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涡轮 螺旋桨 发动 机主 减速器 设计

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毕业设计说明书题 目：涡轮螺旋桨发动机主减速器的设计专 业： 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 涡轮螺旋桨发动机主减速器的设计目录摘 要8第一章 绪论101.1涡轮发动机减速器101.2 选题目的和意义111.3 涡轮螺旋桨发动机工作原理12第二章 发动机主减速器的选择132.1发动机主减速器工作原理与技术要求132.2 发动机主减速器结构形式的选择142.2.1 轮系142.2.2 周转轮系的组成142.2.3 周转轮系的种类152.3 行星齿轮传动类型比较与选择152.4 传动方案的设计与选定162.2 齿轮设计及计算过程17第三章 行星轮传动设计183.1 齿轮材料、热处理工艺及制造工艺的选定183.2 确定主要参数183.2.1 传动比分配183.2.2 低速级设计183.2.3 高速级设计34第四章 行星轮轴的设计494.1 低速级行星轮轴的设计494.1.1 行星轮轴直径的计算494.1.2 行星轮轴的强度校核494.2 高速级行星轮轴的设计504.2.1 行星轮轴直径的计算504.2.2 行星轮轴的强度校核50第五章 输出轴的设计515.1 输出轴的弯曲刚度计算515.2 输出轴的扭转刚度计算53第六章 花键强度校核54第七章 花键强度校核577.1 太阳轮花键轴强度计算577.2 输出轴花键轴强度计算58第八章 轴承的选用与寿命计算608.1 轴承的选用608.2 轴承校核60第九章 螺栓计算64内齿圈与箱体联接螺纹计算64第十章 行星架与箱体的设计66第十一章 润滑与密封67第十二章 总结68参考文献69外文文献70文献译文自动变速器76摘 要:涡轮螺旋桨发动机是一种通常用于飞机上的燃气涡轮发动机。涡轮螺旋桨发动机：靠动力涡轮把核心机出口燃气中大部分可用能量转变为轴功率用以驱动空气螺旋桨，由于螺旋桨转速较低，动力涡轮轴与螺旋桨轴之间设有减速器。燃气中的少部分可用能量（约10）则在喷管中转化为气流动能，直接产生反作用推力 本文就涡轮螺旋桨发动机的特点，分析发动机的原理和减速器的原理，设计涡轮螺旋桨的主减速器。本课题采用两级NGW行星齿轮串联传动，由太阳轮输入行星轮输出。根据行星齿轮传动的传动特点以及减速器的输入功率、总传动比，输出转速以确定行星齿轮减速器齿轮的齿数、模数、中心距。并确定齿轮轴的大小及强度校核，以及输入输出轴的设计与强度校核。为了使传动更加平稳，本课题都采用花键连接。以及根据主减速的特点选择润滑方式与润滑油。另外就是箱体与行星架的设计。关键词：发动机原理；减速器原理；行星齿轮减速器；输入输出轴；花键Abstract:Propeller turbine engine is a gas turbine engine, The turboprop engine: Mainly through the energy turboprop to change the most of the gas which can be burning into energy to shaft power Which be used to drive gas turboprop. Because the low speed of turboprop. Between the Power turbine shaft and propeller shaft have reducer .a little of the the energy gas (about ten percent ) . change into the