УЗЕЛ ПЛАНЕТАРНОЙ ЗУБЧАТОЙ ПЕРЕДАЧИ Российский патент 2000 года по МПК F16H57/08 B64C27/14 

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к узлам планетарной зубчатой передачи и, в частности, к узлам планетарной зубчатой передачи с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов для усовершенствованной трансмиссии вертолета, причем этот узел планетарной зубчатой передачи с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов имеет два уровня первичных сателлитов, расположенных в чередующемся порядке, за счет чего увеличено передаточное число, компенсирующее увеличенную выходную мощность усовершенствованной силовой установки при сохранении исходного числа оборотов вала несущего винта.

Уровень техники
Производители вертолетов непрерывно расширяют диапазон применяемых технологий, что позволяет им предлагать заказчикам наиболее совершенные вертолеты по приемлемой цене. В силу огромных затрат, связанных с выдвижением на рынок авиатехники нового вертолета, воплощающего в себе последние достижения технологии, продвижение на рынок данного вертолета данным конкретным производителем стало относительно уникальным событием. Цикл создания нового вертолета от этапа проектирования до серийного производства растягивается на многие годы и требует вложения значительных средств, что также не способствует частому появлению на рынке новых типов вертолетов.

В качестве альтернативы новым вертолетам многие производители вертолетов предлагают модернизацию базовых серийных моделей, иными словами - модифицированные варианты вертолетов. Такие модифицированные варианты, появляющиеся в результате выборочного внедрения перспективных технологий в производство базового варианта, могут обладать новыми или повышенными возможностями, улучшенными характеристиками, более высокой надежностью и/или эксплуатационной технологичностью. За счет сохранения большинства элементов, составляющих конструкцию базового варианта, стоимость разработки и производства, как правило, не намного превышает стоимость разработки и производства базового варианта. Более того, цикл разработки и производства модифицированного варианта может быть относительно непоследовательным, так как производство модифицированных вариантов может внедряться на линиях производства базового варианта, параллельно с ним или в альтернативном случае - в виде модернизации базового серийного варианта.

Упомянутый альтернативный подход к модернизации, что более важно, может принести дополнительную выгоду производителю вертолетов. Выборочное внедрение в процесс серийного производства базового вертолета перспективных технологий, имеющее целью создание модифицированного варианта, может послужить основой для доработки уже существующих базовых серийных вариантов вертолета. Доработка базовых серийных вариантов вертолета, помимо экономической выгоды для изготовителя вертолетов, дает заказчику возможность переоборудовать базовый серийный вариант (варианты) вертолета в его более совершенный модифицированный вариант.

Одним из наиболее популярных подходов к модернизации базового варианта является установка на него более мощной силовой установки. Увеличенная мощность такой силовой установки может значительно повысить эксплуатационные характеристики модифицированного варианта и расширить диапазон решаемых им задач. Более того, усовершенствованная силовая установка представляет собой фундамент для применения на модифицированном варианте дальнейших перспективных технических решений. К примеру, для усовершенствованной силовой установки может быть предусмотрено дополнительное энергоснабжение вспомогательных модулей вертолета.

Однако установка на базовый серийный вариант вертолета усовершенствованной двигательной установки может потребовать проведения значительных конструктивных доработок базовой трансмиссии под большее значение крутящего момента, развиваемого силовой установкой. В перечень таких работ обычно входит изменение передаточного числа (передаточных чисел) трансмиссии с целью приведения его в соответствие с повышенным значением крутящего момента, развиваемого силовой установкой, изменение конструктивных элементов, связывающих силовую установку с планером вертолета, перенос узлов крепления воздухозаборника и шарнирного крепления двигателей, перенос приводов агрегатов, перенос привода рулевого винта, расширение отсека главного редуктора, т.е. увеличение его диаметра и/или высоты, обусловленное конструктивными изменениями в трансмиссии, что может потребовать переноса узлов крепления главного редуктора, т. е. его подкосов, к фюзеляжу. Конструктивное и функциональное переоборудование базового серийного варианта вертолета и, в частности - его трансмиссии, представляя собой один из подходов к модернизации вертолета за счет установки на него более мощной силовой установки, требует вложения немалых средств в переоснащение вертолета и сдерживает начало выдвижения модифицированного варианта на рынки сбыта.

Кроме того, на практике такой подход к доработке вертолета исключает модернизацию усовершенствованных силовых установок на серийных экземплярах базового варианта вертолета. Если финансовые расходы и затраты времени на производство первых модифицированных вариантов вертолета и их продажу могут быть удовлетворительными, то для программы модернизации они могут оказаться неприемлемыми. Более того, к этим финансовым расходам и затратам времени на модернизацию базового серийного варианта вертолета могут прибавиться дополнительные расходы со стороны организаций, эксплуатирующих базовый вариант вертолета, выраженные в виде потерянной прибыли, обусловленной вынужденным простоем вертолетов, на которых будут проводиться доработки.

Патент США N 3,540,311 описывает вариант самоустанавливающейся планетарной зубчатой передачи, включающей в себя ведущее центральное зубчатое колесо (218), первый набор планетарных элементов (222a, 222b), содержащих оси (224), имеющие поверхности качения (228), совокупности сателлитов (220a, 220b), находящихся в зацеплении с центральным зубчатым колесом (218), и вторых сателлитов (226), находящихся во внутреннем зацеплении с неподвижным зубчатым колесом (230), а также второй набор составных планетарных элементов (232), содержащих полые оси (234), в состав которого входят сателлиты (236), находящиеся во внутреннем зацеплении с выходными зубчатыми колесами (240), сидящими на выходном валу (244), и сателлиты (238), находящиеся во внутреннем зацеплении с неподвижным зубчатым колесом (242). Поверхность качения (228) каждой оси (224) механически контактирует с внутренней поверхностью соответствующей полой оси (234), в результате чего нагрузка с оси (224) передается на соответствующую ей полую ось (234). Сателлиты (220a, 220b) расположены в таком чередующемся по окружности двухуровневом порядке, при котором одни сателлиты (220a, 220b) перекрывают профили соседних сателлитов.

