉杆轴13与输出轴7连接,拉杆轴13一端通过推力轴承6与转接轴1连接,采用推力轴承6连接拉杆轴13与转接轴1,该推力轴承6通过弹性垫片2和自锁螺母15与拉杆轴13连接,采用自锁螺母15压紧弹性垫片2给推力轴承6提供预紧力;第二机构连接第一机构与第四机构,并保证输出轴组件主动脱开时输出轴组件平稳运转,见图5。
其中,拉杆轴13一端设有轴肩,另一端设有螺纹,通过螺纹预紧,将转接轴1与输出轴7轴向连接,拉杆轴13一端设有开槽,以提供拧紧工具操作空间。
其中,第三机构包括:输出轴7、第二反射镜12、拉杆轴13和第一反射镜14,第一反射镜14安装于拉杆轴13内孔,并与拉杆轴13内孔配合,拉杆轴13和第二反射镜12安装于输出轴7内孔,并使第一反射镜14和第二反射镜12镜面平行,输出轴7设有径向光路孔,该光路孔与第二反射镜12的镜面对齐,激光束通过光路孔入射时,经第二反射镜12反射后由径向光束转换为轴向光束,该轴向光束经由第一反射镜14两个镜面反射后,转换为与入射光反向的光束并二次入射至第二反射镜12,经二次反射后转变为与初始光路同轴同向的光束,后通过输出轴7另一侧光路孔射出。
输出轴7光路入射孔处设有激光发射器,发射孔处设有光电传感器,以探测激光发射器发出的光源信号,当输出轴7超扭断裂或转接轴1与输出轴7主动脱开进入自锁保护时,第一反射镜14与第二反射镜12存在转速差,光电传感器探测到的信号频率发生变化,基于此判断输出轴组件故障,无法传递扭矩,见图4。
其中,第一反射镜14为90°夹角反射镜,入射端为平面,光线垂直入射至镜面并反射一束与原光路平行的光束;第二反射镜12为90°夹角反射镜,入射端为90°夹角反射镜,光线沿45°入射并反射一束与原光路夹角为90°的光束。
其中,第四机构包括:输出轴7、橡胶垫片8、第二圆柱弹簧9、端盖10、弹性挡圈11和第二反射镜12,第二反射镜12安装于输出轴7内孔,并通过橡胶垫片8与输出轴7压紧;第二圆柱弹簧9安装于第二反射镜12和端盖10中间,用于给第二反射镜12提供压紧力,防止长时间工作后引起第二反射镜12相位发生变化;端盖10通过弹性挡圈11安装于输出轴7内孔,用于限制端盖10轴向位置。
输出轴组件结构如图1、图2所示,转接轴1与输出轴7在圆周方向设有均布的孔槽结构,用于容纳第一圆柱弹簧3和传动销4并提供活动空间。输出轴组件正常工作时,该处传递的扭矩较大,对于结构强度要求较高,需使用强度较高的材料,并通过适当热处理和表面处理来提高结构的承载能力和耐磨性能。设计中应保证输出轴7斜槽与传动销4配合的位置,横截面上的剩余截面积不小于传动销4的截面积。同时应使传动销4的材料强度和表面硬度略低于转接轴1和输出轴7。工作过程中,输出轴组件承载扭矩达到保护扭矩时,输出轴7将最先发生断裂,因此,传动销4的设计应考虑结构尺寸、空间尺寸和材料,以使其传递的扭矩上限不小于输出轴组件的保护扭矩。该扭矩可按以下公式计算:
T=n*[τ]*A*R
其中,n-传动销4的数量;T一传动销4的额定扭矩,N*m;[τ]-传动销4的许用剪切应力,MPa;A-单个传动销4的承载截面积;R-传动销4的分布半径,m。
输出轴7斜槽的尺寸关系到传动销4的运动状态,当转接轴1与输出轴7相互运动时,传动销4需克服与转接轴1、锁止片5之间的摩擦阻力才能实现预期的运动,建立该位置的受力分析图见图1。有:
F1*cosα-Ff1*sinα-Fs1-Ff2-Ff3=0
F1*sinα+Ff1*cosα+Fs2-FN=0
Ff1=F1*f1
Ff2=FN*f2
Ff3=Fs2*f3
Fs2=Ts2/R
其中,
F1-输出轴7对传动销4的法向力,单位为N;
Ff1—输出轴7对传动销4的切向力,N;
Fs1-第一圆柱弹簧3对传动销4的弹力,N;
Ff2—转接轴1对传动销4的摩擦力,N;
Ff3-锁止片5对传动销4的摩擦力,N;
Fs2-扭簧16对传动销4的径向力,N;
FN-转接轴1对传动销4的径向力,N;
α-输出轴7斜槽与轴线的夹角,度;
f1-输出轴7与传动销4之间的摩擦系数;
f2-转接轴7与传动销4之间的摩擦系数;
f3-锁止片5与传动销4之间的摩擦系数;
Ts2-扭簧16的预紧扭矩,N*m。
由上式可知,如要实现预期功能,应使输出轴7斜槽与轴线的夹角α小于计算的临界值,以免自锁。同时,提高各配合面的光度要求,可有效降低摩擦系数提高α的临界值。
通过以上分析,输出轴组件反带脱开保护扭矩为:
Tp=(F1*sinα+Ff1*cosα)*R
当起动机反带过程中内部阻力矩超过该值时,输出轴防反带结构自动脱开,防止起动机和发动机附件齿轮箱出现损坏。
