一種軸內(nèi)遠(yuǎn)端花鍵副潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

陳金，張川

(中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所、直升機(jī)傳動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412002）

直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的主要作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過一定的減速和轉(zhuǎn)向傳遞至旋翼系統(tǒng)。在動(dòng)力傳遞過程中，傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間常發(fā)生純扭矩的傳遞。花鍵連接為多齒工作，具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于安裝、承載能力高、對(duì)中性和導(dǎo)向性較好、應(yīng)力集中較小、對(duì)軸與轂強(qiáng)度削弱小等優(yōu)點(diǎn)。因此，花鍵廣泛用于直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中傳遞扭矩和定心精度要求較高的連接結(jié)構(gòu)。據(jù)美國海軍學(xué)院的H.W.Brown統(tǒng)計(jì)，美國艦載攻擊機(jī)“天鷹”A4全身共有174處使用花鍵連接。

花鍵連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)空間要求較小，常常用于空間狹小的結(jié)構(gòu)中。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)反而導(dǎo)致了其不可接近性，增加了花鍵副的檢修和更換成本。因此，花鍵副的可靠性和壽命往往要求較高?；ㄦI的失效主要來源于材料、不對(duì)中、振動(dòng)、表面不潔凈或潤(rùn)滑不足導(dǎo)致的各種磨損或者疲勞引起的斷裂。其中，潤(rùn)滑不足導(dǎo)致的各種磨損在花鍵失效中占據(jù)較高的比例。花鍵副的潤(rùn)滑主要分為脂潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑兩種方式，其中脂潤(rùn)滑方式對(duì)結(jié)構(gòu)的要求比較簡(jiǎn)單，但是，該種潤(rùn)滑方式存在缺點(diǎn)：（1）無法對(duì)花鍵副在工作中產(chǎn)生的熱量進(jìn)行冷卻；（2）潤(rùn)滑脂的性能受工作溫度影響較大，保持性和連續(xù)性不佳；（3）無法將工作過程中產(chǎn)生的磨粒及時(shí)排出，在花鍵副表面造成磨粒磨損。油潤(rùn)滑則除了滿足潤(rùn)滑花鍵副的基本要求外，還起到了對(duì)花鍵副進(jìn)行降溫冷卻和排出磨粒的作用，有效阻止了花鍵副的進(jìn)一步磨損。然而，油潤(rùn)滑方式對(duì)結(jié)構(gòu)要求較高，需要設(shè)計(jì)潤(rùn)滑油路。對(duì)于軸內(nèi)遠(yuǎn)離潤(rùn)滑油池的遠(yuǎn)端花鍵副，其油潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)則更復(fù)雜。本文以某型號(hào)減速器的花鍵副油潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)為例，提供一種可以對(duì)軸內(nèi)遠(yuǎn)端花鍵副進(jìn)行油潤(rùn)滑的潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，為同類設(shè)計(jì)提供參考。

1 潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某減速器主要作用為將傳動(dòng)軸動(dòng)力經(jīng)過減速、轉(zhuǎn)向傳遞至尾槳旋翼系統(tǒng)。該減速器通過法蘭盤上的外花鍵與主動(dòng)齒輪軸內(nèi)的內(nèi)花鍵連接，將傳動(dòng)軸的扭矩傳遞至減速器?；ㄦI副位于軸內(nèi)，遠(yuǎn)離減速器潤(rùn)滑油池。其油潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)主要包括輸入法蘭、O型密封圈、堵頭、集油筒、主動(dòng)錐齒輪、從動(dòng)錐齒輪、輸出軸，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)示意圖

2 潤(rùn)滑原理分析

輸出軸在集油筒正對(duì)處沿圓周均布8處小葉片，集油筒為內(nèi)錐形面，在軸內(nèi)遠(yuǎn)端均布4處導(dǎo)油孔。集油筒通過堵頭與輸入法蘭的過盈配合和自身的法蘭邊實(shí)現(xiàn)軸向定位。輸入法蘭圓周均布2處導(dǎo)油孔，與集油筒的導(dǎo)油孔正對(duì)。主動(dòng)錐齒輪與輸入法蘭配合段圓周均布4處回油槽。

潤(rùn)滑油路見圖2。圖中紅色箭頭為潤(rùn)滑油流動(dòng)路徑，輸出軸順時(shí)針高速旋轉(zhuǎn)，通過周向均布的葉片將油池中的潤(rùn)滑油甩至集油筒內(nèi)；集油筒內(nèi)孔為圓錐形，利用軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將潤(rùn)滑油輸送至集油筒左端；積聚在集油筒左端的潤(rùn)滑油通過集油筒周向均布的小孔和輸入法蘭周與輸入軸配合的花鍵副處，潤(rùn)滑花鍵副，再經(jīng)輸入法蘭與輸入軸右側(cè)配合段的周向均布的回油槽流回油池，同時(shí)起到將磨損產(chǎn)生的磨粒帶走的作用。

圖2 潤(rùn)滑油路

潤(rùn)滑油路的關(guān)鍵之處在于兩點(diǎn)：其一是利用輸出軸上均布的小葉片將油池的滑油甩至集油筒；其二是利用集油筒高速旋轉(zhuǎn)和其內(nèi)錐面將滑油克服重力引流至軸內(nèi)遠(yuǎn)端。滑油能否克服重力向上流動(dòng)，與集油筒旋轉(zhuǎn)速度、集油筒內(nèi)錐面錐角和輸入軸線與水平面的角度有關(guān)?；驮阱F形集油筒內(nèi)由于黏附力的作用隨集油筒高速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中滑油受到垂直于內(nèi)錐形壁方向的作用力，其垂直于軸線方向的分力F1用于克服滑油旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，沿著軸線方向的分力F2，只要大于滑油重力在軸線方向的分力G1，即F1＞G1，則滑油獲得沿軸線向里運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。

3 產(chǎn)品試驗(yàn)驗(yàn)證

該型減速器在臺(tái)架上進(jìn)行了潤(rùn)滑試驗(yàn)，用于驗(yàn)證減速器潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能是否滿足要求。經(jīng)過約37分鐘的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，滑油溫度穩(wěn)定在64℃左右（圖3）。潤(rùn)滑試驗(yàn)結(jié)束后的分解檢查證明，該處花鍵副有明顯的滑油痕跡，花鍵副能夠得到較充分的潤(rùn)滑，潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑功能得到了驗(yàn)證。該型減速器在臺(tái)架上進(jìn)行了800小時(shí)的翻修間隔期試驗(yàn)，試驗(yàn)后的分解檢查結(jié)果證明，該處花鍵副未見明顯的磨損痕跡，花鍵副壽命得到驗(yàn)證。

圖3 潤(rùn)滑試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)、分析了一種可用于軸內(nèi)遠(yuǎn)端花鍵副的油潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，該種潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)利用輸出軸上均布的小葉片和簡(jiǎn)單的錐形筒即可達(dá)到向遠(yuǎn)端軸內(nèi)引流潤(rùn)滑油的目的。經(jīng)試驗(yàn)表明，其潤(rùn)滑功能滿足要求。設(shè)計(jì)的潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)已申請(qǐng)發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)?02010325554.4）。