一种航空发动机薄辐板直齿轮多参数调频设计方法

技术领域

本申请属于航空发动机，特别涉及一种航空发动机薄辐板直齿轮多参数调频设计方法。

背景技术

齿轮传动系统是航空涡扇和涡喷发动机机械系统(包含中央传动装置、发动机附件机匣和飞机附件机匣)的重要组成零件，中央传动与发动机附件机匣通过中央传动杆连接，发动机附件机匣通过柔轴与飞机附件机匣连接。发动机起动时，安装在飞机附件机匣上的起动机通过齿轮系统、柔轴和传动杆等零件将输出功率传递到发动机高压转子，使发动机起动；发动机正常工作时，安装在飞机附件机匣和发动机附件机匣上的各附件通过飞机附件机匣、发动机附件机匣及中央传动等一系列齿轮传动系统从发动机高压转子提取功率保证正常工作。

受航空发动机重量指标限制，传动系统齿轮通常设计为轻质的薄辐板齿轮结构，辐板尺寸范围一般为3mm～6mm，示意图见图1。这种结构形式的直齿轮固有频率较低，在工作转速范围内存在多阶固有频率，其主要破坏模式为节径型振动疲劳失效。为了避免在工作中齿轮传动系统发生振动疲劳失效，设计过程中通过调整辐板厚度B(见图1)的尺寸参数来改变齿轮轴各阶固有频率，将计算共振转速调整到常用工作转速范围之外。

与本发明相关的现有技术方案如上文所述，其缺点主要为：考虑到减重目的，航空发动机直齿轮辐板通常设计的较为轻薄，整体刚性偏弱，在工作转速范围内可能出现多个共振点，如图2所示，在慢车转速到最高转速范围内，存在三节径前行波、四节径后行波振动，且四节径前行波共振裕度偏低；采用现有技术方法，改变齿轮辐板厚度增重较多，且调整后齿轮各阶次固有频率提高程度与辐板厚度变化率相当(见表1)，表1各阶次固有频率随辐板厚度的变化情况

导致高阶振型共振点调出工作转速范围，但低阶振型固有频率升高进而其共振点进入工作转速范围的问题，无法实现将所有共振点均调整出工作转速范围，工作中齿轮可能发生共振疲劳破坏，从而影响航空发动机功能性和可靠性。

发明内容

为了解决上述问题，一种航空发动机薄辐板直齿轮多参数调频设计方法，包括：

步骤1：确认齿轮轴初步方案，建立齿轮轴三维模型；

步骤2：基于初步方案，进行模态试算，获取齿轮轴在第一预设转速范围内无共振点的辐板厚度范围；

当所述辐板厚度范围为非空集合时，将具有所述辐板厚度范围的初步方案设为最终方案，跳转步骤5；

当所述范围为空集合时，选取使共振点靠近第一预设转速范围边缘最近时对应的辐板厚度值；将具有所述辐板厚度值的初步方案设为第一方案，跳转步骤3；

步骤3：基于第一方案获取齿轮轴在第二预设范围转速内无共振点的齿宽宽度范围；

当所述齿宽宽度范围为非空集合时，将具有所述齿宽宽度范围的第一方案设为最终方案，跳转步骤5；

当所述范围为空集合时，选取使共振点靠近第二预设转速范围边缘最近时对应的齿宽宽度值；将具有所述齿宽宽度值的初步方案设为第二方案，跳转步骤4；

步骤4：基于第二方案获取齿轮轴在第三预设范围转速内无共振点的圆角尺寸范围；

当所述圆角尺寸范围为非空集合时，将具有所述圆角尺寸范围的第一方案设为最终方案，跳转步骤5；

当所述圆角尺寸范围为空集合时，跳转步骤1；

步骤5：取最终方案中辐板厚度范围、齿宽宽度范围或者圆角尺寸范围的值开展最终方案的模态分析；

步骤6：当模态分析结果符合预设要求，输出最终方案，当最终方案齿轮轴不符合预设要求，返回步骤5。

优选的是，所述第一预设转速范围为转速80％～95％；

优选的是，所述第二预设转速范围为齿轮轴的低阶振型共振转速低于常用工作转速下限，相邻高阶振型共振转速在常用工作转速上限预设范围内。

优选的是，所述第二预设转速范围为齿轮轴的考虑分频、倍频时低阶振型共振转速在常用工作转速上限预设范围内，相邻高阶振型共振转速低于常用工作转速下限。

优选的是，通过二分法调整齿宽尺寸获取齿轮轴在第三预设范围转速内无共振点的圆角尺寸范围。

优选的是，在辐板厚度范围中取值时，辐板厚度小于齿宽。

优选的是，在齿宽宽度范围中取值时，齿宽根据轮齿弯曲疲劳和接触疲劳强度储备确定最小值

本申请的优点包括：本发明提供的航空发动机薄辐板直齿轮多参数调频设计方法，相比仅调整辐板厚度进行调频的原方法，突破了直齿轮各阶次固有频率精准控制技术，明确了各设计参数适用范围，给出了多参数调频设计流程，采用该方法能够实现任意齿轮在工作转速范围内均无计算共振点，且齿轮增重较少，在设计阶段可依赖该分析结果进行结构改进设计，降低了工作中齿轮发生共振疲劳破坏的可能，从而提高了航空发动机薄辐板直齿轮的工作可靠性。