Turbulence kinetic energy which directly change into Reaction force.The turboprop engine characteristics, analysis of the principle of engine and reducer principle, design of propeller turbine main reducer. The subject of the use of two NGW planet gear series transmission, composed of a sun wheel input planetary gear output. According to the characteristics of transmission and the planetary gear reducer input power, the total transmission ratio, output speed to determine the planetary gear reducer gear teeth, modulus, center distance. And to determine the size and strength check of the gear shaft, and the input and output shaft design and strength check. In order to make the transmission more stable, this topic are connected by a spline. And according to the main reduction features a selection of lubrication and lubricants. The other is the box body and a planetary frame design.Key words: Propeller turbine engine; energy ; turbine shaft; turboprop engine characteristics; engine and reducer principle input and output shaft; spline1.1 第一章 绪论1.1涡轮发动机减速器涡轮发动机减速器是发动机驱动螺桨或旋翼必不可少的部件，它是涡桨发动机、涡轮轴发动机的组成部分。将涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机输出轴的转速降低到空气螺旋桨（或旋翼）所需转速的齿轮传动装置。减速器可以装在发动机内，也可装在发动机外成为一个独立的机外减速器4。涡轮螺旋桨发动机：靠动力涡轮把核心机出口燃气中大部分可用能量转变为轴功率用以驱动空气螺旋桨，由于螺旋桨转速较低，动力涡轮轴与螺旋桨轴之间设有减速器。燃气中的少部分可用能量（约10）则在喷管中转化为气流动能，直接产生反作用推力。图1.2 涡轮螺旋桨发动机 涡轮轴发动机工作原理与涡轮螺旋桨发动机基本相同，主要用于直升机上，也可用于飞机和其他航空器。由于在直升机上还有主减速器，所以涡轮轴发动机输出轴的转速比涡轮螺旋桨发动机高，它的减速器体积和重量都要小一些。输出轴伸出的位置比较灵活，可以从前面伸出，也可以向后或向两侧伸出1.2 选题目的和意义目的：本课题贴合机械设计及其自动化专业，涡轮发动机是飞机的核心部件，技术之复杂，工艺之苛刻，通过对课题的研究，深入了解涡轮发动机主减速器的工作原理、部件组成及其构造，特别是减速器进行细致了解，其内部零件的结构，工作状态、工作环境，进而对它们进行专门研究制造。