Самоустанавливающаяся планетарная зубчатая передача, раскрываемая в патенте США N 3,540,311, не использует в своей конструкции опорные подшипники, ограничивающие радиальное смещение и перекос элементов передачи. Вместо этого путем математических расчетов осевые промежутки между элементами каждой оси (224, 234) подобраны так, что результирующий момент, вызывающий перекос этих осей (224, 234), примерно равен нулю. Для каждой оси 224 осевой промежуток между вторым сателлитом (226), поверхностью качения 228 и сателлитом (220a) либо в другом случае между вторым сателлитом (226), поверхностью качения 228 и сателлитом (220b) имеет такую величину, что сила, приводящая во вращение сателлит (220a) или в другом случае сателлит (220b), сила реакции, действующая на зубчатое колесо (226), и сила на выходе, действующая по центру поверхности качения (228), лежат на одной прямой F. Аналогично для каждой полой оси (234) осевой промежуток между сателлитом (236), сателлитом (238) и поверхностью качения (228) таков, что точка приложения входной силы, действующей со стороны поверхности качения (228) на полую ось (234), точка приложения силы на выходе к сателлиту (236) и точка приложения силы реакции к сателлиту (238) находятся на прямой линии G.

Патент США N 5,135,442 описывает трансмиссию вертолета, включающую в себя входной модуль (20, 22, 32, 34), воспринимающий мощность, развиваемую силовой установкой (80, 180), и содержащий первую редукторную ступень (22, 32, 34). Трансмиссия, кроме того, включает в себя главный редуктор, содержащий вторую редукторную ступень (60, 62), механически связанную с первой редукторной ступенью (22, 32, 34) и воспринимающую от нее мощность силовой установки, приводной вал (64) и третью редукторную ступень, в состав которой входят центральное зубчатое колесо (66), сателлиты (70), неподвижное кольцеобразное зубчатое колесо (72) и кольцевой сателлитодержатель (74). Центральное зубчатое колесо (66) посажено на приводной вал (64), а крутящий момент, снимаемый с третьей редукторной ступени, передается через кольцевой сателлитодержатель (74) на вал несущего винта (76) вертолета.

Необходимо разработать усовершенствованную трансмиссию, имеющую достаточное сходство с трансмиссией базового варианта вертолета, для обеспечения возможности доработки усовершенствованной трансмиссии под базовый вариант вертолета, оснащенный более мощной силовой установкой или дорабатываемый под ее установку. При этом усовершенствованная трансмиссия должна в максимальной степени обладать сходством с трансмиссией существующего базового варианта вертолета, что позволило бы свести к минимуму объем требуемых доработок и/или способствовало бы ее установке/доработке на образцах базового варианта вертолета с целью их переоборудования в модифицированные варианты в короткий промежуток времени с приемлемыми финансовыми затратами. Усовершенствованная трансмиссия должна содержать узел планетарной зубчатой передачи с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, который имеет два уровня первичных сателлитов, расположенных в чередующемся порядке, за счет чего повышается передаточное число, компенсирующее увеличенную выходную мощность усовершенствованной силовой установки при сохранении исходного числа оборотов вала несущего винта.

Сущность изобретения
Задачей изобретения является создание усовершенствованной трансмиссии вертолета с возможностью ее доработки на базовом серийном варианте вертолета, оснащенном усовершенствованной силовой установкой или дорабатываемом под ее установку.

Другая задача настоящего изобретения заключается в создании узла планетарной зубчатой передачи с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, имеющий два уровня первичных сателлитов, расположенных в чередующемся порядке, за счет чего повышается передаточное число, компенсирующее увеличенную выходную мощность усовершенствованной силовой установки при сохранении исходного числа оборотов вала несущего винта.

Следующая задача настоящего изобретения заключается в создании усовершенствованной трансмиссии, включающей в себя узел планетарной зубчатой передачи с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, имеющий два уровня первичных сателлитов, расположенных в чередующемся порядке, имеющий достаточное сходство с трансмиссией базового варианта вертолета для обеспечения возможности доработки усовершенствованной трансмиссии под базовый вариант вертолета, оснащенный более мощной силовой установкой или дорабатываемый под ее установку.

Следующая задача настоящего изобретения заключается в создании планетарного редуктора с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов для исходной трансмиссии, вписывающегося в эту исходную трансмиссию конструктивно, функционально и с сохранением ее геометрических параметров, включая установочные радиальные размеры корпуса редуктора, расположение точки зацепления главного конического зубчатого колеса по вертикали, а также высоту потолка кабины летчиков.

Эти и другие задачи решаются в виде узла планетарной зубчатой передачи с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, выполненной в соответствии с настоящим изобретением и являющейся третьей ступенью усовершенствованной редукторной системы с повышенным передаточным числом, компенсирующим увеличенную выходную мощность усовершенствованной силовой установки при сохранении исходного числа оборотов на выходе. Узел планетарной зубчатой передачи с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов состоит из ведущего центрального зубчатого колеса, набора N первичных сателлитов, набора вторичных сателлитов, сателлитного вала, на котором установлено по одному первичному и вторичному сателлиту, неподвижного кольцеобразного зубчатого колеса, находящегося в зацеплении с вторичными сателлитами, а также сателлитодержателя, имеющего возможность вращаться одновременно с вращением сателлитных валов и предназначенного для передачи крутящего момента с узла планетарной зубчатой передачи на приводимый механизм. Набор N первичных сателлитов подразделяется на набор N/2 верхних первичных сателлитов и набор N/2 нижних первичных сателлитов. Верхние и нижние первичные сателлиты расположены на двух уровнях ступенчато, в чередующемся порядке, при котором каждый верхний первичный сателлит частично перекрывает профили непосредственно соседствующих с ним нижних первичных сателлитов. Узел планетарной зубчатой передачи с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов отличается наличием совокупности верхних и нижних подшипников, которые совместно служат опорой узла сателлитодержателя, позволяя ему вращаться вместе с сателлитными валами.

