GTF發(fā)動機行星齒輪傳動系統(tǒng)設計技術研究

侯明曦，李錦花，張茂強，邢彬，史妍妍

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽 110015）

0 引言

隨著航空發(fā)動機技術的發(fā)展，常規(guī)大涵道比發(fā)動機已經發(fā)展到瓶頸階段，噪聲、污染和經濟性很難有較大飛躍，為進一步提高燃油經濟性，減少污染排放，未來的商用航空發(fā)動機在技術上著重研究將低壓轉子和風扇均設計在最佳轉速下工作，其核心技術是將行星齒輪傳動系統(tǒng)作為低壓轉子和風扇之間的減速裝置，使低壓轉子在高速運轉時驅動風扇低速運轉，保證低壓轉子和風扇同時在高效率下工作，其傳動功率大、空間結構緊湊，但工作條件惡劣。目前國際上應用該技術的代表性發(fā)動機是PW公司的齒輪驅動風扇（GTF）發(fā)動機[1]。

本文以中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所開展的GTF發(fā)動機齒輪傳動系統(tǒng)概念設計為基礎，開展行星齒輪傳動系統(tǒng)設計技術研究，為GTF發(fā)動機在中國的發(fā)展積累經驗及奠定基礎。

1 航空行星齒輪傳動技術發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)國際現(xiàn)有GTF發(fā)動機（PW1000G和Honey well TFE731）、開式轉子發(fā)動機（RB3011和578-DX），以及大量齒輪傳動系統(tǒng)在航空領域（螺旋槳發(fā)動機、直升機減速系統(tǒng)）的應用經驗，在航空發(fā)動機大功率、高可靠性、大傳動比、小體積的應用中，行星齒輪傳動系統(tǒng)是最佳選擇[2]。行星齒輪傳動系統(tǒng)主要有結構緊湊、質量輕、傳動比范圍大、傳動效率高和噪聲小等優(yōu)點，其結構如圖1所示。在GTF發(fā)動機應用中，太陽輪由低壓轉子驅動，行星架固定，外環(huán)齒輪驅動單級風扇。

圖1 行星齒輪傳動系統(tǒng)結構

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

目前國內對GTF發(fā)動機行星齒輪傳動系統(tǒng)的設計技術仍處于預先研究階段。中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所的研究團隊開展了GTF發(fā)動機的關鍵技術——齒輪傳動系統(tǒng)的概念設計[1]研究，為GTF發(fā)動機在中國的發(fā)展奠定了基礎。

2 GTF發(fā)動機行星齒輪傳動系統(tǒng)設計技術

2.1 結構設計

首先根據(jù)技術指標確定行星齒輪傳動系統(tǒng)輪系結構形式，然后進行重要部件的選型和基本參數(shù)設計，最后確定其結構方案。GTF發(fā)動機行星齒輪傳動系統(tǒng)的技術指標要求見表1。

表1 GTF發(fā)動機行星齒輪傳動系統(tǒng)技術指標

2.1.1 行星齒輪設計

目前應用在行星齒輪傳動系統(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)動機行星齒輪傳動系統(tǒng)的技術指標要求，采用人字齒齒輪，如圖2所示。將2個斜齒輪反向并排安裝在同一軸上，其承載能力大，傳動平穩(wěn)，沖擊、振動、噪聲較小，而且通過產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

對于行星齒輪傳動系統(tǒng)，齒輪材料應具有較高的接觸疲勞強度、彎曲疲勞強度、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)齒輪的結構尺寸較大，表面處理時易產生較大變形，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 行星軸承設計

目前應用在行星齒輪傳動系統(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軸承3種。軸承型式的選擇和設計需要從承載能力、工作轉速、潤滑方式、壽命等方面考慮[6]。根據(jù)本文GTF發(fā)動機行星齒輪傳動系統(tǒng)的技術指標要求，采用滑動軸承，如圖3所示。其形式簡單，結構緊湊，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，同時潤滑油膜具有一定的吸振能力。但是滑動軸承對潤滑系統(tǒng)的要求較高，一旦潤滑油不足，軸承將嚴重磨損并導致失效；同時在發(fā)動機起動初始過程中，提供軸承所需的潤滑形成油膜也是1項關鍵技術[7-8]。

