Планетарно-дифференциальный редуктор

Изобретение относится к редукторам газотурбинных двигателей и может найти применение, например, в малоразмерных авиационных турбовинтовых двигателях. Планетарно-дифференциальный редуктор включает входной вал-шестерню, имеющий внешнее зубчатое зацепление с блоком сателлитов, внутренний выходной вал и наружный выходной вал с телом вращения, содержащим зубчатый венец внутреннего зацепления. Внутренний выходной вал концентрично установлен в наружный выходной вал. Входной вал-шестерня снабжен опорами, причем хотя бы одна опора входного вала-шестерни концентрично установлена во внутреннем выходном валу. Входной вал-шестерня сопряжен косозубым внешним зубчатым зацеплением с малым зубчатым венцом блока сателлитов, связанным с внутренним выходным валом, который содержит опору, установленную концентрично относительно опоры наружного выходного вала. Большой зубчатый венец блока сателлитов соединен внутренним прямозубым зубчатым зацеплением с зубчатым венцом тела вращения. Отношение диаметра начальной окружности зубчатого венца внутреннего зацепления наружного выходного вала к диаметру начальной окружности входного вала-шестерни составляет l,5-2. Изобретение позволяет снизить габаритные размеры редуктора и уровень потерь в зубчатом зацеплении, а также разгрузить опоры входного и выходных валов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к редукторам газотурбинных двигателей, а именно к планетарно-дифференциальным редукторам и может найти применение, например, в малоразмерных авиационных турбовинтовых двигателях.

Известен редуктор, который содержит входной вал-шестерню, соединенный прямозубым зубчатым зацеплением с большим зубчатым венцом блока сателлитов, которая в свою очередь соединена прямозубым внутренним зубчатым зацеплением с ведомой шестерней выходного наружного вала, установленной на теле вращения, при этом малый зубчатый венец блока сателлита соединен с ведомой шестерней выходного наружного вала прямозубым зубчатым зацеплением, при этом в наружный выходной вал концентрично установлен внутренний выходной вал (патент на изобретение RU 2346172, от 28.02.2007, опубл. 10.09.2009, МПК F02C 7/36).

Наиболее близким является планетарно-дифференциальный редуктор, включающий входной вал-шестерню, имеющий внешнее зубчатое зацепление с блоком сателлитов, внутренний выходной вал, наружный выходной вал с телом вращения, содержащим зубчатый венец внутреннего зацепления, при этом в наружный выходной вал концентрично установлен внутренний выходной вал (патент на изобретение RU 2316667, от 06.02.2006, опубл. 27.08.2007, МПК F02K 3/072, F16C 21/00).

Недостатком данных редукторов является низкий коэффициент полезного действия (КПД) редукторов из-за высокого уровня потерь в зубчатом зацеплении, так как зубчатый венец входного вала-шестерни и малый зубчатый венец блока сателлитов имеют малое число зубьев.

Также недостатком является то, что редукторы имеют большие габаритные размеры, связанные с тем, что, во-первых, прямозубые передачи не создают разгружающей осевой нагрузки на подшипники; во-вторых, опоры входного вала-шестерни и опоры выходных наружного и внутреннего валов расположены на одной оси, тем самым увеличивается длинновой габаритный размер редукторов; в-третьих, большие передаточные отношения на выходных валах редукторов, приводящие к увеличению диаметрального габаритного размера.

Еще одним недостатком является то, что в опорах валов применяются частично оригинальные подшипники, что значительно повышает себестоимость редукторов.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение КПД редуктора, а также снижение нагрузки на опоры входного вала и на опоры выходных валов редуктора и уменьшение габаритных размеров редуктора.

Дополнительным техническим результатом является распределение нагрузки от нагружающих элементов по валам, тем самым достигается заданный баланс сил в редукторе.

Технический результат достигается тем, что планетарно-дифференциальный редуктор содержит входной вал-шестерню, имеющий внешнее зубчатое зацепление с блоком сателлитов, внутренний выходной вал, наружный выходной вал с телом вращения, содержащим зубчатый венец внутреннего зацепления, при этом в наружный выходной вал концентрично установлен внутренний выходной вал.

Новым в изобретении является то, что входной вал-шестерня снабжен опорами, хотя бы одна опора входного вала-шестерни концентрично установлена во внутреннем выходном валу, входной вал-шестерня сопряжен косозубым внешним зубчатым зацеплением с малым зубчатым венцом блока сателлитов, связанным с внутренним выходным валом, который содержит опору, установленную концентрично относительно опоры наружного выходного вала, большой зубчатый венец блока сателлитов соединен внутренним прямозубым зубчатым зацеплением с зубчатым венцом тела вращения, при этом Dш/Dк=1,5-2, где Dш - диаметр начальной окружности зубчатого венца внутреннего зацепления наружного выходного вала, Dк - диаметр начальной окружности входного вала-шестерни.