Далее, узел планетарной зубчатой передачи с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов отличается тем, что в совокупность сателлитных валов входят сателлитные валы, имеющие опорный участок первого заданного диаметра, на котором установлены нижние первичные сателлиты, а также сателлитные валы, имеющие опорный участок второго заданного диаметра, на котором установлены верхние первичные сателлиты. Величина второго заданного диаметра выбирается так, чтобы обеспечить минимальный зазор между опорным участком сателлитного вала, на котором установлен верхний первичный сателлит, перекрывающий профили непосредственно соседствующих с ним нижних первичных сателлитов, и зубчатыми венцами этих нижних первичных сателлитов.

Узел планетарной зубчатой передачи с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, выполненный согласно настоящему изобретению, работает в качестве третьей ступени усовершенствованной редукторной системы, имеющей входные модули, воспринимающие выходную мощность усовершенствованной силовой установки. Входные модули содержат первую редукторную ступень, передающую мощность на главный редуктор. Вторая редукторная ступень, входящая в состав главного редуктора, передает мощность на узел планетарной зубчатой передачи с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, вращая его центральное зубчатое колесо.

Краткое описание фигур чертежей
Настоящее изобретение, его особенности и достоинства более детально представлены в следующем подробном описании, излагаемом со ссылками на прилагаемые чертежи:
Фиг. 1 - аксонометрическое изображение усовершенствованной трансмиссии вертолета, включающей в себя узел планетарной зубчатой передачи с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, выполненный согласно настоящему изобретению;
Фиг. 1A - аксонометрическое изображение базовой трансмиссии серийного варианта вертолета UH-60;
Фиг.2A - узел планетарной зубчатой передачи в схематическом изображении;
Фиг. 2B - система с неподвижным центром, эквивалентная узлу планетарной зубчатой передачи по фиг.2A, в схематическом изображении;
Фиг.3 - сечение узла планетарной зубчатой передачи с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, выполненное согласно настоящему изобретению;
Фиг. 4 - вид сверху на фрагмент узла планетарной зубчатой передачи с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов по фиг.2, демонстрирующий многоуровневую компоновку первичных сателлитов с перекрытием профилей, входящих в состав узла планетарной зубчатой передачи с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов по фиг.3:
Фиг. 5 - вид сбоку фрагмента узла планетарной зубчатой передачи с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, показанного на фиг.4;
Фиг. 6 - аксонометрическое изображение фрагмента узла планетарной зубчатой передачи с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, демонстрирующее его особенности в соответствии с настоящим изобретением.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Обратимся к чертежам, на которых идентичные или подобные элементы конструкции обозначены единой нумерацией позиций. На фиг.1 показан типовой вариант усовершенствованной трансмиссии 100 вертолета, содержащий узел планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, выполненную по настоящему изобретению. Усовершенствование трансмиссии 100 заключается в обеспечении ее конструктивной и функциональной совместимости с более мощной силовой установкой и, одновременно, конструктивного сходства с базовой трансмиссией существующих серийных вариантов вертолета. Описываемая ниже усовершенствованная трансмиссия 100 предназначена для применения на серийных вариантах вертолетов, силовая установка которых содержит два съемных двигательных модуля, что позволяет быстро модернизировать эти серийные образцы вертолета путем установки на них более мощных двигательных модулей или доработки двигателей на увеличенную мощность.

Съемные двигательные модули установлены по каждую сторону главного редуктора, при этом съемный двигательный модуль включает в себя собственно двигатель, воздушный стартер, узел выходного вала, узлы крепления двигателя, выхлопной патрубок, трубопроводы топливной и масляной систем и электропроводку. Основная функция усовершенствованной трансмиссии 100 заключается в передаче совокупной мощности, развиваемой усовершенствованными двигателями 102A, 102B (для простоты они обозначены на фиг. 1 "кирпичиками"), на главный редуктор 104, вал несущего винта 106, подсистему рулевого винта 108. Дополнительной задачей усовершенствованной трансмиссии 100 является отвод мощности на привод электрических и гидравлических агрегатов.

Хотя по своим конструктивным и функциональным признакам узел планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов характеризуется как составная часть усовершенствованной трансмиссии 100 вертолета, для специалиста должно быть понятно, что описание такого варианта исполнения не ограничивает объема патентной охраны изобретения. Узел планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, выполненный согласно настоящему изобретению и обладающий совокупностью существенных признаков, изложенных в прилагаемой формуле, может быть воплощен в виде технических решений, отличных от рассматриваемого в данном описании.

Главный редуктор 104 состоит из входных модулей 110A, 110B, сопряженных с соответствующими усовершенствованными двигательными модулями 102A, 102B, и главного модуля 126. Каждый входной модуль 110A, 110B соединен с соответствующим ему двигательным модулем повышенной мощности 102A, 102B посредством узла выходного вала двигателя 112A, 112B, тем самым включен в тракт передачи мощности от этого двигателя и содержит первую редукторную ступень 114A, 114B (состоящую, как видно на чертеже, из ведущего и ведомого конических зубчатых колес), муфту свободного хода 116A, 116B и выходной вал 118A, 118B с жестко посаженными на него зубчатыми колесами. Кроме того, каждый входной модуль 110A, 110B оборудован узлом привода соответствующих ему гидравлических насосов 122A, 122B и генераторов 124A, 124B.