附图说明

图1是典型薄辐板直齿轮示意图；

图2是典型直齿轮计算共振点示意图；

图3是多参数调频设计流程图；

图4是齿宽调整适用情况示意图；

图5是圆角调整适用情况示意图；

图6是原结构坎贝尔图；

图7是多参数调频后坎贝尔图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本发明的目的是实现齿轮所有计算共振点均在常用工作转速范围之外。通过大量研究发现，航空发动机薄辐板直齿轮固有频率随辐板厚度、齿宽宽度和圆角大小的变化规律均不相同，

齿宽变宽后，直齿轮一阶固有频率降低、二阶固有频率基本不变、三阶固有频率略微升高(见表2)；辐板与轴之间转接圆角变大后，一阶、二阶固有频率略微升高、三阶固有频率基本不变。根据上述齿轮固有频率变化特点，提出了一种航空发动机薄辐板直齿轮多参数调频设计方法，在原齿轮调频设计参数B基础上，将齿宽A和圆角R(见图1)同时作为优化参数，明确了各设计参数适用范围，给出了多参数调频设计流程，通过反复调整齿宽A、辐板B和圆角R的尺寸，精确控制齿轮各阶次固有频率，实现齿轮所有计算共振点均在常用工作转速范围之外。

表2各阶次固有频率随齿宽A的变化情况

表3各阶次固有频率随圆角R的变化情况

设计流程：

本发明提供的航空发动机薄辐板直齿轮多参数调频设计流程见图4，详细说明如下：

1)步骤1确认齿轮轴结构、工作温度、材料属性等信息；

2)步骤2开展三维模型简化，为了提高计算效率，去除倒圆、倒角及沟槽等小的细节特征；

3)步骤3调整辐板尺寸，进行模态试算，如果计算共振点落在转速80％～95％范围内，重新调整辐板尺寸，直止转速80％～95％范围内无共振点(参考图5、图6)；

4)步骤4调整齿宽尺寸，适用于低阶振型共振转速低于常用工作转速下限、但裕度较小，相邻高阶振型共振转速在常用工作转速上限附近的情况(见图5)，采用二分法调整齿宽尺寸，进行模态试算，直至全部常用工作转速范围内无共振点；

5)步骤5调整圆角尺寸，适用于考虑分频、倍频时低阶振型共振转速在常用工作转速上限附近，相邻高阶振型共振转速低于常用工作转速下限、但裕度较小的情况(见图6)，采用二分法调整齿宽尺寸，进行模态试算，直至全部常用工作转速范围内无共振点；

6)步骤6开展最终方案的模态分析，获得各阶次固有频率；

7)步骤7开展最终方案的共振转速计算，确保常用工作转速范围内无共振点；

8)步骤8为最终设计方案和计算结果输出。

举例说明：

某航空发动机薄辐板直齿轮轴动测发现存在33E、33E/2、2*33E激振因素激起的二节径、三节径和四节径共振，且各振型振动应力均不低，坎贝尔图见图7，可见仅改变该齿轮轴的辐板厚度无法将所有共振点均调出常用工作转速范围。为此，采用了本发明提出航空发动机薄辐板直齿轮多参数调频设计方法，同时调整齿轮辐板厚度、齿宽和圆角，经过反复调整确定最终结构方案，辐板B参数由7mm调整为8.5mm、齿宽A参数由13.1mm调整为13.5mm、圆角R参数由3mm调整为10mm，多参数调频后坎贝尔图见图7，可见齿轮33E/2激振因素在工作转速范围内无交点、33E和2*33E激振因素的共振点均在慢车转速以下(停留时间很短)，采用该方法调频后能够保证齿轮轴无振动疲劳风险，安全、可靠工作。

本发明提供的航空发动机薄辐板直齿轮多参数调频设计方法，相比仅调整辐板厚度进行调频的原方法，突破了直齿轮各阶次固有频率精准控制技术，明确了各设计参数适用范围，给出了多参数调频设计流程，采用该方法能够实现任意齿轮在工作转速范围内均无计算共振点，且齿轮增重较少，在设计阶段可依赖该分析结果进行结构改进设计，降低了工作中齿轮发生共振疲劳破坏的可能，从而提高了航空发动机薄辐板直齿轮的工作可靠性。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。