意义：通过对发动机减速器的及主要构件的加工制造的研究，通过查阅相关书籍，使我了解了行星齿轮传动的特点与设计，通过这次的毕业设计可以说把我大学里学的专业课又重新翻阅一便，巩固了专业知识，在此基础上，又学到许多专业以外的知识，拓宽了自己的知识面，熟悉了word办公软件的使用。通过毕业设计，更一步加强了自学能力，实践能力，为以后进入社会、参加工作奠定坚实的基础。1.3 涡轮螺旋桨发动机工作原理涡轮螺旋桨发动机是是燃气涡轮发动机中的一种，它主要用于时速小于800千米的飞机。涡轮螺旋桨发动机包括压气机，燃气室，燃气涡轮(由驱动压气机的涡轮和驱动螺旋桨的动力涡轮组成)，减速器，螺旋桨的部件。涡轮螺旋桨发动机是介于活塞发动机与涡轮喷气发动机之间承前启后的一种发动机，所以涡轮螺旋桨发动机在原理上与活塞发动机和涡轮喷气发动机都有一些相似与不同之处之处。涡桨发动机它的驱动原理大致上与使用活塞发动机作为动力来源的传统螺旋桨飞机雷同，是以螺旋桨旋转时所产生的力量来作为飞机前进的推进力。其与活塞式螺桨机主要的差异点除了驱动螺旋桨中心轴的动力来源不同外，还有就是涡桨发动机的螺旋桨通常是以恒定的速率运转，而活塞动力的螺旋桨则会依照发动机的转速不同而有转速高低的变化。另外涡轮螺旋桨发动机与涡轮喷气发动机一样，动力都是来自由空气压气机压缩， 再与油料一起燃烧后的高能气体， 用涡轮把高温高压的气体中部份的动能化为机械能， 再用这机械能驱动前端的压气机继续吸入空气,另外一部分大约三分之一的涡轮功率用来转动螺旋桨和传动附件，燃气涡轮机的操作过程基本就是这样循环着。同时，涡轮带动螺旋桨，螺旋桨旋转以推动飞机前进。 第二章 发动机主减速器的选择2.1发动机主减速器工作原理与技术要求减速器是将涡轮螺旋桨发动机涡轮轴发动机或活塞式航空发动机输出轴的转速降低到空气螺旋桨(或旋翼)所需转速的齿轮传动装置。减速器可以装在发动机内也可装在发动机外成为一个独立的机外减速器。减速器由齿轮齿轮架减速器是将涡轮螺旋桨发动机涡轮轴发动机或活塞式航空发动机输出轴的转速降低到空气螺旋桨(或旋翼)所需转速的齿轮传动装置。减速器可以装在发动机内也可装在发动机外成为一个独立的机外减速器。减速器由齿轮齿轮架轴轴承和机匣等零组件组成。航空发动机用的减速器必须结构紧凑重量轻和在高转速高负荷下能够长期可靠工作。它在运转中还须工作平稳噪声低和齿轮嚙合均匀避免与其他零件发生高频谐振。减速器按螺旋桨轴线与发动机轴线的相对位置分为同轴式(单轴或双轴)和偏位式前者桨轴与曲轴(或转子)的轴线重合后者则互相偏离。减速器按轮系排列的型式还可分为简单式行星式(单级行星和双级行星)差动式和复合式。星型活塞式发动机一般採用单级行星式减速器。减速比(减速器输出轴转速与输入轴转速之比)在0.560.70之间。双级行星式减速器在相同的减速比下直径比单级行星式小但结构较复杂。功率较大的涡轮螺旋桨发动机一般採用差动式减速器或双级行星式减速器减速比约为0.1。功率更大的涡轮螺旋桨发动机则採用同心的双桨轴减速器两轴转速相同而转向相反。直升机的主减速器多数为复合式结构通常先由螺旋伞齿轮减速并换向然后再藉助双级行星或差动行星轮系减速减速比可达0.016以下。差动行星式减速器可将输入轴的扭矩分两路传递从而减轻了传动齿轮的负荷。大功率的航空减速器一般还装有测扭机构通过测量扭矩指示发动机的输出功率。由螺旋桨提供拉力和喷气反作用提供推力的燃气涡轮发动机。涡轮螺旋桨发动机中涡轮发出的功率大于压气机所需功率，其余部分通过减速器来驱动螺旋桨。这部分涡轮称为动力涡轮。涡轮出口的燃气在喷管中膨胀加速，产生反作用推力。动力涡轮的巡航转速一般在1000015000转分范围内。螺旋桨轴的转速约为 10002000转/分。减速器的减速比一般在1015范围内。目前，涡轮螺旋桨发动机常用的减速器形式是行星式差动式和复合式。2.2 发动机主减速器结构形式的选择2.2.1 轮系由一系列齿轮组成的传动装置成齿轮机构或轮系，是应用最为广泛的机械传动形式之一。 