用于减速器的中间齿轮螺旋组合及涡桨发动机

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，特别地，涉及一种用于减速器的中间齿轮螺旋组合。此外，本发明还涉及一种包括上述用于减速器的中间齿轮螺旋组合的涡桨发动机。

背景技术

二、背景技术

目前通用航空的小功率(100～400kw)涡桨发动机型号稀少，加上航空汽油的市场价比航空煤油高几倍，中等功率航空活塞发动机使用经济性特别差，而涡扇发动机吸鸟失事概率极高。随着对生态环境的重视，急需开发若干型号小功率涡桨发动机，用于总重一吨以下的飞机和倾转旋翼机。动力涡轮的转速设计区间在35000～40000RPM，需要减速到螺旋桨的转速设计区间2000～2300RPM(桨直径约98～78英寸)，减速比达到15～20。因为每一级齿轮传动的效率为97～98％，多用一级减速就将使发动机的油耗上升两三个百分点，迎风面积和重量也会显著增加。因此，现有技术中，小功率涡桨发动机仍然只用两级外圆柱齿轮减速，并且限制齿轮的直径，使用两件中间齿轮组合，使迎风面积和重量较小而且齿轮强度满足要求。

减速器设计中，其体积、重量、可靠性和使用寿命等设计指标要求严苛，要满足最严格的质量标准，减速器中减速传动依赖中间齿轮组合降低切线速度，增加输出齿轮的扭矩；现有技术中，中间齿轮组合一般由一大一小两个同轴齿轮组成，并采用负载能力强的螺旋齿轮，但由于大齿轮与小齿轮之间的轴线距离比较近，故而大齿轮妨碍小齿轮的滚齿加工和磨齿加工；高性能涡桨发动机的技术先进性决定了减速器大功率高速传动齿轮必须是螺旋齿轮，且同轴齿轮的轴距尽量缩短，故而小螺旋齿轮的滚齿加工和磨齿加工必须提前完成。

现有技术中，采用真空电子束焊接形成中间齿轮组合，其用于大功率涡轴和涡桨发动机。真空电子束焊接的中间齿轮组合，焊接热影响齿轮的齿形和齿向，从而降低齿轮精度，产生一定的焊接报废率。

发明内容

本发明提供了一种用于减速器的中间齿轮螺旋组合及涡桨发动机，以解决现有技术中采用真空电子束焊接的中间齿轮组合存在的仅适用于大功率涡轴和涡桨发动机、齿轮精度低、产生焊接报废率的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于减速器的中间齿轮螺旋组合，包括：带有小齿轮、左轴颈和右轴颈的齿轮轴，及与小齿轮配合作用减速传动的大齿轮；大齿轮和小齿轮均为螺旋齿轮，且大齿轮的分度圆直径大于小齿轮的分度圆直径；中间齿轮螺旋组合还包括连接调整结构，大齿轮通过连接调整结构螺纹装设于齿轮轴的外圆上，且定位于小齿轮与右轴颈之间。

进一步地，齿轮轴还包括中空筒状的安装轴体；小齿轮与安装轴体一体成型；左轴颈和右轴颈分设于小齿轮的两侧，且小齿轮与右轴颈之间的安装轴体外凸形成环形的限位凸缘；大齿轮装设于安装轴体的外圆上，且通过连接调整结构限位于限位凸缘与右轴颈之间。

进一步地，连接调整结构包括用于使大齿轮与齿轮轴螺纹连接的连接结构，连接结构包括设置于安装轴体外圆上的右旋螺纹、贯穿大齿轮中心设置的轴孔、设置于轴孔的内周面上且与右旋螺纹配合作用的内螺纹；右旋螺纹按发动机工作扭矩的方向适应性设置，以使大齿轮在振动环境下正常工作时越旋越紧；大齿轮通过其轴孔上内螺纹与右旋螺纹的配合而螺纹装设于安装轴体的外圆上。

