GTF發(fā)動(dòng)機(jī)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

侯明曦，李錦花，張茂強(qiáng)，邢彬，史妍妍

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110015）

0 引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，常規(guī)大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)發(fā)展到瓶頸階段，噪聲、污染和經(jīng)濟(jì)性很難有較大飛躍，為進(jìn)一步提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減少污染排放，未來的商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)上著重研究將低壓轉(zhuǎn)子和風(fēng)扇均設(shè)計(jì)在最佳轉(zhuǎn)速下工作，其核心技術(shù)是將行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)作為低壓轉(zhuǎn)子和風(fēng)扇之間的減速裝置，使低壓轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇低速運(yùn)轉(zhuǎn)，保證低壓轉(zhuǎn)子和風(fēng)扇同時(shí)在高效率下工作，其傳動(dòng)功率大、空間結(jié)構(gòu)緊湊，但工作條件惡劣。目前國際上應(yīng)用該技術(shù)的代表性發(fā)動(dòng)機(jī)是PW公司的齒輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇（GTF）發(fā)動(dòng)機(jī)[1]。

本文以中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所開展的GTF發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，開展行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究，為GTF發(fā)動(dòng)機(jī)在中國的發(fā)展積累經(jīng)驗(yàn)及奠定基礎(chǔ)。

1 航空行星齒輪傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)國際現(xiàn)有GTF發(fā)動(dòng)機(jī)（PW1000G和Honey well TFE731）、開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)（RB3011和578-DX），以及大量齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在航空領(lǐng)域（螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)、直升機(jī)減速系統(tǒng)）的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)大功率、高可靠性、大傳動(dòng)比、小體積的應(yīng)用中，行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是最佳選擇[2]。行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)主要有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、傳動(dòng)比范圍大、傳動(dòng)效率高和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在GTF發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中，太陽輪由低壓轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)，行星架固定，外環(huán)齒輪驅(qū)動(dòng)單級風(fēng)扇。

圖1 行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PW1000G和Honey well TFE731發(fā)動(dòng)機(jī)均采用行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)作為低壓渦輪和風(fēng)扇之間的減速裝置[3]。但PW公司研制的PW1000G發(fā)動(dòng)機(jī)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)采用人字齒齒輪和滑動(dòng)軸承與柔性支承結(jié)構(gòu)，與TFE731-50發(fā)動(dòng)機(jī)的直齒圓柱齒輪和滾動(dòng)軸承相比較，結(jié)構(gòu)更緊湊，形式更簡單。

目前國內(nèi)對GTF發(fā)動(dòng)機(jī)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)仍處于預(yù)先研究階段。中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所的研究團(tuán)隊(duì)開展了GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)——齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)[1]研究，為GTF發(fā)動(dòng)機(jī)在中國的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2 GTF發(fā)動(dòng)機(jī)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先根據(jù)技術(shù)指標(biāo)確定行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)輪系結(jié)構(gòu)形式，然后進(jìn)行重要部件的選型和基本參數(shù)設(shè)計(jì)，最后確定其結(jié)構(gòu)方案。GTF發(fā)動(dòng)機(jī)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求見表1。

表1 GTF發(fā)動(dòng)機(jī)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

2.1.1 行星齒輪設(shè)計(jì)

目前應(yīng)用在行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪有多種型式，包括直齒圓柱齒輪、高重合度直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪和人字齒齒輪[4-5]。根據(jù)本文GTF發(fā)動(dòng)機(jī)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，采用人字齒齒輪，如圖2所示。將2個(gè)斜齒輪反向并排安裝在同一軸上，其承載能力大，傳動(dòng)平穩(wěn)，沖擊、振動(dòng)、噪聲較小，而且通過產(chǎn)生相反的軸向力可以消除軸向推力，最大程度地減小行星軸承上的載荷。

圖2 行星齒輪

對于行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，齒輪材料應(yīng)具有較高的接觸疲勞強(qiáng)度、彎曲疲勞強(qiáng)度、熱硬度、斷裂韌度，以及抗擦痕性能。太陽輪和行星輪材料為滲碳鋼，通過滲碳，表面硬度可達(dá)HRC60，具有高硬度、高韌性及良好的耐磨性和塑性。外環(huán)齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸較大，表面處理時(shí)易產(chǎn)生較大變形，而滲碳工藝的滲氮溫度比較低，變形小，所以選用滲氮鋼，通過滲氮工藝提高齒輪表面硬度。

2.1.2 行星軸承設(shè)計(jì)

目前應(yīng)用在行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中的行星軸承主要包括圓柱滾子軸承、球面滾子軸承和滑動(dòng)軸承3種。軸承型式的選擇和設(shè)計(jì)需要從承載能力、工作轉(zhuǎn)速、潤滑方式、壽命等方面考慮[6]。根據(jù)本文GTF發(fā)動(dòng)機(jī)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，采用滑動(dòng)軸承，如圖3所示。其形式簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力高，工作平穩(wěn)可靠，在良好的潤滑條件下，其摩擦損失小，壽命更長，同時(shí)潤滑油膜具有一定的吸振能力。但是滑動(dòng)軸承對潤滑系統(tǒng)的要求較高，一旦潤滑油不足，軸承將嚴(yán)重磨損并導(dǎo)致失效；同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)初始過程中，提供軸承所需的潤滑形成油膜也是1項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[7-8]。

