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Word下载.docx

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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。

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：

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：

500kW

2．1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

＝1500MPa（图2.1）

试验齿轮齿根弯曲疲劳强度极限太阳轮

＝1000MPa（图2.2）

行星轮

＝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

＝1500MPa

试验齿轮齿根弯曲疲劳强度极限

＝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

图2.2渗碳淬火钢和表面硬化钢的

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

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

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

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，最大传动比受行星轮邻接条件的限制，即与行星轮的个数

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各部分强度设计比较均衡，便于采用润滑等必要措施。

③对结构布局较为有利的传动比：

从有关零部件的结构设计上来讲，受传动比影响的主要是行星轮的旋转支承即行星轮轴承。

一般希望将轴承设置在行星轮轴孔中，因此行星轮采用滚动轴承时，行星轮的直径尽可能不要太小，即传动比不要过小。

一般来说传动比ｉ≥４时，可在行星轮轴孔中放置滚动轴承，传动比再大一些轴承的选择更具有灵活性。

传动比也不宜过大，传动比太大以后不仅造成承载能力方面的损失，也会使太阳轮的直径小于高速轴直径太多，产生其它的不妥之处。

在多级传动中，低速级的传动比常取3～5.6（总传动比较大，取大值；

反之取较小值）；

中间级的传动比范围一般为5～7.1；

高速级的传动比范围较大为3.15～9左右。

所以按照以上原则并结合下表，初选高速级传动比为5，则低速级为3。

表2.6二级减速器的传动比搭配

2.2.2齿轮设计计算

（1）载荷不均衡系数

低速级取

＝

＝1.15；

高速级

＝1.20

（2）配齿计算根据经验和设备能力，

①高速级：

取m/a≈0.030,z∑＝2a/m（2－1）

=2/0.027＝67

则太阳轮齿数

＝2z∑/i1＝27（2－2）

计算行星轮齿数

内齿圈齿数

（i1－1）＝108（2－3）

行星齿轮齿数

＝0.5（

－

）＝0.5×

（120－30）＝45（2－4）

取z∑＝72，

＝27，

＝45，

＝117

则第一级减速比为

＝1＋117/27≈5.33（2－5）

②低速级：

取m/a≈0.029，则z∑＝2a/m=2/0.029=69

则太阳轮齿数

＝2z∑/i2=46

（i2－1）＝92

（92－46）＝23

取z∑＝65，

＝46，

＝19，

＝84

则第二级减速比为

＝1＋84/46≈2.83

所以总减速比为

＝5.33×