进一步地，右旋螺纹的公称直径为40～50mm；右旋螺纹的长度为25～35mm；右旋螺纹的拧紧力矩大于工作扭矩，拧紧力矩为40～50kg﹒m。

进一步地，连接调整结构还包括采用连接胶涂覆于大齿轮与安装轴体之间、大齿轮侧端面与限位凸缘侧端面之间形成的连接胶层。

进一步地，连接调整结构还包括调整垫和限位挡圈；调整垫装设于安装轴体的外圆上，且卡紧于限位凸缘的侧端面与大齿轮的侧端面之间，以用于调整大齿轮相对小齿轮的角向位置；限位挡圈装设于安装轴体的外圆上，且限位于右轴颈和大齿轮之间，以用于在非工作时阻挡装设于右轴颈外圆上滚棒轴承的滚子。

进一步地，大齿轮的齿轮盘上还加工有内凹且呈环形的半圆环槽；中间齿轮螺旋组合还包括用于减振的阻尼环，阻尼环卡装于半圆环槽中。

进一步地，大齿轮的法向模数为1.25；小齿轮和大齿轮的螺旋角均为整数。

根据本发明的另一方面，还提供了一种涡桨发动机，包括减速器，减速器包括：用于安装螺旋桨的桨轴、用于与动力涡轮相连的动力涡轮轴、两组如上述中任一项的中间齿轮螺旋组合；动力涡轮轴的外圆上还设有输入齿轮，桨轴的外圆上还装设有输出齿轮；两组中间齿轮螺旋组合分设于动力涡轮轴的两侧，且每组中间齿轮螺旋组合的大齿轮分别与输入齿轮外啮合，每组中间齿轮螺旋组合的小齿轮分别与输出齿轮外啮合

进一步地，桨轴和动力涡轮轴平行间隔设置；两组中间齿轮螺旋组合对称设置；输入齿轮的分度圆直径小于大齿轮的分度圆直径，且小齿轮的分度圆直径小于输出齿轮的分度圆直径。

本发明具有以下有益效果：

本发明中，提出了一种中间齿轮螺旋组合，小齿轮和大齿轮分体式设计，从而便于小齿轮和大齿轮上螺旋齿的滚齿加工和磨齿加工，提高螺旋齿的加工精度，进而提高动力传递效率；本发明的中间齿轮螺旋组合，由于用于安装轴承的左轴颈和右轴颈均集成于齿轮轴上，而非如现有技术所设的左轴颈位于齿轮轴上，右轴颈位于大齿轮上，本发明的结构设置，能够使左轴颈和右轴颈同步加工，不仅提高加工效率，更重要的是，提高左轴颈和右轴颈两者的同轴度，进而提高两处轴承的同轴度，最终提高轴承的使用寿命、动力的传递效率及发动机的可靠性；相比通过真空电子束焊接形成的中间齿轮组合，由于焊接热影响齿轮的齿形和齿向，故而降低齿轮的精度，导致具有一定的焊接报废率，且真空电子束焊接形成的中间齿轮组合适用于大功率涡轴和涡桨发动机，本发明中，大齿轮通过连接调整结构定位固定于齿轮轴上，从而避免齿轮的焊接热变形和高难度的真空电子束焊，使加工、制备操作简单，其制造成本低于真空电子束焊接的中间齿轮组合，可靠性高于花键连接和销钉连接，并形成的中间齿轮螺旋组合适用于小功率的涡轴和涡桨发动机，满足现有一吨以下的飞机和倾转旋翼机的需要；重要的是，由于大齿轮通过连接调整结构螺旋固定于齿轮轴上，从而可通过旋动大齿轮，从而调整大齿轮相对小齿轮的角向位置，使大齿轮和小齿轮能够分别与各自对应的齿轮啮合而不产生干涉；另外，中间齿轮螺旋组合在更大功率的航空发动机上也有推广价值，中间齿轮螺旋组合的合格率比真空电子束焊接的中间齿轮组合的合格率更高；

