Результат интеллектуальной деятельности: Планетарный редуктор силовой установки

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в высоконагруженных зубчатых редукторах, в частности в планетарных редукторах привода вентилятора авиационных двигателей.

Планетарные редукторы высокой мощности применяются в составе редукторных турбореактивных двигателей высокой степени двухконтурности, обеспечивая оптимальное сочетание частот вращения вала быстроходной турбины низкого давления (ТНД) и вала привода вентилятора, обеспечивая тем самым высокую топливную экономичность, снижение шума и эмиссии выхлопных газов двигателя.

Требование к снижению массы редуктора авиационного ГТД и высокая передаваемая мощность обуславливают предельную нагруженность зубчатых колес редуктора и высокие уровни вибраций. В связи с плотным спектром вибраций в редукторе привода вентилятора возникают резонансные колебания в лопатках компрессора и других деталях, в результате чего увеличивается время доводки двигателя.

Одним из основных направлений снижения динамических нагрузок в зубчатых передачах редуктора является обеспечение «плавающих» подвесок центральных зубчатых колес. «Плавающие» подвески зубчатых колес планетарного редуктора предполагают способы крепления центральных колес, обеспечивающие высокую податливость элементов в радиальном направлении для выравнивания нагрузок в зацеплениях между сателлитами и солнечной шестерней под действием различных сочетаний погрешностей в зацеплениях колес редуктора, а также динамических нагрузок в редукторе и изгибных колебаний в силовой схеме двигателя.

При этом к таким элементам предъявляется требование к форме деформации податливого элемента. При радиальном смещении центральной шестерни необходимо сохранение параллельности осей зубчатых колес или достижение минимальной величины их перекоса. Перекос податливой опоры солнечной шестерни, вызываемый колебаниями солнечной шестерни в радиальном направлении или изгибными колебаниями роторов двигателя, может привести к нарушению в зацеплениях зубьев вплоть до заклинивания редуктора.

Известен планетарный редуктор силовой установки, содержащий корпус, ведомое зубчатое колесо внутреннего зацепления, связанное с выходным валом, зубчатые сателлиты, установленные на неподвижных осях, и входящее в зацепление с сателлитами солнечное зубчатое колесо, связанное с полым приводным валом, установленным консольно и имеющим один изогнутый участок, выполненный в продольном сечении приводного вала с наружной цилиндрической поверхностью и боковыми диафрагмами, плавно сопряженными с наружными цилиндрическими поверхностями приводного вала и изогнутого участка, причем толщина диафрагм уменьшается от оси приводного вала к периферии (US 2016222888).

В известном редукторе гибкий вал, соединяющий вал вентилятора и эпициклическую шестерню, установлен на шариковом подшипнике, обеспечивающем компенсацию осевого усилия вентилятора, и роликовом подшипнике большого диаметра, установленном после крепления эпицикла к валу. Такое расположение опор позволяет уменьшить возможные взаимные перекосы осей солнечной шестерни, эпицикла и сателлитов за счет того, что сохраняется возможность «плавания» опор центральных шестерен с одновременным исключением перекоса эпициклической шестерни.

Однако такое выполнение планетарного редуктора существенно усложняет конструкцию двигателя и снижает надежность его работы, что ограничивает его применение в редукторных турбореактивных двигателях высокой степени двухконтурности.

Известен планетарный редуктор силовой установки, содержащий корпус, ведомое зубчатое колесо внутреннего зацепления, связанное с выходным валом, зубчатые сателлиты, установленные на неподвижных осях, и входящее в зацепление с сателлитами солнечное зубчатое колесо, связанное с полым приводным валом, установленным консольно и имеющим, по меньшей мере, один изогнутый участок, выполненный в продольном сечении приводного вала с наружной цилиндрической поверхностью и боковыми диафрагмами, плавно сопряженными с наружными цилиндрическими поверхностями приводного вала и изогнутого участка, причем толщина диафрагм уменьшается от оси приводного вала к периферии (US 6223616).

В известном редукторе солнечная шестерня под действием нагрузок от зацепления с шестернями сателлитов может совершать радиальные перемещения до выборки зазоров в зацеплениях зубьев, что обеспечивает более равномерное распределение нагрузок между сателлитами, компенсируя тем самым погрешности их профилей зубьев и окружных шагов.

Недостатком известного редуктора является выполнение изогнутого участка приводного вала в виде прямоугольного изгиба в продольном сечении приводного вала. Такое выполнение не ограничивает величину свободного радиального перемещения солнечного колеса и может привести к излишнему перекосу его оси при радиальном смещении.

