郭梅，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

附件機(jī)匣作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)為其提供扭矩，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，從發(fā)動(dòng)機(jī)提取功率用于驅(qū)動(dòng)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)附件，保證飛機(jī)電子設(shè)備等部件正常工作，其重要性已超越傳統(tǒng)的“附件”意義，成為發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的六大部分之一[1]。

本文進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及齒輪強(qiáng)度分析。根據(jù)各傳動(dòng)附件的設(shè)計(jì)輸入進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其中的齒輪接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析，總結(jié)了殼體和齒輪軸對(duì)附件機(jī)匣內(nèi)部齒輪疲勞強(qiáng)度的影響程度。

1 附件機(jī)匣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)行附件機(jī)匣設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)各傳動(dòng)附件所需的功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向安排傳動(dòng)鏈，并確定齒輪軸的中心距；然后依據(jù)中心距計(jì)算出齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)而設(shè)計(jì)軸和軸承的結(jié)構(gòu)尺寸；最后確定附件機(jī)匣殼體的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，形成附件機(jī)匣總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

1.1 附件機(jī)匣殼體設(shè)計(jì)

附件機(jī)匣殼體是附件傳動(dòng)系統(tǒng)的重要零件之一，綜合考慮傳動(dòng)鏈安排形式，將機(jī)匣殼體設(shè)計(jì)成整體鑄造結(jié)構(gòu)，以提高加工精度，從而提高齒輪等傳動(dòng)部件的工作精度。機(jī)匣前、后端面有與附件安裝座配合的表面和止口，殼體中鑄有安裝軸承的內(nèi)孔，機(jī)匣腔內(nèi)鑄有滑油通道和給發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)接齒輪箱、前軸承腔、后軸承腔供回油的各種滑油通道。機(jī)匣殼體兩側(cè)安裝鑄有安裝吊環(huán)支板的U形槽。

1.2 齒輪設(shè)計(jì)

附件機(jī)匣內(nèi)均為圓柱齒輪，壓力角為25°，單圓弧齒根[2]，齒面滲碳，采用薄幅板大輪緣的結(jié)構(gòu)形式，這樣既可減輕質(zhì)量又避免應(yīng)力集中。

1.3 軸承設(shè)計(jì)

齒輪軸采用固游式支承形式，即齒輪軸兩端分別由1個(gè)球軸承和1個(gè)滾棒軸承支承（如圖2所示），當(dāng)齒輪軸由于溫度變化而伸縮時(shí)，能和軸承內(nèi)圈及滾動(dòng)體沿外圈內(nèi)表面自由移動(dòng)。軸承外圈均設(shè)計(jì)成帶安裝邊的結(jié)構(gòu)，便于安裝并準(zhǔn)確定位。

2 齒輪疲勞強(qiáng)度分析

2.1 計(jì)算方法

采用航標(biāo)中的齒面接觸應(yīng)力和齒根彎曲應(yīng)力校核方法進(jìn)行齒輪疲勞強(qiáng)度分析[3-4]。在疲勞強(qiáng)度計(jì)算中，嚙合齒向誤差Fβy是考慮沿齒寬載荷分布不均勻影響的參數(shù)。

式中：Fβx為初始嚙合齒向誤差[5]；yβ為齒向跑合量；fsh1為小齒輪和軸變形引起的嚙合齒向誤差分量；fsh2為大齒輪和軸變形引起的嚙合齒向誤差分量；fma為制造誤差引起的嚙合齒向誤差分量；fbe為軸承變形引起的嚙合齒向誤差分量；fca為支承機(jī)匣變形引起的嚙合齒向誤差分量。

在傳統(tǒng)的計(jì)算方法中，軸和殼體的剛度忽略不計(jì)，即相當(dāng)于無窮大，這種處理方法與實(shí)際情況有一定差距；在本計(jì)算中，通過有限元分析，得到軸和殼體的真實(shí)剛度，使得計(jì)算結(jié)果更接近真實(shí)情況。