根据轮系运转时各齿轮的几何轴线相对位置是否变动可将轮系分，为下列两种基本类型： 1）轴轮系 当轮系运转时，若组成该轮系的所有齿轮的几何轴线位置是固定不变的，称为定轴轮系或普通轮系。图2-1 周转轮系2）周转轮系 当轮系运转时，若组成轮系的齿轮中至少有一个齿轮的几何轴心不固定，而绕着另一齿轮的几何轴线回转者，称为周转轮系。图 21 所示的 轮系，其中，齿轮 a、b 和构件 H 均绕几何轴线 OO 转动，而齿轮 g 一方面绕自身的几何轴线转动（自传）,同时又随 Og 一起被构件 H 带着绕固定的几何轴线 OO 回转（公转），故称周转轮系。2.2.2 周转轮系的组成在周转轮系中自转和公转运动、如同行星的运动一样的齿轮称 1）行星轮 为行星齿轮，如图 21 中的齿轮 g。 2）转臂 符号 H 表示。 3）中心轮与行星轮相啮合而其轴线又与主轴线相重合的齿轮称为中心轮，制成行星轮并使其公转的构件称为转臂(又称杆系、行星架) ，用外齿中心轮用符号 a 或 c 表示，内齿中心轮用符号 b 或 e 表示。通常又将最小的外齿中心轮 a 称为太阳轮，而将固定不动的中心轮成为支撑轮（内齿轮）。 4）基本构件 转臂 H 绕其转动的轴线成为主轴线，如图2-1中的 O-O。凡是轴线与主轴线重合而又承受外力矩的构建称为基本构件,如图2-1中的中心轮 a、b 和转臂 H。大多数周转轮系都有这三个基本构件。2.2.3 周转轮系的种类周转轮系按其平面机构自由度的数目，可分为行星轮系和差动轮系两种。涡轮螺旋桨发动机主减速器的结构形式有行星式行星式(单级行星和双级行星)差动式和复合式。根据我们的设计要求，选择双极的行星传动。 行星齿轮传动油许多的优点：1）体积小，质量轻，结构紧凑，传递功率大，承载能力高。2）传动比大 只要合适的选择行星传动类型和配齿方案，便可以利用少数几个齿轮而得到很大的传动比，在不作为动力传动而主要用于传递运动的行星机构中，其传动比可达几千。3）传动效率高 在传动类型选择恰当，结构布置合理的情况下，其效率可达0.97-0.99。4）运动平稳，抗冲击和振动的能力强 由于采用数个相同的行星轮，均匀分布在中心轮周围，从而使行星轮和转臂的惯性力相互平衡，同时，也使参与啮合的齿数增多，故运动平稳抗冲击和振动比较强，工作可靠。2.3 行星齿轮传动类型比较与选择行星齿轮传动的类型很多，分类方法也不少。而现在一般根据前苏联库德鲁 略夫采夫提出的按行星传动机构的基本结构的不同来进行分类。 这是因为库氏的分类方法较好的体现了行星传动机构的特点， 而且我国和国外（如前苏联、日本等）早已被人们普遍采用和接受了。在此分类法中，基本构件代号为：K中心轮，H转臂，V-输出轴。根据基本构件代号来命名，行星齿轮传动可分为 2K-H、3K 和 K-H-V 三种基本类型，其他结构型式的行星齿轮传动大都是 它们的演化型是或组合型式。 此外，前苏联的特卡钦科提出的按传动机构中齿轮的 啮合方式，将行星齿轮传动分为三种基本型式，即 AA、II 和 AI 三种，A 表示外 啮合，I 表示内啮合。这与我国机械行业标准“NGW 型行星齿轮减速器标准 （JBT 65021993） ”相似。按其传动机构中齿轮的啮合方式，可将上述三大基 本类型再细分为许多传动型式，如 NGW、NW、NN、NGWN 和 ZUWGW 型等， 其中按首字汉字拼音 N内啮合，W外啮合，G内外啮合公用行星齿轮，ZU 锥齿轮。 2K-H包括两个中心轮K和转臂H，是我们最常见也是我们经常用的行星齿轮传动机构，当转臂固定时，若该行星齿轮传动中的中心轮与内齿轮的转向相反，即转臂固定时的传动比i0，则称其为2K-H型的正号机构，而根据课题要求我们采用2K-H负号机构，其负号机构包括NGW、WW、NW等1） NGW传动 具有效率高体积小、质量小、结构简单、制造方便。适用于任何工作情况下的大小功率的传动，工作制度不受限制，可作为减速器，增速器，差速器。