2.83≈15.08（2－6）

与i0相差0.08，满足要求，所以将第一级减速比定为为5.33，第二级为2.83。

3减速器主要构件的制造工艺

航空减速器主要由齿轮、齿轮架、轴、轴承和机匣等零、部件组成。

本设计主要研究第一级太阳轮、第一级内齿轮、和第一级行星架的制造工艺。

3.1减速器主要构件在制造工艺上的特点：

（1）航空减速器主要构件的选材与热处理：

减速器齿轮常采用电渣或真空重熔的高合金钢制造，同时对航空齿轮需要进行复杂的化学热处理加工（渗碳、淬火、冷处理、回火等）。

并且其表面硬度不低于HRC60,心部的硬度为HRC31~41，而且严格规定了表面层的含碳量、组织均匀性、

晶粒度、化学热处理深度、机械性能以及它的各向同性的要求。

此外对残余压应力的大小及其分布特点尤需做出评定。

（2）航空齿轮有别于一般机械传动的齿轮，其主要区别有以下几方面：

精度高：

航空齿轮用于高速、重载，故精度要求高，一般为6级、少数5级；

粗糙度一般为Ra1．25～0.8、少数Ra0.16～0．1。

因此，几乎所有齿形都需要精密加工（剃、磨、研、抛）。

变形大：

航空齿轮要求重量轻、故其给构很薄，并有半数以上的齿轮采用渗碳、淬火的热处理工艺，故其变形为主要矛盾。

批量小：

航空产品大都为小量生产，很少考虑采用专用机床[7]。

减速器齿轮制造工艺：

齿轮制造工艺与结构一样，对保证齿轮的使用指标和可靠性都有重要作用。

在设计、调整和实现工艺过程的各单元时，要考虑给定的使用指标和功能参数（如运动精度、平稳性、表面质量）之间的关系，以满足功能互换性原则。

（3）减速器齿轮传动精度：

对于齿轮传动，由于工作中齿变形，理想的运动规律会遭受破坏，工作将会不平稳，发生有害的齿缘冲击与接触，工作中就表现出不那么精确了[9]。

3.2齿轮加工的主要方法

对于硬齿面的加工，发展了滚、插、剃等方法。

过去加工高硬度齿轮时，是根据用途、大小及所要求的精度先调质到所需硬度，再用高速钢刀具滚（插）齿，然后进行精加工；

或者滚（插）齿后，渗碳淬火（或高频淬火），再对齿面进行磨削。

由于齿轮热处后变形大，所以齿面需留下较多的磨削余量，致使磨削成本高，生产率低。

近年来，由于刀具材料和切削技术的发展，采用超高速钢（一般还经过涂层处理）、粉末冶金高速钢、立方氮化硼、硬质合金制造的齿轮刀具对各种硬齿面进行切齿加工，均已取得一定成效，使得原来不宜进行磨齿的许多淬硬齿轮，也可通过滚、插、剃等工艺进行齿面的切削加工。

这些加工方法由于效率高、成本低、加工条件简单，而且一般能利用现有的设备，因此具有很大的现实意义。

3.2.1刮齿技术

1行星齿轮传动中较为广泛地采用高精度高硬度渗碳淬火硬齿面齿轮（内齿圈除外）。

由于渗碳淬火硬齿面齿轮齿表面硬度偏高，使用普通加工刀具都不能够胜任硬齿面的加工，或者说普通刀具根本加工不动硬齿面齿轮。

为了满足硬齿面齿轮的加工和确保齿轮最终精度，在渗碳淬火后的齿形加工中采用硬质合金滚刀或立方氮化硼滚刀刮齿技术和硬齿面磨齿技术[18]。

2采用磨前滚刀进行齿形预加工，磨前滚刀与普通滚刀的不同之处在于磨前滚刀刀齿的顶部采用带触角的刀头，它可使齿形根部预先切出沉割，齿根圆弧及早成形，在齿形齿厚处均匀留出了余量，待硬质合金滚刀半精滚齿和磨齿时均使齿形根部基本不发生切削，减轻硬质合金滚刀刀尖部位切削应力，避免磨齿时齿根部产生磨削烧伤及裂纹，提高磨齿质量和生产效率。

同时可避免热处理齿槽根部硬度降低，保持淬火后喷丸形成的压应力层，提高齿根抗弯疲劳强度，提高齿轮承载能力。

3利用变形规律采用反变形原理，热处理变形是不可避免的。

通过实践掌握变形规律，利用反变形原理有意识地在毛坯预加工阶段，工艺上要求在与变形方向相反处采取等量误差补偿，以达到热处理后变形至正确位置，此方法可应用于齿向变形，齿顶圆变形，特别是对于较大型渗碳淬火齿轮，采用反变形可大幅度压缩余量，减少不必要的损失，提高生产效率。

