航空燃气涡轮发动机中减速器及其主要构件的设计与加工工艺研究

第Ⅱ页共Ⅱ页目录1绪论…………………………………………………………………………11.1燃气涡轮发动机………………………………………………………………11.2航空燃气涡轮发动机减速器…………………………………………………11.3选题目的和意义…………………………………………………………21.4本课题研究的问题…………………………………………………………32减速器齿轮设计…………………………………………………………………32.1齿轮材料、热处理工艺及制造工艺的选定……………………………………32.2齿轮设计及计算过程…………………………………………………………82.2.1传动比分配…………………………………………………………………82.2.2齿轮设计计算………………………………………………………………112.2.3齿轮强度验算………………………………………………………163减速器主要构件的制造工艺……………………………………………………293.1减速器主要构件在制造工艺上的特点…………………………………………293.2齿轮加工主要方法………………………………………………303.2.1刮齿技术…………………………………………………………………313.2.2硬齿面齿轮磨齿技术………………………………………………………313.3主要零件加工工艺………………………………………………………333.3.1太阳轮的加工工艺…………………………………………………………333.3.2行星架加工工艺……………………………………………………………353.3.3内齿圈加工工艺……………………………………………………………364结论…………………………………………………………………………40参考文献……………………………………………………………………………41致谢………………………………………………………………………………421绪论1.1燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机是由压气机、燃烧室和燃气涡轮组成的发动机。它的优点是重量轻、体积第Ⅱ页共Ⅱ页小和运行平稳，广泛用作飞机和直升机的动力装置[1]。燃气涡轮发动机工作原理：在燃气涡轮发动机中，由压气机、燃烧室和驱动压气机的燃气涡轮组成发动机的核心机。空气在压气机中被压缩后，在燃烧室中与喷入的燃油混合燃烧，生成高温高压燃气驱动燃气涡轮作高速旋转，将燃气的部分能量转变为涡轮功。涡轮带动压气机不断吸进空气并进行压缩，使核心机连续工作。从燃气涡轮排出的燃气仍具有很高的压力和温度，经膨胀后释放出能量（称为可用能量）用于推进[3]。图1.1燃气涡轮发动机按照核心机出口燃气的可用能量的利用方式不同，燃气涡轮发动机分为：涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机[2]。1.2航空燃气涡轮发动机减速器航空燃气涡轮发动机减速器是航空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。第Ⅱ页共Ⅱ页图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。图1.3涡轮轴发动机1.3选题目的和意义目的：本课题贴合飞行器制造工程专业，航空燃气涡轮发动机是飞机的心脏，技术之复杂，工艺之苛刻，通过对课题的研究，深入了解航空燃气涡轮发动机的工作原理、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：第Ⅱ页共Ⅱ页通过对航空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，使我从减速器联系到了飞机发动机的附件传动系统进而延伸到航空燃气涡轮发动机的制造研究，在以前学习飞机发动机的基础上对飞机发动机有了更进一步的了解，对其中的工作原理，发动机构件有了更细致的认识。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。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。1.4本课题研究的问题航空燃气涡轮发动机减速器中传动齿轮的选材、结构设计、加工工艺、热处理等方面的研究。2减速器齿轮设计本设计为燃气涡轮螺旋桨发动机中减速器齿轮的设计。设计输入：自由涡轮转速：33000r/min输出转速：2200r/min翻修寿命：3500小时总传动比：i0＝15.0输入功率：500kW2．1齿轮材料、热处理工艺及制造工艺的选定太阳轮材料选取为12Cr2Ni4A，表面渗碳淬火处理，表面硬度为60～65HRC。行星轮材料选为16Cr3NiWMoVNbE，表面渗碳淬火处理，表面硬度60～65HRC。试验齿轮齿面接触疲劳强度极限太阳轮及行星轮Hlim＝1500MPa（图2.1）试验齿轮齿根弯曲疲劳强度极限太阳轮Flim＝1000MPa（图2.2）行星轮Flim＝1000MPa齿型为渐开线直齿，最终加工为磨齿[18]，太阳轮和行星轮为5级精度。内齿圈材料为12Cr2Ni4A，调质处理，表面硬度为60～65HRC。试验齿轮齿面接触疲劳强度极限Hlim＝1500MPa第Ⅱ页共Ⅱ页试验齿轮齿根弯曲疲劳强度极限Flim＝910MPa齿形的终加工为插齿[8]，精度为6级。