В главный модуль 126 входит вторая редукторная ступень 128 (на фиг. 1 видна только вторая редукторная ступень 128A, поскольку ведущее колесо второй редукторной ступени 128B заслонено валом несущего винта 106), приводной вал 130, а также узел планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, выполненный согласно настоящему изобретению, который играет роль третьей редукторной ступени усовершенствованной трансмиссии 100. Вторая редукторная ступень 128 состоит из ведущих конических зубчатых колес в трактах A и B передачи мощности от двигателей, а также главного ведомого конического зубчатого колеса, вращаемого ведущими зубчатыми колесами A и B. Главное ведомое коническое зубчатое колесо, в свою очередь, передает мощность через приводной вал 130 на узел планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, выполненный согласно настоящему изобретению. Главный модуль имеет также узел привода 132 гидроагрегатов и узел привода 134 трансмиссии рулевого винта 108, в которую входят первичный хвостовой вал 136, проходящий в хвостовой балке, промежуточный редуктор 138, вторичный хвостовой вал 140, проходящий в концевой балке, хвостовой редуктор 142 и вал втулки рулевого винта 144, передающий мощность на втулку рулевого винта с установленными на ней лопастями (не показанными на чертеже), компенсирующими реактивный момент несущего винта.

На фиг. 1A представлен базовый вариант трансмиссии 100' вертолетов BLACK HAWK^® и SEAHAWK^® производства фирмы Сикорски Эйркрафт (BLACK HAWK и SEAHAWK являются зарегистрированными товарными знаками Сикорски Эйркрафт Дивижэн оф Юнайтид Текнолоджиз Копэрейшн).

Трансмиссия 100' в базовом варианте исполнения в общих чертах является конструктивно и функционально подобной усовершенствованной трансмиссии 100, описанной в предыдущих абзацах, за исключением третьей редукторной ступени. В базовом варианте трансмиссии 100' третьей редукторной ступенью является простой узел планетарной зубчатой передачи 150. Обычный узел планетарной зубчатой передачи 150 состоит из центрального ведомого зубчатого колеса 152 (передающего мощность с приводного вала 130 на узел планетарной зубчатой передачи 150), неподвижного кольцеобразного зубчатого колеса 154 и узла сателлитодержателя 156, на котором установлено несколько сателлитов 158, вращающихся вокруг своей оси и одновременно с этим вокруг центрального ведомого зубчатого колеса 152. Узел сателлитодержателя 156 передает мощность с третьей редукторной ступени на вал несущего винта 106, сохраняя при этом его базовое число оборотов.

Рассмотренная выше усовершенствованная трансмиссия 100, содержащая узел планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, выполненный согласно настоящему изобретению, предусмотрена для применения на вертолете S-92^TM HELIBUS^TM, разрабатываемого фирмой Сикорски Эйркрафт (S-92 и HELIBUS являются товарными знаками Сикорски Эйркрафт Дивижэн оф Юнайтид Текнолоджиз Копэрейшн). Конструктивный и функциональный облик узла планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, входящего в состав усовершенствованной трансмиссии 100, определялся главным образом двумя конструкторскими задачами. Первая задача состояла в обеспечении возможности установки усовершенствованной трансмиссии 100 на серийные варианты вертолетов UH-60, выпускаемых фирмой Сикорски Эйркрафт, т.е. замены описанной выше базовой трансмиссии 100' в конструктивном и функциональном плане. Другими словами, требование первой конструкторской задачи заключалось в обеспечении максимально возможного сходства разрабатываемой трансмиссии с базовой трансмиссией 100' серийных вертолетов BLACK HAWK^® и SEAHAWK^®.

Необходимость выполнения этого требования наложила некоторые конструктивные ограничения на усовершенствованную трансмиссию 100. Среди прочих ограничений были выдвинуты требования: сохранения габаритных размеров корпуса главного редуктора трансмиссии 100 вертолета S-92^TM на уровне значений для главных редукторов вертолетов BLACK HAWK^TM и SEAHAWK^® (в частности, равенства радиальных размеров - для обеспечения взаимозаменяемости подкосов крепления корпуса главного редуктора, при этом размеры по высоте являются не настолько критическими в этом отношении, поэтому увеличение при необходимости высоты корпуса главного редуктора вертолета S-92^TM является допустимым), идентичности узлов крепления воздухозаборника и шарнирного крепления двигателей, идентичности расположения узлов привода агрегатов, привода рулевого винта, а также идентичности уровня ватерлинии в плавучем состоянии, не допускающего проникновения воды в кабину.

Вторая конструкторская задача заключалась в обеспечении совместимости усовершенствованной трансмиссии 100 с силовой установкой повышенной мощности. Каждый из двигателей 102A, 102B вертолета S-92^TM HELIBUS^TM развивает мощность на выходном валу 1.554.785 Вт, таким образом суммарная мощность силовой установки составляет 3.169.569 Вт. Для сравнения мощность каждого двигателя серийного варианта вертолета SEAHAWK^® составляет 1.267.690 Вт, а суммарная мощность силовой установки вертолета SEAHAWK^® составляет 4.535.380 Вт. Из-за потерь мощности на привод рулевого винта 134, блока агрегатов 120A, 120B, гидравлического агрегата 132, а также потерь мощности на трение и др. , мощность, воспринимаемая узлом планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, понижается от начального значения (на выходных валах двигателей) 3.169.569 Вт до значения 2.796.375 Вт. Для сравнения мощность, воспринимаемая простым узлом планетарной зубчатой передачи базовой трансмиссии вертолета SEAHAWK^® находится на уровне 2.281.842 Вт. Усовершенствованная трансмиссия 100 и, в частности, узел планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, конструктивно оптимизирована с целью эффективной передачи мощности, развиваемой усовершенствованными двигательными модулями 102A, 102B, на вал несущего винта 106 и рулевой винт 108, при одновременном сохранении числа оборотов вала несущего винта 106 равным числу оборотов вала несущего винта в базовой трансмиссии 100'. Благодаря конструктивной оптимизации усовершенствованной трансмиссии 100, направленной на решение рассмотренных выше конструкторских задач и соблюдения заданных ограничений, описываемая усовершенствованная трансмиссия 100, содержащая узел планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, выполненный согласно настоящему изобретению, может быть установлена на серийные варианты вертолетов BLACK HAWK^® и SEAHAWK^®, модернизированные под установку усовершенствованных двигателей повышенной мощности.