本发明的小功率涡桨发动机的“亚”字形减速器，使中间齿轮螺纹组合的角度可调，从而使所有传动齿面正常啮合不产生干涉，便于动力的有效传递；另一方面，小功率涡桨发动机的减速器需要解决轴承尺寸小、载荷大、转速高的问题，本发明中，“亚”字形传动方案，使功率流一分为二，齿面径向压力减小为二分之一，且齿面压力矢量方向不同，矢量和小于其数值之和，从而延长轴承寿命，且小功率涡桨发动机的“亚”字形减速器还通过两个中间齿轮螺旋组合均分扭矩，提高了发动机齿轮强度裕度，进而提高发动机的安全性和使用寿命；“亚”字形减速器的齿轮重合度显著提高，传动更平稳，对振动模态的振幅约束和阻尼显著，噪声降低，齿轮不容易失效。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的用于减速器的中间齿轮螺旋组合的空间结构示意图；

图2是图1的设计图；

图3是图1的剖视主视结构示意图；

图4是本发明优选实施例的涡桨发动机的减速器的空间结构示意图；

图5是图4的传动路线图；

图6是图4中两级传动的齿面啮合示意图。

图例说明

1、中间齿轮螺旋组合；10、齿轮轴；11、小齿轮；12、左轴颈；13、右轴颈；14、安装轴体；15、限位凸缘；20、大齿轮；30、连接调整结构；31、连接结构；32、调整垫；33、限位挡圈；34、连接胶层；40、阻尼环；3、螺旋桨；4、桨轴；5、动力涡轮；6、动力涡轮轴；7、输入齿轮；8、输出齿轮。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

参照图1和图2，本发明的优选实施例提供了一种用于减速器的中间齿轮螺旋组合，包括：带有小齿轮11、左轴颈12和右轴颈13的齿轮轴10，及与小齿轮11配合作用减速传动的大齿轮20。大齿轮20和小齿轮11均为螺旋齿轮，且大齿轮20的分度圆直径大于小齿轮11的分度圆直径。中间齿轮螺旋组合1还包括连接调整结构30，大齿轮20通过连接调整结构30螺纹装设于齿轮轴10的外圆上，且定位于小齿轮11与右轴颈13之间。

本发明中，提出了一种中间齿轮螺旋组合1，小齿轮11和大齿轮20分体式设计，从而便于小齿轮11和大齿轮20上螺旋齿的滚齿加工和磨齿加工，提高螺旋齿的加工精度，进而提高动力传递效率；本发明的中间齿轮螺旋组合1，由于用于安装轴承的左轴颈12和右轴颈13均集成于齿轮轴10上，而非如现有技术所设的左轴颈12位于齿轮轴上，右轴颈13位于大齿轮上，本发明的结构设置，能够使左轴颈12和右轴颈13同步加工，不仅提高加工效率，更重要的是，提高左轴颈12和右轴颈13两者的同轴度，进而提高两处轴承的同轴度，最终提高轴承的使用寿命、动力的传递效率及发动机的可靠性；相比通过真空电子束焊接形成的中间齿轮组合，由于焊接热影响齿轮的齿形和齿向，故而降低齿轮的精度，导致具有一定的焊接报废率，且真空电子束焊接形成的中间齿轮组合适用于大功率涡轴和涡桨发动机，本发明中，大齿轮20通过连接调整结构30定位固定于齿轮轴10上，从而避免齿轮的焊接热变形和高难度的真空电子束焊，使加工、制备操作简单，其制造成本低于真空电子束焊接的中间齿轮组合，可靠性高于花键连接和销钉连接，并形成的中间齿轮螺旋组合1适用于小功率的涡轴和涡桨发动机，满足现有一吨以下的飞机和倾转旋翼机的需要；重要的是，由于大齿轮20通过连接调整结构30螺旋固定于齿轮轴10上，从而可通过旋动大齿轮20，从而调整大齿轮20相对小齿轮11的角向位置，使大齿轮20和小齿轮11能够分别与各自对应的齿轮啮合而不产生干涉；另外，中间齿轮螺旋组合1在更大功率的航空发动机上也有推广价值，中间齿轮螺旋组合1的合格率比真空电子束焊接的中间齿轮组合的合格率更高。