圖3 滑動(dòng)軸承

2.2 齒輪疲勞強(qiáng)度分析

2.2.1 齒輪受力分析

人字齒齒輪由2個(gè)斜齒輪組成，受力計(jì)算公式為[9]

式中：T為扭矩；D為齒輪分度圓直徑；P為功率；N為轉(zhuǎn)速。

其他分力可由以下公式計(jì)算[9]

式中：Fr為徑向力；Fa為軸向力；Fb為斜齒輪的彎曲應(yīng)力；α為壓力角；β為螺旋角。

2.2.2 計(jì)算方法

采用ISO6336齒輪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的齒輪齒面接觸應(yīng)力和齒根彎曲應(yīng)力校核方法進(jìn)行行星齒輪疲勞強(qiáng)度分析。

齒面接觸應(yīng)力計(jì)算公式為[10]

式中：Ft為切向力；dp為小齒輪分度圓直徑；b為齒寬；u為齒輪齒數(shù)比；Z和K為修正系數(shù)。

齒根彎曲應(yīng)力計(jì)算公式為[11]

式中：mn為法向模數(shù)；Y為修正系數(shù)。

2.2.3 疲勞強(qiáng)度分析

對于航空發(fā)動(dòng)機(jī)用齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，需要滿足不同飛行狀態(tài)下的載荷，包括滑行、起飛、爬升、巡航、下降、著陸幾個(gè)階段，不同飛行狀態(tài)下傳動(dòng)齒輪上的載荷變化很大[12]。為簡化計(jì)算分析過程，本文只對典型飛行狀態(tài)下的齒輪進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析。在齒輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析軟件MASTA[13]中建模，如圖4所示。

圖4 行星齒輪傳動(dòng)建模

基于ISO6336進(jìn)行齒輪接觸和彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果采用安全系數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 齒輪疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

2.3 行星齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

從表2中可見，經(jīng)過初步設(shè)計(jì)的齒輪強(qiáng)度不能滿足設(shè)計(jì)要求，因此，通過采用齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)方法（包括齒輪宏觀參數(shù)優(yōu)化、齒輪微觀修形），改善齒輪接觸情況，提高齒輪承載能力，減小傳遞誤差。

2.3.1 齒輪宏觀參數(shù)優(yōu)化

齒輪宏觀參數(shù)優(yōu)化通過優(yōu)化齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括螺旋角、壓力角、模數(shù)），提高齒輪接觸和彎曲疲勞強(qiáng)度。優(yōu)化計(jì)算結(jié)果表明：同時(shí)將螺旋角、壓力角、模數(shù)設(shè)置為優(yōu)化變量，優(yōu)化目標(biāo)以權(quán)重的方式，同時(shí)優(yōu)化接觸和彎曲疲勞強(qiáng)度，最大程度地提高齒輪的接觸和彎曲疲勞強(qiáng)度，齒輪宏觀參數(shù)優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

2.3.2 齒輪微觀修形

為了使齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)，以減少嚙合沖擊和改善齒面潤滑狀態(tài)，獲得較為均勻的載荷分布和更高的承載能力，目前對低速重載和高速重載齒輪已較普遍采用修形技術(shù)。根據(jù)所產(chǎn)生的不同誤差，齒輪修形分為齒向修形和齒形修形。

對于行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，最好僅對太陽輪的輪齒進(jìn)行修形。如果對行星輪進(jìn)行修形，必須附加規(guī)定修形參數(shù)的極限差值，但其使用效果不大，而且使加工困難[14]。

在齒輪宏觀參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，根據(jù)修形原則[15]，同時(shí)對太陽輪進(jìn)行齒向和齒形修形，如圖5所示，修形前、后的傳遞誤差如圖6所示，應(yīng)力分布如圖7所示。從齒輪修形優(yōu)化的結(jié)果可見，通過齒向和齒形修形，齒輪的傳遞誤差和應(yīng)力分布有較大改善，有效提高了齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，但是齒輪接觸和彎曲疲勞強(qiáng)度增大幅度較小。

圖5 太陽輪齒向、齒形修形

圖6 傳遞誤差曲線

圖7 應(yīng)力分布

3 結(jié)論

本文完成最大傳遞功率達(dá)23860kW，傳動(dòng)比為2.82∶1，壽命為20000h的行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)重要部件行星齒輪的初步設(shè)計(jì)和優(yōu)化技術(shù)研究，得出以下結(jié)論：

（1）行星齒輪傳動(dòng)、人字齒齒輪、滑動(dòng)軸承基本可以滿足GTF發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)高載荷、高可靠性、結(jié)構(gòu)緊湊、長壽命的設(shè)計(jì)要求。

（2）通過進(jìn)行減少齒輪模數(shù)、提高螺旋角和壓力角的齒輪宏觀參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得高重合度的行星齒輪結(jié)構(gòu)，從而提高齒輪的承載能力。

（3）通過太陽輪的齒向和齒形微觀修形設(shè)計(jì)，可以減小齒輪傳遞誤差，改善齒面應(yīng)力分布，減小傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲。

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