АВТОНОМНЫЙ РЕДУКТОР С ДВУМЯ ПЕРЕДАТОЧНЫМИ ОТНОШЕНИЯМИ И СИСТЕМА С ДВИГАТЕЛЕМ И ОБРАТИМОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНОЙ, СОДЕРЖАЩАЯ ЭТОТ РЕДУКТОР Российский патент 2020 года по МПК F16H3/06 

Изобретение относится к автономному редуктору с двумя передаточными отношениями и системе с двигателем и обратимой электрической машиной, в которой используется этот редуктор.

Автономный редуктор относится к редуктору, в котором передаточное отношение может изменяться без внешнего управления, и обратимая электрическая машина относится к машине, способной преобразовывать механическую энергию в электрическую энергию и наоборот.

Применение указанного устройства относится к встраиванию электрической машины, которая может использоваться в качестве стартера и генератора для расположенного рядом двигателя. Две функции стартера и генерирования электричества обычно осуществляются двумя различными вспомогательными устройствами авиационных двигателей. Использование одной электрической машины является желательным для уменьшения массы и упрощения конструкции системы. Однако запуск двигателя требует очень высокого крутящего момента при низкой частоте вращения. Это могло быть достигнуто посредством использования большой электрической машины, но увеличило бы массу, размеры и стоимость системы. Другой подход мог бы состоять в том, чтобы обеспечить большое передаточное отношение между электрической машиной и двигателем, так чтобы двигатель можно было запускать при низком крутящем моменте и более высокой частоте вращения машины; однако частота вращения машины, функционирующей в качестве генератора, была бы чрезмерной, поскольку двигатель работал бы на эксплуатационной частоте вращения намного большей частоты вращения при запуске, которая, разумеется, была бы чрезмерной.

В патентных документах FR 918 931 A и FR 1 077 049 A описаны устройства, в которых косозубые зубчатые колеса установлены вместе на двух параллельных валах с механизмами, способными избирательно вводить их в зацепление для изменения передаточных отношений валов.

По аспекту изобретения предлагается редуктор, содержащий две зубчатые передачи с разными передаточными отношениями, причем каждая зубчатая передача имеет первое зубчатое колесо, установленное на отдельном первом валу, и второе зубчатое колесо, установленное на отдельном втором валу, причем первые зубчатые колеса являются подвижными зубчатыми колесами, которые могут свободно скользить по первому валу, и оба указанных колеса имеют выступ для зацепления с ответным выступом первого вала, причем указанный выступ подвижных зубчатых колес расположен на боковой стороне зубчатых колес, и подвижные зубчатые колеса установлены с возможностью свободного вращения на первом валу, но фиксируются во время вращения с первым валом в соответствующих положениях зубчатого зацепления, в которых их выступы входят в зацепление с выступом первого вала, причем зубья подвижных рабочих колес являются косыми и имеют наклоны в одном и том же касательном направлении относительно первого вала, и положения зацепления проходят между подвижными зубчатыми колесами, причем на первом валу установлен свободно скользящий дистанционный элемент, который может приходить в контакт с двумя подвижными зубчатыми колесами одновременно, удерживая их на расстоянии друг от друга, что препятствует одновременному зацеплению в положениях зацепления зубчатых передач.

По другому аспекту изобретения предлагается система, содержащая обратимую электрическую машину, двигатель и систему механической передачи, соединяющую два вращающихся вала с электрической машиной и с двигателем, причем механическая передача содержит указанный редуктор.

Переключение электрической машины из режима стартера в режим генератора или наоборот сопровождается в редукторе изменением направления осевых усилий на обратное на косых зубьях, которые обеспечивают поступательное движение подвижных зубчатых колес с эффектом разъединения одной из зубчатых передач и включения другой зубчатой передачи. Таким образом, переключение между двумя передаточными отношениями обеспечивает функционирование электрической машины при соответствующих частотах вращения в режиме стартера и в режиме генератора. Эти переключения осуществляются автоматически без внешнего управления, поскольку изменения состояния машины сопровождается изменением направления осевых усилий на косых зубьях. Отсутствие внешнего управления является особенно важным.

Надежность переключений, в частности, повышается за счет использования дистанционного элемента, который препятствует случайным одновременным включениям зубчатых передач, что могло бы привести к выходу устройства из строя.

Другие аспекты, характеристики и преимущества изобретения будут описаны со ссылками на чертежи, представленные только в пояснительных целях, на которых поясняется конкретный вариант осуществления изобретения.