2） NW传动 其特点与NGW类同。但她的径向尺寸较小，传动比范围较大，因采用了双联行星轮，故其制造安装都较复杂。一般iSp，故安全。1.8 7.2 输出轴花键轴强度计算1) 已知输入功率P=2850KW，n=1000r/min，太阳轮-花键轴的材料为45钢，调质处理，查表得：MPa，MPa，MPa，MPa。2) 初算太阳轮-花键轴的最小直径取A=90（因只受扭矩作用，载荷较平衡）轴的危险截面的最小直径，取=130mm3) 精确校核太阳轮-花键轴的强度由于此太阳轮-花键轴只承受扭转作用，故可以按只考虑扭转作用的强度计算公式来校核。考虑到此轴会发生正反转，因此应按交变应力作用下的计算公式来校核。此时，危险截面的抗扭截面系数为m3最大扭转应力MPa最小扭转应力MPa，r=-1此时安全系数S式中对称循环应力下的材料扭转疲劳极限，取=155MPa扭转时的应力集中系数，取=1.6表面质量系数，取=0.89扭转时的尺寸影响系数，取=0.74扭转应力的应力幅，取=41.75MPa材料扭转时的平均应力折算系数，取=0.21平均应力，取=0代入各数值得按许用安全系数Sp=1.3，SSp，故安全。第八章 轴承的选用与寿命计算1.9 8.1 轴承的选用根据轴承的受力与轴的尺寸大小选用轴承型号 表8-1代号轴承型号dDB第一个轴承（输入轴）GB 276-64单列向心球轴承100092010014020第二个轴承（一级行星轴）GB 290-64滚针轴承452490525 3717第三个轴承（二级行星轴）GB 290-64滚针轴承4524908406222输出一GB 286-64双列球面滚子轴承300312814021053输出二GB 286-64双列球面滚子轴承3003130150225561.10 8.2 轴承校核由轴承寿命公式，得式中：轴承寿命，（小时）；基本额定动载荷（N）；当量动载荷（N）； X、Y值可查机械设计手册寿命指数， 球轴承=3，滚子轴承；轴承转速（r/min）. 同时，又有 式中：太阳轮转速，r/min;行星轮转速， r/min; 、分别为太阳轮、内齿轮及行星轮齿数；经计算，一至二级的太阳轮和行星轮转速依次为：， ；， ；第一级所选轴承型号为； NA滚针轴承4524905其相应的参数如下：，； NGW型行星齿轮传动受力分析：行星轮圆周力为： 单个行星轮作用在行星轮轴的力： 这里，（转矩单位：，长度单位，力的单位：N）轴承受径向力代入数据计算：(N)将所有数值代入得所以该轴承寿命约11.92年，满足要求。第二级轴承校核所选轴承型号为；NA滚针轴承4524908其相应的参数如下：，；NGW型行星齿轮传动受力分析： 行星轮圆周力为： 单个行星轮作用在行星轮轴的力： 这里，（转矩单位：，长度单位，力的单位：N）轴承受径向力：代入数据计算：NN第九章 螺栓计算采用普通螺栓时，靠联接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T，假设各螺栓的预紧程度相同，即各螺栓的预紧力均为，则各螺栓联接处产生的摩擦力均相等，并假设此摩擦力集中今后作用在螺栓中心处。为阻止接合面发生相对转对，各摩擦力应与各该螺栓的轴线到螺栓组对称中心O的连线相垂直。根据作用在箱体上的力矩平衡及联接强度的重要条件，应有式中可靠性系数，取=1.2联接摩擦副的摩擦因数，查2表5-1-52得=0.15 r转矩作用半径 z螺栓个数内齿圈与箱体联接螺纹计算由齿轮的设计计算说明书中可知=2556Nm代入具体数值，得此接合面选用M12的外六角螺栓联接，在拧紧力矩作用下，螺栓除受预紧力的拉伸作用而产生拉伸应力外，还受螺纹摩擦力矩的扭转而产生扭转切应力，使螺栓处于拉伸扭转的复合应力状态下。因此，进行仅受预力的紧螺栓强度计算时，应综合考虑拉伸应力扭转切应力的作用。则螺栓预紧力状态下的计算应力为螺栓的许用拉应力为MPa式中n安全系数因此，螺栓强度满足。此时可以算得螺栓的拧