С целью компенсации повышенной мощности двигательных модулей 102A, 102B передаточное число каждого входного модуля 110A, 110B, т.е. первой редукторной ступени 114A, 114B усовершенствованной трансмиссии 100, уменьшено по сравнению с передаточным числом входных модулей серийного варианта вертолета SEAHAWK^® (81/29 против 80/22). Таким образом мощность, передаваемая каждым из входных модулей 110A, 110B и равная 1.554.785 Вт, сопоставима с мощностью, передаваемой входными модулями вертолета SEAHAWK^®, равной 1.267.690 Вт. Частота вращения на выходе каждого из входных модулей 110A, 110B усовершенствованной трансмиссии 100 равна примерно 7483 об/мин (против 5747 об/мин - для трансмиссии серийного вертолета SEAHAWK).

Потребное число оборотов вала несущего винта 106 усовершенствованной трансмиссии 100 установлено равным примерно 257 об/мин (исходя из требования обеспечения функционального сходства с базовой трансмиссией 100' вертолета SEAHAWK(Р). Передаточные числа второй редукторной ступени 128 трансмиссии 100 и второй редукторной ступени базовой трансмиссии 100' вертолета SEAHAWK^® равны между собой, поскольку нагрузки, действующие на эти ступени, также одинаковы. Поэтому для компенсации снижения передаточного числа входных модулей 110A, 110B усовершенствованной трансмиссии 100 необходимо повысить передаточное число третьей редукторной ступени главного модуля 126 усовершенствованной трансмиссии 100. Для рассматриваемого в качестве примера в данном описании варианта трансмиссии потребное значение передаточного числа третьей редукторной ступени главного модуля 126 составляет около 6,27:1 (против значения 4,68: 1 передаточного числа для простого узла планетарной зубчатой передачи в базовой трансмиссии вертолета SEAHAWK^®).

Как было отмечено выше, третья редукторная ступень базовой трансмиссии 100' вертолетов BLACK HAWK^® и SEAHAWK^® представляет собой простой узел планетарной зубчатой передачи 150. На конструктивную компоновку третьей редукторной ступени усовершенствованной трансмиссии 100 помимо конструктивных ограничений, упомянутых ранее, накладываются конструктивные ограничения, обусловленные конструкцией простого узла планетарной зубчатой передачи 150 базовой трансмиссии 100'. В частности, диаметр неподвижного кольцеобразного зубчатого колеса третьей редукторной ступени усовершенствованной трансмиссии 100 не должен превышать диаметр неподвижного кольцеобразного зубчатого колеса 154 простого узла планетарной зубчатой передачи 150 базовой трансмиссии 100' вертолетов BLACK HAWK^® и SEAHAWK^®. Для рассматриваемого варианта диаметр кольцеобразного зубчатого колеса не должен превышать значение 65,385 см. Далее, диаметр центрального зубчатого колеса усовершенствованной трансмиссии 100 должен быть не меньше диаметра центрального зубчатого колеса 152 простого узла планетарной зубчатой передачи 150 базовой трансмиссии 100' вертолетов BLACK HAWK^® и SEAHAWK^®. Для рассматриваемого варианта диаметр центрального зубчатого колеса должен быть не менее 17,780 см. Возможное увеличение высоты главного редуктора, связанное с конструкцией третьей редукторной ступени, является допустимым, хотя и не предпочтительным. В любом случае дно главного редуктора не может выступать в отсек кабины.

Инженерные исследования одноступенчатого простого узла планетарной зубчатой передачи, рассмотренного выше и изображенного на фиг.1A, показали, что простой узел планетарной зубчатой передачи не впишется в рассмотренные выше конструктивные ограничения при доработке под увеличенную мощность 2.796.375 Вт, развиваемую усовершенствованными двигательными модулями 102A, 102B. По этой причине была исследована возможность воплощения третьей редукторной ступени усовершенствованной трансмиссии 100 в виде двухступенчатых узлов планетарной зубчатой передачи.

Для двухступенчатого узла планетарной зубчатой передачи, понижающей обороты примерно в 6,27 раза, передаточное число каждой ступени было ограничено до величины примерно 2,5:1 по ресурсу подшипников. Ресурс подшипников базового главного редуктора серийных вариантов вертолета SEAHAWK^® равен примерно 3490 часам. В результате расчетов ресурса подшипников для двух ступеней аналитической модели двухступенчатого узла планетарной зубчатой передачи были получены примерные значения, соответственно, 710 и 640 часов. При сопоставлении приведенных величин ресурса очевидно снижение этого показателя по меньшей мере в пять раз. Естественно, что такое снижение ресурса подшипников было бы неприемлемым для модифицированного варианта трансмиссии. Поскольку исследовались подшипники наибольшего диаметра, что закономерно следует из характера накладываемых конструктивных ограничений, рассмотренных выше (доминирующее ограничение - по радиальному размеру корпуса главного редуктора), проблема ресурса подшипников заставила искать альтернативные конструктивные схемы третьей редукторной ступени усовершенствованной трансмиссии 100.

Многоуровневые узлы планетарной зубчатой передачи представляют собой одноступенчатый узел планетарной зубчатой передачи, характеризуемый наличием двух сателлитов в узле сателлитодержателя. В многоуровневый узел планетарной зубчатой передачи могут входить одно, два или ни одного центрального зубчатого колеса, одно, два или ни одного кольцеобразного зубчатого колеса. В многоуровневых узлах планетарной зубчатой передачи в зависимости от компоновки составных частей узла, т.е. выбора ведущих и ведомых зубчатых колес, возможно большое многообразие вариантов исполнения с различными передаточными числами. При оценке различных компоновок многоуровневых узлов планетарной зубчатой передачи как альтернативы двухступенчатого узла планетарной зубчатой передачи было задано два следующих ограничения: cуммарное передаточное число должно приблизительно составлять 6,27:1 и направление вращения выходного элемента системы должно совпадать с направлением вращения ее входного элемента.