Блок сателлитов дополнительно снабжен шестерней с прямозубым зубчатым венцом, сопряженной внутренним зубчатым зацеплением с крышкой, выполненной с возможностью прохода входного вала-шестерни.

За счет того, что входной вал-шестерня с опорами концентрично установлен во внутреннем выходном валу, а внутренний выходной вал концентрично установлен в наружный выходной вал, при этом опоры всех валов расположены так же концентрично, достигается компактная схема редуктора за счет уменьшения диаметрального и длиннового габаритных размеров редуктора. При этом в редукторе блок сателлитов одновременно связан с наружным выходным валом и с внутренним выходным валом, и имеется косозубое зацепление с малым зубчатым венцом блока сателлитов и прямозубое зацепление с большим зубчатым венцом блока сателлитов, это позволяет увеличить число зубьев на малом зубчатом венце блока сателлитов. Также это позволит разгрузить опоры выходных валов и входного вала, тем самым снизить нагрузки на опоры валов и повысить КПД самого редуктора.

Дополнительно введение в блок сателлитов механизма дозагрузки в виде внутреннего зубчатого зацепления позволяет обеспечить заданный баланс сил в редукторе при распределении нагрузки от нагружающих элементов по выходным валам.

На чертежах представлены:

фиг.1 - конструкция планетарно-дифференциального редуктора,

фиг.2 - кинематическая схема зацепления планетарно-дифференциального редуктора.

Планетарно-дифференциальный редуктор состоит из входного вала-шестерни 1, имеющего внешнее зубчатое зацепление 2 с блоком сателлитов 3, внутреннего выходного вала 4, наружного выходного вала 5 с телом вращения 6 (фиг.1). При этом в наружный выходной вал 5 концентрично установлен внутренний выходной вал 4. Тело вращения 6 наружного выходного вала 5 содержит зубчатый венец внутреннего зацепления 7.

Входной вал-шестерня 1 снабжен опорами 8. Хотя бы одна опора 8 входного вала-шестерни 1 концентрично установлена во внутреннем выходном валу 4. Входной вал-шестерня 1 сопряжен косозубым внешним зубчатым зацеплением 2 с малым зубчатым венцом 9 блока сателлитов 3, связанным с внутренним выходным валом 4.

Внутренний выходной вал 4 содержит опору 10, установленную концентрично относительно опоры 11 наружного выходного вала 5. Большой зубчатый венец 12 блока сателлитов 3 сопряжен внутренним прямозубым зубчатым зацеплением 13 с зубчатым венцом 7 тела вращения 6, при этом Dш/Dк=1,5-2, где Dш - диаметр начальной окружности зубчатого венца внутреннего зацепления 7 наружного выходного вала 5 (фиг.1), Dк - диаметр начальной окружности входного вала-шестерни 1 (фиг.1).

Блок сателлитов 3 дополнительно снабжен шестерней 14 с прямозубым зубчатым венцом 15, сопряженной внутренним зубчатым зацеплением 16 с крышкой 17, выполненной с возможностью прохода входного вала-шестерни 1. Так как в редукторе применяется планетарно-дифференциальная схема зацепления, то передаточные отношения на валах 5 и 4 определяются согласно формулам (1) и (2):

$$i_5=1+2\cdot \frac{\left(Z_7\cdot Z_9\right)}{\left(Z_{12}\cdot Z_1\right)};\text{ (1)}$$

$$i_4=\frac{\left(Z_{16}\cdot Z_9\right)}{\left(Z_{15}\cdot Z_1\right)};\text{ (2)}$$

где i₅ - передаточное отношение наружного выходного вала 5;

i₄ - передаточное отношение внутреннего выходного вала 4;

Z₇ - число зубьев зубчатого венца внутреннего зацепления 7 тела вращения 6;

Z₉ - число зубьев малого зубчатого венца 9 блока сателлитов 3;

Z₁₂ - число зубьев большого зубчатого венца 12 блока сателлитов 3;

Z₁ - число зубьев зубчатого венца на валу-шестерне 1;

Z₁₆ - число зубьев внутреннего зубчатого зацепления 16 на крышке 17;

Z₁₅ - число зубьев шестерни 15.