圖3 滑動軸承

2.2 齒輪疲勞強度分析

2.2.1 齒輪受力分析

人字齒齒輪由2個斜齒輪組成，受力計算公式為[9]

式中：T為扭矩；D為齒輪分度圓直徑；P為功率；N為轉速。

其他分力可由以下公式計算[9]

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

2.2.2 計算方法

采用ISO6336齒輪設計標準中的齒輪齒面接觸應力和齒根彎曲應力校核方法進行行星齒輪疲勞強度分析。

齒面接觸應力計算公式為[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)。

齒根彎曲應力計算公式為[11]

式中：mn為法向模數(shù)；Y為修正系數(shù)。

2.2.3 疲勞強度分析

對于航空發(fā)動機用齒輪傳動系統(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、著陸幾個階段，不同飛行狀態(tài)下傳動齒輪上的載荷變化很大[12]。為簡化計算分析過程，本文只對典型飛行狀態(tài)下的齒輪進行疲勞強度分析。在齒輪系統(tǒng)設計與分析軟件MASTA[13]中建模，如圖4所示。

圖4 行星齒輪傳動建模

基于ISO6336進行齒輪接觸和彎曲疲勞強度計算，計算結果采用安全系數(shù)作為標準，見表2。

表2 齒輪疲勞強度計算結果

2.3 行星齒輪優(yōu)化設計

從表2中可見，經過初步設計的齒輪強度不能滿足設計要求，因此，通過采用齒輪優(yōu)化設計方法（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)化齒輪結構參數(shù)（包括螺旋角、壓力角、模數(shù)），提高齒輪接觸和彎曲疲勞強度。優(yōu)化計算結果表明：同時將螺旋角、壓力角、模數(shù)設置為優(yōu)化變量，優(yōu)化目標以權重的方式，同時優(yōu)化接觸和彎曲疲勞強度，最大程度地提高齒輪的接觸和彎曲疲勞強度，齒輪宏觀參數(shù)優(yōu)化后的計算結果見表3。

表3 優(yōu)化計算結果

2.3.2 齒輪微觀修形

為了使齒輪運轉更平穩(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。根據(jù)所產生的不同誤差，齒輪修形分為齒向修形和齒形修形。

對于行星齒輪傳動系統(tǒng)，最好僅對太陽輪的輪齒進行修形。如果對行星輪進行修形，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)化的基礎上，根據(jù)修形原則[15]，同時對太陽輪進行齒向和齒形修形，如圖5所示，修形前、后的傳遞誤差如圖6所示，應力分布如圖7所示。從齒輪修形優(yōu)化的結果可見，通過齒向和齒形修形，齒輪的傳遞誤差和應力分布有較大改善，有效提高了齒輪傳動系統(tǒng)的運動平穩(wěn)性，但是齒輪接觸和彎曲疲勞強度增大幅度較小。

圖5 太陽輪齒向、齒形修形

圖6 傳遞誤差曲線

圖7 應力分布

3 結論

本文完成最大傳遞功率達23860kW，傳動比為2.82∶1，壽命為20000h的行星齒輪傳動系統(tǒng)重要部件行星齒輪的初步設計和優(yōu)化技術研究，得出以下結論：

（1）行星齒輪傳動、人字齒齒輪、滑動軸承基本可以滿足GTF發(fā)動機齒輪傳動系統(tǒng)高載荷、高可靠性、結構緊湊、長壽命的設計要求。

（2）通過進行減少齒輪模數(shù)、提高螺旋角和壓力角的齒輪宏觀參數(shù)優(yōu)化設計，獲得高重合度的行星齒輪結構，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計，可以減小齒輪傳遞誤差，改善齒面應力分布，減小傳動系統(tǒng)振動噪聲。

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