После исследования различных компоновок многоуровневых узлов планетарной зубчатой передачи для численной оценки достижимых значений передаточного числа системы была выбрана одна компоновка. Многоуровневый узел планетарной зубчатой передачи в этой компоновке состоял из одиночного центрального зубчатого колеса (в отличие от двойного центрального зубчатого колеса для двухступенчатой планетарной передачи), одиночного кольцеобразного зубчатого колеса (в отличие от двойного кольцеобразного зубчатого колеса для двухступенчатой планетарной передачи), одиночного узла сателлитодержателя (в отличие от двойного узла сателлитодержателя для двухступенчатой планетарной передачи) и двадцати четырех сателлитов (в отличие от двадцати трех сателлитов для двухступенчатой планетарной передачи). На фиг.2A и 2B изображена компоновка многоуровневого узла планетарной зубчатой передачи, для которого были проведены оценочные расчеты. В данной компоновке центральное зубчатое колесо S1 является ведущим по отношению к первичному сателлиту Р1, через кольцеобразное зубчатое колесо R2 крутящий момент передается на вторичный сателлит Р2, конечным звеном системы в цепи передачи мощности является узел сателлитодержателя (СОА). Каждый первичный сателлит Р1 и соответствующий ему вторичный сателлит Р2 установлены на общем валу DS.

Для многоуровневого узла планетарной зубчатой передачи, изображенного на фиг.2A и 2B, передаточное число выводится следующим образом.

Уравнение частоты вращения сателлитов Р1 и Р2 с приводом от центрального зубчатого колеса S1 и кольцеобразного зубчатого колеса R2 дает

Разделив обе части уравнения (1) на rpm_вых, с учетом того, что отношение rpm_вх/rpm_вых равно передаточному числу RR, получим

Умножив каждую часть уравнения (2) на P1/S1 и прибавив 1, получим

Если отношение диаметра центрального зубчатого колеса D_s к диаметру первичного сателлита D_p обозначить "Ratio", то геометрию исследуемой компоновки можно приблизительно увязать с количеством сателлитов (no.pin) в ней, задав условие такого размещения сателлитов, при котором соседние сателлиты почти касаются друг друга (на практике - разнесены на минимальное расстояние друг от друга)

Значения отношения диаметра D_s центрального зубчатого колеса и диаметра D_p первичного сателлита при различном количестве сателлитов в планетарной передаче, полученные с помощью уравнения (4), приведены в таблице.

Анализ таблицы показывает, что с ростом количества первичных сателлитов значения отношения D_s/D_p увеличиваются. Значения отношения D_s/D_p с ростом количества первичных сателлитов, наоборот, уменьшаются. Таким образом, если в многоуровневом узле планетарной зубчатой передачи желательно иметь много первичных сателлитов (для снижения веса трансмиссии и повышения уровня допустимой нагрузки), то влияние параметра D_s/D_p можно оценить с помощью уравнения (4), выведенного выше. Например, если в многоуровневом узле планетарной зубчатой передачи применяется 12 первичных сателлитов, то отношение D_s/D_p будет примерно равно 0,31. Для того чтобы оценить размеры кольцеобразного зубчатого колеса R2 и вторичного сателлита в многоуровневом узле планетарной зубчатой передачи с двенадцатью первичными сателлитами, общим передаточным числом RR, равным 6,27, подставим значения RR=6,27 и P1/S1=0,31 в уравнение (4), из которого определим параметр R2/P2. При заданных условиях отношение R2/P2 примерно равно 17,0.

Потребное значение отношения R2/P2, примерно равное 17,0, слишком велико для реальной компоновки многоуровневого узла планетарной зубчатой передачи, поскольку в этом случае вторичные сателлиты были слишком малы, а напряжения от нагрузок в них слишком велики. Более того ширина зубчатого венца F (см. для примера фиг. 2A) для вторичного сателлита Р2 становится очень большой относительно потребного диаметра вторичного сателлита Р2, при этом отношение ширины зубчатого венца к диаметру вторичного сателлита Р2 превышает величину 5. Специалисту известно, что значение отношения ширины зубчатого венца к диаметру зубчатого колеса (F/D) обычно не превышает 1,0, это позволяет свести к минимуму отрицательные последствия перекоса осей зубчатых колес, проявляющиеся в тех случаях, когда значения F/D намного превышают 1,0. Результаты описанных исследований позволили автору изобретения сделать вывод о том, что обычный многоуровневый узел планетарной зубчатой передачи в компоновке с передаточным числом RR, равным 6,27:1, с двенадцатью первичными сателлитами практически не реализуем при наличии указанных выше конструктивных ограничений. Несложный анализ показывает, что обычный многоуровневый узел планетарной зубчатой передачи в компоновке, имеющей передаточное число RR, равное 6,27: 1, и десять первичных сателлитов, также не может быть реализован на практике при наличии указанных выше конструктивных ограничений.

Для эффективного решения вышеупомянутых конструкторских задач в пределах заданных конструктивных ограничений автором изобретения разработан узел планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, в общем виде показанный на фиг.1 и более подробно раскрытый на фиг. 3 - 6. Узел планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов в соответствии с настоящим изобретением конструктивно и функционально выполнен как третья редукторная ступень усовершенствованной трансмиссии 100. Узел планетарной зубчатой передачи 10 обеспечивает такое передаточное число (в рассматриваемом варианте изобретения его значение равно 6,27: 1), которое позволяет усовершенствованной трансмиссии 100 компенсировать увеличенную мощность усовершенствованных двигательных модулей 102A, 102B, поддерживая тем самым исходное базовое число оборотов несущего винта. Узел планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, выполненный согласно настоящему изобретению, вписывается в конструктивные ограничения, заданные выше.