锁止片5在输出轴7与转接轴1相对运动时存在滑动摩擦,设计材料应选用耐磨的铜合金,或者对转接轴1、锁止片5和输出轴7配合面提高表面光洁度和硬度要求,以提高抗磨损性能。同时,为防止锁止片5相对传动销4运动时出现卡滞,孔边倒角角度应不超过自锁角α,且传动销4压缩后锁止片5倒角边应能够与传动销4顶面相切。
以上仅表达了本发明的实施方式,其描述较为具体和详细,但且不能因此而理解为对专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。另外,本发明未详尽部分均为常规技术。
Claims (10)
1.一种起动机用输出轴组件,其特征在于,包括:第一机构、第二机构、第三机构和第四机构,第二机构将第一机构、第三机构和第四机构连接在一起,第一机构用于实现输出轴组件防反带和重复利用功能;第三机构用于实时监测输出轴组件的转接轴与输出轴的转速是否同步,进而判断输出轴组件是否出现故障;第四机构用于保持第三机构的光路不发生位置变化。
2.根据权利要求1所述的起动机用输出轴组件,其特征在于,第一机构包括:转接轴、传动销、圆柱弹簧、锁止片、扭簧和第一圆柱销、第二圆柱销和输出轴,其中,传动销安装于转接轴的销孔内,传动销与销孔配合,销孔孔底设置有第一圆柱弹簧,扭簧一端与锁止片固定,扭簧另一端通过第一圆柱销与转接轴固定,锁止片中心设有凸起,通过该凸起与转接轴孔配合,约束锁止片相对转接轴的径向自由度,且锁止片圆周设有均布的圆孔,靠近传动销的一侧圆孔设有边倒角,该圆孔与传动销相配合,在传动销压入锁止片中部的定位孔内时,通过扭簧驱动锁止片旋转,锁定传动销的位置。
3.根据权利要求2所述的起动机用输出轴组件,其特征在于,锁止片圆周上开有弧形缺口,该缺口与安装于转接轴上的第二圆柱销相连;当扭簧驱动锁止片旋转时,该缺口的一端运动至第二圆柱销的位置,锁止片周向位置锁定。
4.根据权利要求2所述的起动机用输出轴组件,其特征在于,锁止片圆周开有用于卡接工具的驱动口,转动工具从而转动锁止片,使锁止片均布的圆孔与传动销对齐,解除锁止状态。
5.根据权利要求2所述的起动机用输出轴组件,其特征在于,输出轴上与转接轴连接的一侧设有周向均布的斜槽;在输出轴相对转接轴转动时,传动销沿斜槽的斜面回缩,直至切断连接,在锁止片作用下实现传动销的自锁。
6.根据权利要求1所述的起动机用输出轴组件,其特征在于,第二机构包括:转接轴、自锁螺母、弹性垫片、推力轴承、拉杆轴和输出轴;转接轴通过拉杆轴与输出轴连接,拉杆轴一端通过推力轴承与转接轴连接,该推力轴承通过弹性垫片和自锁螺母与拉杆轴连接。
7.根据权利要求6所述的起动机用输出轴组件,其特征在于,拉杆轴一端设有轴肩,另一端设有螺纹,通过螺纹预紧,将转接轴与输出轴轴向连接,拉杆轴一端设有开槽,用于提供拧紧工具操作空间。
8.根据权利要求1所述的起动机用输出轴组件,其特征在于,第三机构包括:拉杆轴、第一反射镜、第二反射镜和输出轴;第一反射镜安装于拉杆轴内孔,并与拉杆轴内孔配合,拉杆轴和第二反射镜安装于输出轴内孔,并使第一反射镜和第二反射镜镜面平行,输出轴设有径向光路孔,该光路孔与第二反射镜的镜面对齐,激光束通过光路孔入射时,经第二反射镜反射后由径向光束转换为轴向光束,该轴向光束经由第一反射镜两个镜面反射后,转换为与入射光反向的光束并二次入射至第二反射镜,经二次反射后转变为与初始光路同轴同向的光束,后通过输出轴另一侧光路孔射出;
输出轴光路入射孔处设有激光发射器,发射孔处设有光电传感器,用于探测激光发射器发出的光源信号;当输出轴超扭断裂或转接轴与输出轴主动脱开进入自锁保护时,第一反射镜与第二反射镜存在转速差,光电传感器探测到的信号频率发生变化,基于此判断输出轴组件故障,无法传递扭矩。
9.根据权利要求8所述的起动机用输出轴组件,其特征在于,第一反射镜为90°夹角反射镜,入射端为平面,光线垂直入射至镜面并反射一束与原光路平行的光束;第二反射镜为90°夹角反射镜,入射端为90°夹角反射镜,光线沿45°入射并反射一束与原光路夹角为90°的光束。
10.根据权利要求1所述的起动机用输出轴组件,其特征在于,第四机构包括:第二反射镜、橡胶垫片、第二圆柱弹簧、端盖、弹性挡圈和输出轴,第二反射镜安装于输出轴内孔,并通过橡胶垫片与输出轴压紧;第二圆柱弹簧安装于第二反射镜和端盖中间,用于给第二反射镜提供压紧力,防止长时间工作后引起第二反射镜相位发生变化;端盖通过弹性挡圈安装于输出轴内孔,用于限制端盖轴向位置。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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