3.2.2硬齿面齿轮磨齿技术

1.磨齿前的准备

1）根据齿轮的模数、齿数、材质、磨削方式、齿面粗糙度要求等因素合理选用砂轮。

2）砂轮要进行粗静平衡→修整→精静平衡→再修整。

3）砂轮安装后，应用砂轮修整器修整出所需的砂轮磨削角。

4）对锥面砂轮磨齿机，砂轮磨削角一般按最常用的齿轮压力角20°

修整。

5）进行单件、小批量非20°

压力角齿轮工件磨齿时，砂轮一般仍采用20°

磨削角磨齿。

通过展成变换轮和砂轮架倾角严格按工艺卡所给参数调整。

通过展成交换齿轮找出齿面上

=20的点为磨削起始零点，则在其他齿面会出现

≠20°

的各角度，正好在此轮分度圆处出现要求的

=25°

、17.5°

、22.5°

等。

6）砂轮修整器金刚石磨损后应及时更换。

7）修整砂轮时，应使金刚石刀尖的移动轨迹延伸线通过砂轮轴线，且移动速度应均匀。

8）磨齿机应按规定进行空运转，待系统达到平衡状态时，进行磨削。

9）采用湿磨时，要检查冷却液管路、喷嘴畅通与否。

保证冷却液粘度、流量、压力、喷射区域符合要求[19]。

2.齿轮工件的装夹

1）磨齿机上下（或前后）顶尖、托辊径向跳动应不大于0.0lmm。

2）盘状齿轮应尽量与相配的轴组装后进行磨齿。

3）在卧式磨齿机上磨削轴齿轮或装轴的盘状齿轮，按两端基准轴颈找正，找正允0.01～0.02mm。

4）在有上、下顶尖的立式磨齿机上磨齿，优先选用上、下顶尖定位的装夹方式，并按两端轴颈找正，找正允差0.01～0.02mm。

5）对批量或特殊结构齿轮磨齿时，宜采用定心心轴（锥度心轴、液性塑料心轴、圆柱心轴、密封心轴等）定位装夹。

6）装夹工件前，所有基准面如中心孔、顶尖、定位轴颈、定位端面等均应擦拭干净，必要时用细油石去毛边。

3.磨齿机的调整

1）展成交换齿轮比精度或滚圆盘直径均应进行验证，确保无误。

2）锥面砂轮型磨齿机的砂轮调整深度应足够，一方面要保证有效工作齿高长度，另一方面应避免齿形根部出现凸台。

3）粗滚齿未采用磨前滚刀滚齿，一般情况齿底应进行磨削。

4）锥面砂轮型磨齿机的展成长度和冲程长度调整应有10~20mm附加量。

5）交换齿轮的安装，应有0.10~0.20mm侧隙。

3.3主要零件加工工艺

3.3.1太阳轮的加工工艺

太阳轮和行星轮的加工工艺大致相同,现以太阳轮为例进行说明。

1.工艺过程

锻造－退火－粗车－热处理（调质）－精车－离子渗氮－插齿－钳。

2.制造难点

（1）减少变形

内齿圈的结构特点多为薄壁筒形零件，刚性较差，容易变形。

毛坯有铸件和锻件两种。

为了提高其力学性能和减少加工中的变形，一般粗加工后都要进行调质处理。

内齿圈的精车要特别注意装夹。

夹紧力适当防止变形。

同时要保证插齿基面和内齿圈中心线垂直口以减少齿向误差和插齿时装夹找正时间。

（2）插齿

插齿是内齿圈加工的主要工序，最难控制的是公法线变动量容易超差，这是由于插齿刀的制造误差、安装误差、机床传动链中蜗轮副的转角误差、工件的安装误差、主轴的径向跳动等，都对齿轮的公法线变动量有影响。

因此加工时应对各项影响因素加以调整和严格控制。

在单件生产时，尽可能选用精度较高的插齿刀，并仔细的安装，使径向摆动和端面跳动控制在最小范围内，

从而减小公法线变动量。

在插齿时，当齿厚已达到要求时，停止进给，工件再转几转进行零进给插削运动。

以消除由于主轴及插齿刀径向跳动所引起的公法线变动量的尖峰。

为了弥补各种误差对装配的影响，实践中常将齿圈齿厚适量减薄，因此内齿圈齿厚减薄量就增大。

如果利用径向进给的方法达到齿厚要求，切深就大了，容易产生切齿的干涉和降低齿的抗弯强度，因而采用拨齿的方法（圆周进给）是比较适宜的，即当切深达到要求后，使工作台（工件）相对插齿刀回转一角度，齿的一面就切去相应的齿厚（弧长）。

3.工序说明

1）锻造：

采用模锻，单面余量4mm。

2）退火：

采用去应力退火，加热至1000～1100°

C，保温10～15小时，然后在炉中冷却至200～300°

C，出炉空冷。

目的是消除材料中的残余应力，使金属软化，改善机械加工性能。

设备采用箱式电加热炉。

3）粗车：

车床采用CA6140，刀具选用YT5车刀，单面余量1.5mm。

4）调制：

一般将淬火加高温回火称作调制。

淬火温度为900～930°

C，介质为油。

然后立即进行高温回火，温度为250～300°

C。

调制的目的是得到规定的力学性能、保证工件尺寸的稳定性，提高其塑性和韧度。

5）精车：

采用CA6140卧式车床，YT15车刀，齿宽加工到规定尺寸；

端面留余量0.8mm。

6）离子渗氮：

渗氮层深度为0.2m，即0.25mm；

渗氮工艺时间为1.5×

（3＋0.252＋10～15）＝15～22小时，渗氮温度为540～580°

离子渗氮的优点：

和气体渗氮相比，工艺周期短，工件变形小，渗氮层深度和组织可控，节省渗剂。

工艺过程：

将工件置于真空容器中，抽真空，通入氨气，，工件为阴极，金属容器为阳极，通电后，使气体电离，工件表面一方面吸收氮，一方面被加热使氮向内部扩散形成渗层。

是提高表