Как видно на фиг.3, узел планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, выполненный согласно настоящему изобретению, состоит из ведущего центрального зубчатого колеса 12, набора N первичных сателлитов 14, состоящих в зацеплении с центральным зубчатым колесом 12, где N - это общее число первичных сателлитов 14 в системе зубчатых колес 10, набора N вторичных сателлитов 16, сателлитных валов 18, на которых установлено по одному первичному 14 и вторичному 16 сателлиту, неподвижного (т.е. жестко соединенного с корпусом главного редуктора) кольцеобразного зубчатого колеса 20, а также узла сателлитодержателя 22, общего для всех сателлитов. Как показано на фиг.3, вторичные сателлиты 16 находятся в зацеплении с неподвижным кольцеобразным зубчатым колесом 20, а узел сателлитодержателя 22 установлен на верхнем и нижнем подшипниках 24, 26 с возможностью вращения при одновременном вращении сателлитных валов 18. Узел сателлитодержателя 22 передает мощность с узла планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов на вал несущего винта 106, т.е. увеличенный крутящий момент при базовой частоте вращения.

Замысел ступенчатой компоновки сателлитов предполагает выбор такого значения отношения S1/P1, при котором первичные сателлиты 14 из набора N располагаются на двух уровнях в ступенчатом или шахматном порядке. Одним условием замысла ступенчатой компоновки сателлитов является четность числа N, определяющего количество первичных сателлитов 14 в наборе. Это необходимо для равномерного двухуровневого ступенчатого распределения первичных сателлитов 14. В соответствии с этим замыслом набор N первичных сателлитов 14 узла планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов делится на набор N/2 "верхних" первичных сателлитов 14U и набор N/2 "нижних" первичных сателлитов 14L, как это показано на фиг.4 - 6. Верхние первичные сателлиты 14U задают первую плоскость вращения 30, а нижние первичные сателлиты 14L задают вторую плоскость вращения 32 (см. фиг.5). Анализ фиг. 4 - 6 показывает, что верхние и нижние первичные сателлиты 14U, 14L равномерно распределены в соответствующих плоскостях вращения 30, 32, при этом каждый верхний первичный сателлит 14U симметричным образом перекрывает профили непосредственно прилегающих к нему нижних первичных сателлитов 14L
Как видно из фиг.4, каждый первичный сателлит 14U, 14L имеет диаметр зубчатого венца D_p (соответствующий выбранному соотношению S1/P1). Диаметр D_U (см. фиг.4 и 5) опорного участка сателлитного вала 18, на котором установлен верхний первичный сателлит 14U, является решающим размером с точки зрения замысла ступенчатой компоновки сателлитов. Диаметр D_U опорного участка сателлитного вала подбирается так, чтобы зубчатый венец соседних нижних первичных сателлитов 14L, имеющий внешний диаметр D_p, проходил мимо сателлитного вала 18, на котором установлен верхний первичный сателлит 14U, перекрывающий профили этих нижних сателлитов, с минимальным зазором (см. фиг.5, на которой позициями 14L-1 и 14L-2 обозначены нижние первичные сателлиты, непосредственно соседствующие с верхним первичным сателлитом 14U-1, перекрывающим их профили, и установленном на участке 18-1 сателлитного вала).

Также на фиг.4 и 5 показан диаметр D_L участка сателлитного вала 18-2, на котором установлен нижний первичный сателлит 14L. Благодаря разной величине диаметров D_U и D_L опорных участков сателлитных валов 18-1, 18-2, узел планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, выполненный согласно настоящему изобретению, содержит набор N/2 первых сателлитных валов 18-1 и набор N/2 вторых сателлитных валов 18-2, являющихся опорами соответственно для верхних и нижних первичных сателлитов. Участки первых и вторых сателлитных валов 18-1, 18-2, на которых установлены вторичные сателлиты 16, имеют одинаковую конфигурацию. Каждый верхний первичный сателлит 14U, сателлитный вал 18-1 и вторичный сателлит 16 предпочтительно изготавливаются, например, фрезерованием, как одна деталь, так же, как и каждый нижний первичный сателлит 14L совместно с сателлитным валом 18-2 и вторичным сателлитом 16.

На фиг.3 видно, что верхние и нижние первичные сателлиты 14U, 14L, располагаясь в двух плоскостях вращения, зацепляются с центральным зубчатым колесом 12 в двух раздельных зонах зацепления. На фиг.5 зона зацепления верхних первичных сателлитов 14U и центрального зубчатого колеса 12 показана позицией 34, а зона зацепления нижних первичных сателлитов 14L центрального зубчатого колеса 12 показана позицией 36. В отличие от такой компоновки сателлитов в обычном многоуровневом узле планетарной зубчатой передачи все первичные сателлиты контактировали бы с центральным зубчатым колесом в общей зоне зацепления.

Для рассматриваемого варианта узла планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, выполненной согласно настоящему изобретению, можно достигнуть значительно больших по сравнению с обычным многоуровневым узлом планетарной зубчатой передачи значений отношения D_p/D_s. Для рассматриваемого варианта узла планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, в котором число первичных сателлитов равно 14, значение отношения D_p/D_s равно 53/79 = 0,67. Для сравнения в обычном многоуровневом узле планетарной зубчатой передачи, описанном выше, значение отношения D_p/D_s равно 0,31. Имея величину отношения D_p/D_s, равную для узла планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов 0,67, можно с помощью уравнения (4) получить значение показателя R2/P2, равное 8,1. Это свидетельствует о том, что конструкция зубчатых пар вторичных сателлитов и неподвижного кольцеобразного зубчатого колеса реально достижима. Такая конструкция воплощена в составе рассмотренного и отображенного на чертежах узла планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов.

Анализ фиг.4 и 6 показывает, что допустимый внешний диаметр верхних подшипников 24 ограничен по расстоянию между соседними верхними подшипниками 24. Даже при такого рода ограничении ресурс подшипников может составлять около 2100 часов (в компоновке с двенадцатью первичными сателлитами 14) и около 3000 часов (в компоновке с десятью первичными сателлитами 14).