Наиболее близким аналогом изобретения является планетарный редуктор силовой установки, содержащий корпус, ведомое зубчатое колесо внутреннего зацепления, связанное с выходным валом, зубчатые сателлиты, установленные на неподвижных осях, и входящее в зацепление с сателлитами солнечное зубчатое колесо, связанное с полым приводным валом, установленным консольно и имеющим, по меньшей мере, один изогнутый участок, выполненный в продольном сечении приводного вала в виде трапециевидного изгиба с наружной цилиндрической поверхностью и боковыми диафрагмами, плавно сопряженными с наружными цилиндрическими поверхностями приводного вала и трапециевидного изгиба, причем толщина диафрагм уменьшается от оси приводного вала к периферии (US 7591754).

Выполнение в известном редукторе изогнутого участка в виде трапециевидного изгиба снижает изгибную жесткость вала привода солнечной шестерни, которая под действием нагрузок от зацепления с шестернями сателлитов может совершать радиальные перемещения до выборки зазоров в зацеплениях зубьев, что обеспечивает более равномерное распределение нагрузок между сателлитами, компенсируя тем самым погрешности их профилей зубьев и окружных шагов.

Недостатком известного планетарного редуктора является отсутствие в изогнутом участке приводного вала элемента, ограничивающего при радиальном перемещении солнечного колеса перекос его оси. Прочностные расчеты, проведенные с помощью метода конечных элементов (Зенкевич О. «Метод конечных элементов в технике», М., Мир, 1975), показали, что перекос части приводного вала между шлицами, на которых установлена солнечная шестерня, и изогнутым участком, обеспечивающим резкое снижение изгибной жесткости приводного вала, превышает перекос того же участка вала без дополнительного колена.

Такое изменение угла наклона солнечной шестерни может привести к появлению выкрашивания в зацеплениях зубьев колес вплоть до заклинивания передачи. Кроме того, динамические расчеты показывают, что для эффективного снижения динамических нагрузок, вызванных погрешностями в зацеплениях зубчатых колес редуктора, необходимо достигать определенного соотношения между радиальной жесткостью опор зубчатых сателлитов редуктора и жесткостью подвеса солнечной шестерней.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является обеспечение оптимального снижения изгибной жесткости приводного вала солнечной шестерни планетарного редуктора при минимальном перекосе ее оси.

Техническим результатом изобретения является повышение равномерности распределения нагрузок в зацеплениях сателлитов с солнечной шестерней планетарного редуктора.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что планетарный редуктор силовой установки содержит корпус, ведомое зубчатое колесо внутреннего зацепления, связанное с выходным валом, зубчатые сателлиты, установленные на неподвижных осях, и входящее в зацепление с сателлитами солнечное зубчатое колесо, связанное с полым приводным валом, установленным консольно и имеющим, по меньшей мере, один изогнутый участок, выполненный в продольном сечении приводного вала в виде трапециевидного изгиба с наружной цилиндрической поверхностью и боковыми диафрагмами, плавно сопряженными с наружными цилиндрическими поверхностями приводного вала и трапециевидного изгиба, причем толщина диафрагм уменьшается от оси приводного вала к периферии. Изогнутый участок приводного вала снабжен внутренней перемычкой, жестко связанной с боковыми диафрагмами, при этом длина перемычки В_р определяется соотношением:

B_p=0,45(R_b-R_s)^0,8,

где R_b - радиус наружной цилиндрической поверхности изогнутого участка, определяемый соотношением:

R_b/R_s=1,3-1,5;

R_s - радиус наружной цилиндрической поверхности приводного вала, а наружная поверхность перемычки расположена от оси приводного вала на расстоянии R_p, определяемом следующим выражением:

R_p=R_s+1,25L₂+0,2(R_s+R_b)^0,2,

где L₂ - толщина боковой диафрагмы в месте сопряжения с наружной цилиндрической поверхностью изогнутого участка.

Внутренняя перемычка может быть выполнена в виде кольцевой перегородки или в виде отдельных штифтов, расположенных равномерно по окружности поперечного сечения трапециевидного изгиба.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что под действием неравномерных радиальных нагрузок со стороны сателлитов на солнечную шестерню, связанную с консольно установленным приводным валом, происходит изгиб вала в местах пониженной изгибной жесткости - изогнутых участках вала. При этом участок вала, на котором установлена солнечная шестерня, имеет минимальный перекос оси при максимальном радиальном смещении. За счет радиального перемещения солнечной шестерни происходит выравнивание распределения нагрузок между солнечной шестерней и сателлитами.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг. 1 представлен разрез планетарного редуктора привода вентилятора турбореактивного двигателя;

на фиг. 2 представлена конструкция вала привода солнечной шестерни с изогнутыми участками;

на фиг. 3 представлен продольный разрез трапециевидного изгиба приводного вала;

на фиг. 4 - схема радиального смещения оси приводного вала.