可选地，如图2所示，齿轮轴10还包括中空筒状的安装轴体14。小齿轮11与安装轴体14一体成型，降低加工、装配难度，同时提高结构强度和工作稳定性。左轴颈12和右轴颈13分设于小齿轮11的两侧，且小齿轮11与右轴颈13之间的安装轴体14外凸形成环形的限位凸缘15。大齿轮20装设于安装轴体14的外圆上，且通过连接调整结构30限位于限位凸缘15与右轴颈13之间。本可选方案中，中间齿轮螺旋组合1通过左轴颈12和右轴颈13简支在两个滚子轴承上，左轴颈12和右轴颈13在齿轮轴10上加工到最终状态，从而两者同轴度良好，优于真空电子束焊接的中间齿轮组合(前轴颈和后轴颈分别在大轮和小轮上)，进而提高轴承的使用寿命。

可选地，如图1和图2所示，连接调整结构30包括用于使大齿轮20与齿轮轴10螺纹连接的连接结构31，连接结构31包括设置于安装轴体14外圆上的右旋螺纹、贯穿大齿轮20中心设置的轴孔、设置于轴孔的内周面上且与右旋螺纹配合作用的内螺纹。右旋螺纹按发动机工作扭矩的方向适应性设置，以使大齿轮20在振动环境下正常工作时越旋越紧。大齿轮20通过其轴孔上内螺纹与右旋螺纹的配合而螺纹装设于安装轴体14的外圆上。现有技术中，中间齿轮组合与液压测扭机构是航空发动机减速器设计的一种技术方案，本发明中，由于右旋螺纹按发动机工作扭矩的方向适应性设置，以使大齿轮20在振动环境下正常工作时越旋越紧，从而中间齿轮螺旋组合1可提供与扭矩成正比例的轴向力，而液压柱塞提供缓冲和阻尼，使左轴颈12和右轴颈13的全跳动0.002始终保持合格，从而不仅降低噪声，且提高航空发动机的扭矩均衡性和可靠性，使齿轮不容易失效。

优选地，本发明中，大齿轮20和小齿轮11通过连接结构31螺旋组合前，各自进行喷丸强化，喷丸覆盖率为200％；大齿轮20和齿轮轴10组合后，再进行大齿轮20的磨齿工序和整体振动光饰工序。

本可选方案中，右旋螺纹的公称直径为40～50mm。右旋螺纹的长度为25～35mm。右旋螺纹的拧紧力矩大于工作扭矩，拧紧力矩为40～50kg﹒m。本可选方案中，右旋螺纹的该优化设计，使中间齿轮螺旋组合1的强度和刚度能够满足最严格的质量标准，从而提高发动机的可靠性；右旋螺纹的公称直径为40～50mm，使该中间齿轮螺旋组合1是在航空齿轮上应用大直径螺纹连接的成功典范，其制造成本低于真空电子束焊接的中间齿轮组合，可靠性高于花键连接和销钉连接，且右旋螺纹的该些设计参数及制造精度的保证对产品合格率至关重要。

可选地，如图2所示，连接调整结构30还包括采用连接胶涂覆于大齿轮20与安装轴体14之间、大齿轮20侧端面与限位凸缘15侧端面之间形成的连接胶层34，增强大齿轮20与齿轮轴10之间连接的稳定性。

可选地，如图3所示，连接调整结构30还包括调整垫32和限位挡圈33。调整垫32装设于安装轴体14的外圆上，且卡紧于限位凸缘15的侧端面与大齿轮20的侧端面之间，以用于调整大齿轮20相对小齿轮11的角向位置。本可选方案中，可通过改变调整垫32的厚度旋转大齿轮20，进而调整大齿轮20相对小齿轮11的角向位置，使大齿轮20和小齿轮11能够分别与各自对应的齿轮啮合而不产生干涉。如图2所示，限位挡圈33装设于安装轴体14的外圆上，且限位于右轴颈13和大齿轮20之间，以用于在非工作时阻挡装设于右轴颈13外圆上滚棒轴承的滚子。