В варианте узла планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, описанном и отраженном на чертежах, в узел входят двенадцать первичных сателлитов 14, шесть из которых являются верхними сателлитами 14U и еще шесть - нижними сателлитами 14L, расположенными на двух уровнях в ступенчатом порядке. Специалисту должно быть понятно, что в зависимости от конкретных ограничений, накладываемых на узел планетарной зубчатой передачи 10 с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, выполненный согласно настоящему изобретению набор N первичных сателлитов 14 может состоять из четного числа N первичных сателлитов 14, отличного от двенадцати.

Настоящее изобретение допускает различные технические изменения в рамках изложенного замысла. Поэтому следует учитывать, что настоящее изобретение в рамках совокупности его существенных признаков, указанных в прилагаемой формуле изобретения, технически осуществимо в виде, отличающемся от изложенного выше.

Изобретение относится к узлам планетарной зубчатой передачи, в частности к узлам планетарной зубчатой передачи с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов для трансмиссии вертолета. Узел планетарной зубчатой передачи с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов состоит из ведущего центрального зубчатого колеса, набора N первичных сателлитов, набора вторичных сателлитов, сателлитного вала, на котором установлено по одному первичному и вторичному сателлиту, неподвижного кольцеобразного зубчатого колеса и сателлитодержателя. Указанный сателлитодержатель установлен на совокупности верхних и совокупности нижних подшипников с возможностью вращения одновременно с вращением сателлитных валов и передачи крутящего момента на вал несущего винта вертолета. Набор первичных сателлитов подразделяется на набор N/2 верхних первичных сателлитов и набор N/2 нижних первичных сателлитов. Верхние и нижние первичные сателлиты расположены на двух уровнях ступенчато, в чередующемся порядке, при котором каждый верхний первичный сателлит частично перекрывает профили непосредственно соседствующих с ним нижних первичных сателлитов. Такая компоновка узла обеспечивает повышенное передаточное число, компенсирующее увеличенную выходную мощность силовой установки при сохранении исходного числа оборотов вала несущего винта. 2 з.п.ф-лы, 8 ил., 1 табл.

1. Узел планетарной зубчатой передачи (10) с многоуровневой ступенчатой компоновкой сателлитов, содержащий ведущее центральное зубчатое колесо (12), набор, включающий в себя N первичных сателлитов (14), находящихся в зацеплении с указанным центральным зубчатым колесом (12), состоящий из первой совокупности N/2 верхних первичных сателлитов (14U), диаметр зубчатого венца каждого из которых равен D_p, и второй совокупности N/2 нижних первичных сателлитов (14L), причем диаметр зубчатого венца каждого из которых также равен D_p, причем верхние и нижние первичные сателлиты (14U, 14L) указанных совокупностей расположены на двух уровнях в ступенчатом порядке, совокупность N вторичных сателлитов (16), совокупность N сателлитных валов (18), на каждом из которых установлены соответствующие друг другу первичный и вторичный сателлиты (14, 16), неподвижное кольцеобразное зубчатое колесо (20), находящееся в зацеплении с указанной совокупностью вторичных сателлитов (16), и узел сателлитодержателя (22) вывода мощности с указанного узла планетарной зубчатой передачи (10), установленный с возможностью вращения совместно с совокупностью N сателлитных валов (18), отличающийся тем, что он снабжен совокупностью верхних подшипников (24) и совокупностью нижних подшипников (26), на обоих из которых установлен указанный узел сателлитодержателя (22) с возможностью его вращения вместе с указанными сателлитными валами (18), при этом указанная совокупность N сателлитных валов (18) состоит из совокупности N/2 сателлитных валов (18-2), на которых установлены соответствующие друг другу указанные нижние первичные сателлиты (14L) и указанные вторичные сателлиты (16), причем каждый указанный сателлитный вал (18-2) имеет участок, диаметр которого равен D_L и на который установлен указанный нижний первичный сателлит (14L), и совокупности N/2 сателлитных валов (18-1), на которых установлены соответствующие друг другу указанные верхние первичные сателлиты (14U) и указанные вторичные сателлиты, причем каждый указанный сателлитный вал (18-1) имеет участок, диаметр которого равен D_u и на который установлен указанный верхний первичный сателлит (14U), при этом указанный диаметр D_u выбран с возможностью минимального зазора между указанным сателлитным валом (18-1), на котором установлен указанный верхний первичный сателлит (14U), перекрывающий профили непосредственно соседствующих с ним указанных нижних первичных сателлитов (14L), и зубчатыми венцами нижних первичных сателлитов, имеющими указанный диаметр D_p. 2. Узел планетарной зубчатой передачи (10) по п.1, отличающийся тем, что N равно двенадцати. 3. Узел планетарной зубчатой передачи (10) по п.1, отличающийся тем, что он связан с входными модулями (110А, 110В) приема мощности от силовой установки (102А, 102В), включающими в себя первую редукторную ступень (114А, 114В), и с главным редуктором (126), включающим в себя вторую редукторную ступень (128) приема мощности силовой установки (102А, 102В) от первой редукторной ступени (114А, 114В), механически связанную с указанной первой редукторной ступенью (114А, 114В), и приводной вал (130) приема мощности силовой установки (102А, 102В) от второй редукторной ступени (128), механически связанный с указанной второй редукторной ступенью (128) и центральным зубчатым колесом (12), установленным с возможностью вращения указанным приводным валом (130), причем указанные входные модули (110А, 110В), указанный главный редуктор (126) и указанный узел планетарной зубчатой передачи (10) с многоуровневой ступенчатой компановкой сателлитов в совокупности образуют усовершенствованную трансмиссию (100) вертолета, в которой мощность, снимаемая с указанного узла сателлитодержателя (22), механически передается на вал несущего винта (106) вертолета.