2.2 強(qiáng)度分析

2.2.1 建立模型

在UG軟件中建立精確的3維模型，然后將殼體模型導(dǎo)入Hypermesh軟件，將齒輪軸模型導(dǎo)入ANSYS軟件后劃分網(wǎng)格，生成有限元模型分別如圖3、4所示。

2.2.2 剛度計(jì)算

利用有限元分析軟件ANSYS計(jì)算得到殼體、軸（以002、003、004、005軸為例）的剛度矩陣及節(jié)點(diǎn)位置，如圖5～9所示。

在MASTA[6]中計(jì)算了2種情況下的齒輪接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)和彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)。未考慮和考慮殼體和齒輪軸實(shí)際剛度影響時(shí)的計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 齒輪疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.2.3 齒輪疲勞強(qiáng)度分析

計(jì)算結(jié)果表明，齒輪疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。其中齒輪003、002、009、010的彎曲強(qiáng)度在考慮殼體和軸實(shí)際剛度影響時(shí)比不考慮殼二者影響時(shí)的小，而齒輪005、004、006、007、008的彎曲強(qiáng)度在考慮殼體和軸實(shí)際剛度影響時(shí)比不考慮二者影響時(shí)的大；齒輪003、002、006、008接觸強(qiáng)度在考慮殼體和軸實(shí)際剛度影響時(shí)與不考慮二者影響時(shí)的相同；齒輪005、004、007、009的彎曲強(qiáng)度在考慮殼體和軸實(shí)際剛度影響時(shí)比不考慮二者影響時(shí)的大；而齒輪010的彎曲強(qiáng)度在考慮殼體和軸實(shí)際剛度影響時(shí)比不考慮二者影響時(shí)的小。本設(shè)計(jì)中2種情況的差別不大，說明殼體剛度較好，對(duì)齒輪強(qiáng)度影響不大。

3 結(jié)論

（1）完成了發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和重要傳動(dòng)部件齒輪疲勞強(qiáng)度分析。該附件機(jī)匣已隨發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)試車300 h以上，工作正常，滿足了在發(fā)動(dòng)機(jī)上的傳動(dòng)要求，說明該附件機(jī)匣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

（2）對(duì)齒輪進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計(jì)和分析，尤其是將齒輪-軸-殼體組成1個(gè)系統(tǒng)，計(jì)算時(shí)考慮各因素之間的相互影響，與實(shí)際情況更接近，分析更完整。

[1] 《航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)：第12冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002：553-573.

[2] 中華人民共和國航空航天工業(yè)部.HB 0-91-88漸開線圓柱齒輪傳動(dòng)[S].北京：中華人民共和國航空航天工業(yè)部，1988：1-3.

[3] 中華人民共和國航空航天工業(yè)部.HB/Z 84.2-84航空漸開線圓柱齒輪輪齒接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算[S].北京：中華人民共和國航空航天工業(yè)部，1984：1-21.

[4] 中華人民共和國航空航天工業(yè)部.HB/Z 84.3-84航空漸開線圓柱齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算[S].北京：中華人民共和國航空航天工業(yè)部，1984：1-49.

[5] 中華人民共和國航空航天工業(yè)部.HB/Z 84.1-84航空漸開線圓柱齒輪承載能力一般系數(shù)計(jì)算[S].北京：中華人民共和國航空航天工業(yè)部，1984：17-19.

[6] SMT公司.Masta培訓(xùn)手冊(cè)[M].北京：SMT公司，2007：15-50.

[7] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：1-49.

[8] 航空材料手冊(cè)編寫組.中國航空材料手冊(cè)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1972：50-65.

[9] 周長城.ANSYS基礎(chǔ)與典型范例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：15-100.

[10] 楊榮，常春江，魏文山，等.某型發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣中心傳動(dòng)從動(dòng)錐齒輪斷裂故障分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，1999，25（4）:31-38.