可选地，如图2所示，大齿轮20的齿轮盘上还加工有内凹且呈环形的半圆环槽。中间齿轮螺旋组合1还包括用于减振的阻尼环40，阻尼环40卡装于半圆环槽中，阻尼环用于降低中间齿轮螺旋组合1工作时的振动，使其工作更平稳。

可选地，大齿轮20的法向模数为1.25，大齿轮20的法向模数是目前长寿命的适航小功率涡轴发动机可采用的较小的模数。小齿轮11和大齿轮20的螺旋角均为整数，螺旋角为选定的整数，避免采用小数，便于记忆和校准，同时也对制造过程有利。

参照图4-图6，本发明的优选实施例还提供了一种涡桨发动机，包括减速器，减速器包括：用于安装螺旋桨3的桨轴4、用于与动力涡轮5相连的动力涡轮轴6、两组如上述中任一项的中间齿轮螺旋组合1。动力涡轮轴6的外圆上还设有输入齿轮7，桨轴4的外圆上还装设有输出齿轮8。两组中间齿轮螺旋组合1分设于动力涡轮轴6的两侧，且每组中间齿轮螺旋组合1的大齿轮20分别与输入齿轮7外啮合，每组中间齿轮螺旋组合1的小齿轮11分别与输出齿轮8外啮合。

本发明的减速器中，桨轴4和动力涡轮轴6两者相对设置，两组中间齿轮螺旋组合1分设于动力涡轮轴6的两侧，其传动路线构形似汉字“亚”，故而命名为“亚”字形减速器；“亚”字形减速器采用两级外圆柱齿轮过约束传动，即输入齿轮7和输出齿轮8两者分别同时与两组中间齿轮螺旋组合1外啮合传动，从而形成过约束传动，过约束传动中，必须调整其中一件中间齿轮螺纹组合的螺纹连接的角向位置，才能避免齿面干涉，否则几乎不能装配到全部齿面互相啮合，而本发明中，中间齿轮螺旋组合1的大齿轮20与齿轮轴10螺旋连接，从而通过改变调整垫32的厚度旋转大齿轮20的螺纹，即可调节中间齿轮螺旋组合1的螺纹连接的角向位置，避免齿面干涉、保证装配到位的同时，使两组中间齿轮螺旋组合1的负载均匀，避免两件中间齿轮螺旋组合1轴向对齐误差大而受力不均。

本发明的小功率涡桨发动机的“亚”字形减速器，使中间齿轮螺旋组合1的角度可调，从而使所有传动齿面正常啮合不产生干涉，便于动力的有效传递；另一方面，小功率涡桨发动机的减速器需要解决轴承尺寸小、载荷大、转速高的问题，本发明中，“亚”字形传动方案，使功率流一分为二，齿面径向压力减小为二分之一，且齿面压力矢量方向不同，矢量和小于其数值之和，从而延长轴承寿命，且小功率涡桨发动机的“亚”字形减速器还通过两个中间齿轮螺旋组合1均分扭矩，提高了发动机齿轮强度裕度，进而提高发动机的安全性和使用寿命；“亚”字形减速器的齿轮重合度显著提高，传动更平稳，对振动模态的振幅约束和阻尼显著，噪声降低，齿轮不容易失效。

本可选方案中，如图5所示，桨轴4和动力涡轮轴6平行间隔设置。两组中间齿轮螺旋组合1对称设置。输入齿轮7的分度圆直径小于大齿轮20的分度圆直径，且小齿轮11的分度圆直径小于输出齿轮8的分度圆直径。该进一步的优化设计，使减速器的结构更类似“亚”字形减速器，从而均分载荷效果更明显，有利于载荷的均匀传递。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。