Планетарный редуктор привода вентилятора турбореактивного двигателя содержит корпус 1, ведомое зубчатое колесо 2 внутреннего зацепления, связанное с выходным валом 3, зубчатые сателлиты 4, установленные на неподвижных осях 5, и входящее в зацепление с сателлитами 4 солнечное зубчатое колесо 6, связанное с установленным консольно полым приводным валом 7 (см. фиг. 1).

Приводной вал 7 выполнен с двумя изогнутыми участками 8, каждый из которых представляет собой в продольном сечении приводного вала 7 трапециевидный изгиб 9 с наружной цилиндрической поверхностью 10 и боковыми диафрагмами 11, плавно сопряженными с наружной цилиндрической поверхностью 12 приводного вала 7 и наружной цилиндрической поверхностью 10 трапециевидного изгиба 9 (см. фиг. 2, 3). Толщина L₁ боковых диафрагм 11 уменьшается от оси 13 приводного вала 7 к периферии L₂, т.е. к наружной цилиндрической поверхности 10.

Каждый изогнутый участок 8 приводного вала 7 снабжен внутренней перемычкой 14, жестко связанной с боковыми диафрагмами 11, при этом длина B_p перемычки 14 определяется соотношением:

B_p=0,45(R_b-Rs)^0,8,

где R_b - радиус наружной цилиндрической поверхности 10 изогнутого участка 8, определяемый соотношением:

R_b/R_s=1,3-1,5;

R_s - радиус наружной цилиндрической поверхности 12 приводного вала 7.

Наружная поверхность 15 перемычки 14 расположена от оси 13 приводного вала 7 на расстоянии R_p, определяемом следующим выражением:

R_p=R_s+1,25L₂+0,2(R_s+R_b)^0.2,

где L₂ - толщина боковой диафрагмы 11 в месте сопряжения с наружной цилиндрической поверхностью 10 изогнутого участка 8.

Внутренняя перемычка 14 может быть выполнена в виде кольцевой перегородки, как это показано на фиг. 2, или в виде отдельных штифтов 16, расположенных равномерно по окружности поперечного сечения трапециевидного изгиба 9 (фиг. 3).

При работе планетарного редуктора трапециевидный изгиб 9 обеспечивает снижение изгибной жесткости приводного вала 7 за счет четырех участков перехода с наружной цилиндрической поверхности 12 приводного вала 7 на боковые диафрагмы 11. При воздействии консольной нагрузки на приводной вал 7 со стороны солнечного колеса 6 происходит изгиб приводного вала в местах изогнутых участков 8, при этом под действием осевой нагрузки с растягивающей стороны приводного вала 7 боковые диафрагмы 11 расходятся, а на стороне сжатия - сходятся.

Установка между боковыми диафрагмами 11 внутренней перемычки 14, воспринимающей на себя осевую нагрузку, обеспечивает радиальное относительное смещение боковых диафрагм 11 без существенного перекоса оси приводного вала 7.

На фиг. 4 показано положение оси приводного вала в деформированном состоянии, содержащего внутреннюю перемычку между боковыми диафрагмами, в сравнении с приводным валом без перемычки. Под действием консольной нагрузки на шлицы концевого участка приводного вала происходит перемещение его конца в радиальном направлении на величину C, определяемую из условия снижения динамических нагрузок планетарного редуктора.

При этом в известной конструкции приводного вала без перемычки между боковыми диафрагмами (сплошная линия) в месте снижения изгибной жесткости, которым является изогнутый участок, происходит резкое изменение угла наклона оси концевого участка приводного вала на величину ϕ₁. Поворот оси приводного вала, выполненного согласно изобретению с внутренней перемычкой (штрихпунктирная линия), при том же радиальном смещении конца приводного вала на величину C, происходит на существенно меньший угол ϕ₂.

Таким образом, изобретение позволяет повысить равномерность распределения нагрузок в зацеплениях сателлитов с солнечной шестерней планетарного редуктора за счет оптимального снижения изгибной жесткости приводного вала солнечной шестерни планетарного редуктора при минимальном перекосе ее оси.