Редуктор содержит блок сателлитов 3, который одновременно связан с наружным выходным валом 5 и внутренним выходным валом 4, это позволяет увеличить число зубьев малого зубчатого венца 9 блока сателлитов 3 и увеличить КПД редуктора:

$$\eta =\pi \cdot f\cdot \cos \beta \cdot \left(\frac{1}{Z_1}+\frac{1}{Z_9}\right)\cdot \frac{\left({\epsilon }_{a1}^2+{\epsilon }_{a9}^2\right)}{\left({\epsilon }_{a1}+{\epsilon }_{a9}\right)};\text{ (3)}$$

где η - КПД редуктора;

f - суммарный коэффициент трения в паре зубчатых колес;

β - угол наклона зубчатого колеса;

Z₁ и Z₉ - число зубьев входного вала-шестерни и малого зубчатого венца блока сателлитов соответственно;

ε_a1 и ε_a9 - коэффициенты дополюсного и заполюсного зацеплений соответственно для зацепления с углом профиля зуба 20° ε_a1=0,78, ε_a9=0,9. Количество блоков сателлитов 3 в планетарно-дифференциальном редукторе должно быть от 3 до 7 штук (фиг.2).

Планетарно-дифференциальный редуктор работает следующим образом.

Крутящий момент от входного звена, например компрессора или турбины (не показаны), передается на входной вал-шестерню 1. От вала-шестерни 1 момент передается через внешнее косозубое зубчатое зацепление 2 малого зубчатого венца 9 на блок сателлитов 3. Затем крутящий момент поступает от малого зубчатого венца 9 блока сателлитов 3 на внутренний выходной вал 4, а от большого зубчатого венца 12 блока сателлитов 3 через внутреннее прямозубое зубчатое зацепление 13 - на тело вращения 6 и соответственно на наружный выходной вал 5. При этом одновременно крутящий момент передается от блока сателлитов 3 шестерне 14, при помощи внутреннего прямозубого зубчатого зацепления 16 соединенной с крышкой 17. Благодаря этому осуществляется балансировка сил в самом редукторе при распределении нагрузки от нагружающих элементов по выходным внутреннему 4 и наружному 5 валам.

Благодаря тому, что входной вал-шестерня снабжен опорами, хотя бы одна опора входного вала-шестерни концентрично установлена во внутреннем выходном валу, входной вал-шестерня сопряжен косозубым внешним зубчатым зацеплением с малым зубчатым венцом блока сателлитов, связанным с внутренним выходным валом, который содержит опору, установленную концентрично относительно опоры наружного выходного вала, большой зубчатый венец блока сателлитов соединен внутренним прямозубым зубчатым зацеплением с зубчатым венцом тела вращения, при этом Dш/Dк=1,5-2, где Dш - диаметр начальной окружности зубчатого венца внутреннего зацепления наружного выходного вала, Dк - диаметр начальной окружности входного вала-шестерни, достигается повышение КПД редуктора, а также снижение нагрузки на опоры входного вала и на опоры выходных валов редуктора и уменьшение габаритных размеров редуктора.

За счет того, что блок сателлитов дополнительно снабжен шестерней с прямозубым зубчатым венцом, сопряженной внутренним зубчатым зацеплением с крышкой, выполненной с возможностью прохода входного вала-шестерни, осуществляется распределение нагрузки от нагружающих элементов по валам, тем самым достигается заданный баланс сил в редукторе.

1. Планетарно-дифференциальный редуктор, включающий входной вал-шестерню, имеющий внешнее зубчатое зацепление с блоком сателлитов, внутренний выходной вал, наружный выходной вал с телом вращения, содержащим зубчатый венец внутреннего зацепления, при этом в наружный выходной вал концентрично установлен внутренний выходной вал, отличающийся тем, что входной вал-шестерня снабжен опорами, хотя бы одна опора входного вала-шестерни концентрично установлена во внутреннем выходном валу, входной вал-шестерня сопряжен косозубым внешним зубчатым зацеплением с малым зубчатым венцом блока сателлитов, связанным с внутренним выходным валом, который содержит опору, установленную концентрично относительно опоры наружного выходного вала, большой зубчатый венец блока сателлитов соединен внутренним прямозубым зубчатым зацеплением с зубчатым венцом тела вращения, при этом Dш/Dк=l,5-2, где Dш - диаметр начальной окружности зубчатого венца внутреннего зацепления наружного выходного вала, Dк - диаметр начальной окружности входного вала-шестерни.

2. Планетарно-дифференциальный редуктор по п.1, отличающийся тем, что блок сателлитов дополнительно снабжен шестерней с прямозубым зубчатым венцом, сопряженной внутренним зубчатым зацеплением с крышкой, выполненной с возможностью прохода входного вала-шестерни.