На фиг.1 схематично показана система, в которой может быть применено изобретение;

на фиг. 2 пояснен вариант осуществления изобретения;

на фиг. 3 – наклон косых зубьев;

на фиг. 4 – конструктивные особенности первого вала;

на фиг. 5 – конструктивные особенности выступа стопора на первом валу; и

на фиг. 6 – одно из подвижных зубчатых колес.

На фиг. 1 показана система согласно изобретению, в которой на летательном аппарате 1 установлен двигатель 2, такой как газотурбинный двигатель. Двигатель 2 содержит радиальный вал 3 отбора мощности, который является выходным валом на стороне двигателя и проходит в коробку 4 приводов, прикрепленную болтами к корпусу двигателя 2. Коробка 4 приводов содержит одну или несколько групп зубчатых колес, соединенных с радиальным валом 3, валы которых приводят в движение вспомогательные устройства, необходимые для работы двигателя 2 и летательного аппарата 1, например, топливные насосы, насосы для подачи смазки, электрогенераторы и др. В частности, имеется стартер, запитываемый от автономной электрической батареи, который запускает двигатель 2 посредством вращения радиального вала 3. В этом случае стартер является обратимой электрической машиной 5, которая после запуска действует как электрический генератор. Обратимая электрическая машина 5 соединена с коробкой 4 приводов через редуктор 6, который является важнейшим элементом согласно изобретению и описан далее; он может образовывать часть коробки 4 приводов внутри ее корпуса или может образовывать физически отдельный компонент без каких-либо отличий в функционировании.

Рассмотрим фиг. 2. Редуктор 6 установлен между первым валом 11 и вторым параллельным валом 12, причем оба они вращаются внутри общего корпуса 13, весьма условно показанного на фигуре. Первый вал 11 расположен на стороне двигателя 2 и входит в зацепление с радиальным валом 3, который вращается в коробке 4 приводов, а второй вал 12 расположен на стороне обратимой электрической машины 5 и входит в зацепление (прямое или косвенное) с вращающимся валом 51 указанной машины. Валы 11 и 12 имеют шлицы 41 и 42, соответственно, для соединения с остальными компонентами передачи. Поскольку к указанным валам прикладываются высокие осевые усилия, они поддерживаются корпусом 13 посредством подшипников, способных выдерживать эти усилия, например, радиально-упорными шарикоподшипниками 43, 44, 45 и 46 (хотя могут быть обеспечены другие подшипники). Утолщения 47 и 48 первого вала 11 и второго вала 12 удерживаются между подшипниками 43, 44 и 45, 46, соответственно.

Передача вращательных движений между валами 11 и 12 осуществляется посредством двух параллельных зубчатых передач 14, другими словами, каждая из которых содержит первое зубчатое колесо 16 или 17, установленное на первом валу 11, и второе зубчатое колесо 18 или 19, установленное на втором валу 12. Вторые зубчатые колеса 18 и 19 неподвижно прикреплены ко второму валу 12, в то время как первые зубчатые колеса 16 и 17 являются подвижными зубчатыми колесами, которые могут свободно перемещаться независимо друг о друга по первому валу 11 в условиях, описанных далее. Они установлены на кольцевых опорных поверхностях первого вала 11 посредством гладких опорных поверхностей 20 и 21 и, следовательно, могут вращаться с частотой вращения, которая отличается от частоты вращения указанного первого вала 11.

Через первый вал 11, который является полым, проходят отверстия 49 и 50 для переноса смазочного масла от гладких опорных поверхностей 20 и 21 под действием центробежных сил; это масло подается устройством подачи известного типа. Другие смазочные устройства известных типов, например, содержащие сопла разбрызгивания масла, смазывают подшипники 43, 44, 45, 46 и зубья 26, 27.

Подвижные зубчатые колеса 16 и 17 могут быть фактически соединены при вращении с первым валом 11 стопорами 22 и 23, соответственно, зубья которых, соединенные с первым валом 11, и зубья которых, соединенные с подвижными зубчатыми колесами 16 и 17, выступают в осевом направлении первого вала 11: зацепление имеет место в осевом положении подвижных зубчатых колес 16 и 17 вдоль первого вала 11 с одного конца их диапазона перемещения; противоположный конец определяется осевым упором 24 или 25, снабженным кольцом с пониженным трением, примыкающим к подшипникам 43, 44, соответственно.