图2.1齿轮的接触疲劳强度注：图中ME是齿轮材料品质和热处理质量很高时的疲劳强度极限取值线MQ是齿轮材料品质和热处理质量达到中等要求时的疲劳强度极限取值线ML是齿轮材料品质和热处理质量达到最低要求时的疲劳强度极限取值线第Ⅱ页共Ⅱ页图2.2渗碳淬火钢和表面硬化钢的Flim齿轮材料介绍由于12Cr2Ni4A是常用航空齿轮材料，所以材料性能在这里就不进行介绍，下面对新型齿轮材料16Cr3NiWMoVNbE的性能进行介绍：16Cr3NiWMoVNbE(E－特级优质)钢是仿前苏联16X3HBMΦB(ДИ39,BKC)钢研制出的一种合金化程度较高的结构钢，属热强钢系。该钢的热强性能较好，回火温度可达350℃，适于制造工作温度在350℃以下的重要承载齿轮和其他在接触和弯曲载荷条件下工作的零件，不仅可以渗碳处理，也可以氮化处理。1）冶金质量16Cr3NiWMoVNbE钢中含有W、Mo、V等元素，这些元素可形成细小的碳化物，提高钢的强度；为了降低钢的过饱和倾向，加人了少量的Si和Ni,使钢在回火后仍能保持较高的热强性;加人少量的Nb和稀土元素Ce，起到了细化晶粒和强化固溶体的作用。具体化学成分见表2.1。表2.116Cr3NiWMoVNbE钢的化学成份从表2.1中可以看出，该钢中W(Ni)二1.0%～1.5%。在热处理时，由于齿轮钢中的Ni；有助长渗碳层形成残余奥氏体的倾向，钢的性能会下降，这也是前苏联限制使用18Cr2Ni4WA钢的原因。同时，低Ni也适合我国镍资源短缺的国情。另外，表中对S、P含量控制较低。在实际生产中，合金通过真空感应加电渣重熔后，S、P含量更低，且采用此工艺熔炼后还可去除气体和夹杂物，保证了该钢有更高的纯净度。该钢的非金属夹杂物级别见表2.2。表2.216Cr3NiWMoVNbE钢非金属夹杂物级别2）物理机械性能①晶粒长大倾向第Ⅱ页共Ⅱ页将16Cr3NiWMoVNbE钢和12Cr2Ni4A钢试样分别加热到930,1000,1050,1100,1150和12000，保温2h，水淬，它们的晶粒长大倾向如图2.3所示。由图2.3可看出，在1200℃时，16Cr3NiWMoVNbE钢的晶粒仍然很细(6级)，晶粒长大倾向明显低于12Cr2Ni4A钢。图2.3晶粒长大倾向曲线②淬透性16Cr3NiWMoVNbE钢与12Cr2Ni4A钢淬透性曲线的对比如图2.4所示。16Cr3NiWMoVNbE钢试样经930℃正火后，再经900℃端淬，端淬距离45mm处硬度仍为HRC40，淬透性明显优于12Cr2Ni4A。另外，从钢的过冷奥氏体连续转变曲线(图2.4)也可以看出，该钢具有非常好的淬透性，即使冷却速度为100℃/h，也不会出现铁素体、珠光体等转变产物，最大淬透直径可达15Omm。图2.4淬透性曲线③力学性能A不同温度下的拉伸性能表2.316Cr3NiWMoVNbE钢拉伸性能第Ⅱ页共Ⅱ页从表2.3中的数据可见，即使在350℃高温下，16Cr3NiWMoVNbE钢的性能也能满足技术条件要求。B持久和蠕变性能持久性能:350℃/1300MPa，时间5O0h。蠕变性能:350℃/8OOMPa/100h，残余塑性伸长率p0.2%。C弯曲疲劳性能16Cr3NiWMoVNbE钢的弯曲疲劳性能见表2.4。表2.416Cr3NiWMoVNbE钢的弯曲疲劳性能D扭转剪切性能16Cr3NiWMoVNbE钢的扭转剪切性能见表2.5。表2.516Cr3NiWMoVNbE钢的扭转剪切性能所以16Cr3NiWMoVNbE钢能完全满足要求。2.2齿轮设计及计算过程传动齿轮的设计方法：齿轮传动是工程中应用十分广泛的一种传动型式。它具有传动可靠、传动精度高、传递功率范围大、结构紧凑、使用寿命长等优点。齿轮传动的设计包括传动方案的设计（传动方式、布置方式、传动比等）和承载能力设计（主要为强度设计）两方面的内容[15]。承载能力设计的主要目的是防止齿轮在正常承载、正常使用寿命内出现失效。工程应用中，齿轮常见的失效形式主要有[14]：齿面接触疲劳磨损（俗称点蚀）、轮齿弯曲疲劳折断、齿面胶合、齿面磨粒磨损、过载折断、齿体和齿面的塑性变形等。相应的承载能力第Ⅱ页共Ⅱ页计算主要有：齿面接触疲劳强度计算、齿根弯曲疲劳强度计算、啮合区温度计算、静强度计算等。最常见的两种计算为齿面接触疲劳强度计算和齿根弯曲疲劳强度计算[13]。2.2.1传动比分配减速器的总传动比为15，为了提高发动机工作的平稳性，采用两级NGW型行星减速器[10]。传动方案如下图图2.5减速器传动简图1－一级太阳轮；2－一级行星轮；3－一级固定齿圈4－二级太阳轮；5－二级行星轮；6－二级固定齿圈7－螺旋桨轴传动方案：第一级行星齿轮减速级安装在后机匣内。动力涡轮是不与压气机转子连接的自由涡轮，自由涡轮通过中心主动齿轮带动三个第一级行星齿轮。行星齿轮与带内齿的第一级固定齿圈啮合，固定齿圈外圆周加工有直齿，此齿卡在相应的齿槽内，这样，固定齿圈不会转动，但可以在轴向有少许移动以形成测量扭矩的机构。通过第一级行星齿轮的行星架带动第二级减速级的中心主动齿轮。第二级行星齿轮共五个，它们均用滑动轴承直接支撑在销轴上[12]。行星齿轮与第二级固定齿圈啮合，固定齿圈借外圆周的齿槽安装在前机匣内。第二级减速级与桨轴均安装在前机匣内，前后机匣用安装边连接。减速器传动比分配：行星传动的传动比许用范围受结构及强度两方面的制约。在结构方面，第Ⅱ页共Ⅱ页最大传动比受行星轮邻接条件的限制，即与行星轮的个数pn有关；最小传动比受行星轮最小直径的限制。在强度方面，过大的传动比将损失太多的承载能力，例如在箱体的基本外形轮廓不变时，传动比为11.2的单级行星减速器只有传动比为4.0时传递功率（或输出工作转矩）能力的不到40%，其经济性远不及采用两级传动。因此传动比的选用要多加考虑，即在给定传动比时要进行认真分析、合理设计[11]。对传动比较大，需要采用两级或多级减速传动的情况，合理分配传动比的原则是：①尽可能获得比较小的外形，或在外形尺寸相对固定的情况下获得较大的强度安全余度；②各部