В этом варианте выполнения стопоры 22 и 23 расположены рядом друг с другом и окружены осевыми упорами 24 и 25; зубчатые передачи 14 и 15 имеют зубья 26 и 27 с одинаковым направлением на первом валу 11, ориентированным по касательной, как показано на фиг. 3.

В результате после прикладывания крутящего момента к редуктору 6 равнодействующие осевые усилия, проходящие через зубья 26 и 27, смещают подвижные зубчатые колеса 16 и 17 в одном и том же осевом направлении на первом валу 11, при этом одни из стопоров 22 и 23 входит в зацепление, в то время как другой отсоединяется. Таким образом, передача мощности через редуктор всегда осуществляется только с помощью одной из зубчатых передач 14 и 15. Направление наклона зубьев 26 и 27 выбирают таким образом, что когда обратимая электрическая машина 5 работает как стартер, действующей является только зубчатая передача (в этом случае зубчатая передача 14) с бóльшим передаточным отношением за счет зацепления стопора 22, которая передает движение двигателю 2. Но когда обратимая электрическая машина 5 изменяет режим работы и действует как генератор, направление прикладываемого крутящего момента изменяется на обратное, что также изменяет на обратное направление равнодействующих осевых усилий на зубьях 26 и 27 и одновременно перемещает подвижные зубчатые колеса 16 и 17, так чтобы в вести в зацепление стопор 23, отсоединяя другой стопор 22 и, таким образом, обеспечивая передачу движения через зубчатую передачу 15 с меньшим передаточным отношением. Подвижное зубчатое колесо 16 или 17, которое не передает движение, принудительно приводится в контакт с осевым упором 24 или 25. Ширины зубьев 26 и 27 соизмеримы или больше длин осевых перемещений подвижных зубчатых колес 16 и 17, поэтому указанные зубья всегда остаются в зацеплении. Идентичное функционирование при переключении зацепления стопоров 22 и 23 могло бы быть получено в случае расположения стопоров 22 и 23 с одной и той же стороны траекторий перемещения подвижных зубчатых колес 16 и 17 (например, справа на фиг. 2, причем оба осевых упора 24 и 25 были бы расположены слева) и наклонов зубьев в противоположных направлениях в направлении, касательном к первому валу 11.

Следовательно, это переключение режимов передачи движения происходит автоматически без внешнего управления. Однако необходимо предотвратить риск случайного функционирования двух стопоров 22 и 23, что могло бы привести к выходу передачи из строя. По этой причине обеспечен дистанционный элемент 28, который может свободно скользить вокруг первого вала 11 между подвижными зубчатыми колесами 16 и 17 и удерживать их на достаточном расстоянии друг от друга для обеспечения единственно возможного зацепления одного из стопоров 22 и 23 каждый раз.

Другой риск неправильного функционирования представляет собой сложность переключения, означающая или сложное зацепление соответствующего стопора 22 или 23 или его сложный выход из зацепления. В этом случае предлагается конструкция, показанная на фиг. 4, 5 и 6.

На центральной утолщенной части 29 первого вала 11 в стопорах 22 и 23 выполнен выступ посредством изготовления канавок 30, например, четырех канавок. Концевые части 31 и 32 канавок 30 являются рабочими частями, которые обеспечивают зацепление стопора с подвижными зубчатыми колесами 16 и 17, соответственно, посредством удерживания зубьев 33 подвижных зубчатых колес 16 и 17, соответственно. Боковые поверхности концевых частей 31 и 32 канавок 30 могут быть скошены, другими словами, наклонены в касательном направлении относительно осевого направления первого вала 11. Эти наклоны выполнены в одном и том же касательном направлении и действуют следующим образом.

В одном из режимов передача мощности на зубья 33 осуществляется через одну из боковых поверхностей 34 канавок 30. Поскольку скосы на концевых частях 31 и 32 направлены в одном и том же направлении, скос 35 на концевой части 31 облегчает или поддерживает зацепление стопора 22 и подвижного зубчатого колеса 16, создавая осевую результирующую сил взаимодействия, которая смещает подвижное зубчатое колесо 16 к центральной части 29; наклон скоса 36 в том же самом направлении на противоположной концевой части 32 создает осевую результирующую в том же самом направлении на другом подвижном зубчатом колесе 17, что, таким образом, создает эффект выталкивания и выхода из зацепления стопора 23. Аналогичным образом, другая боковая поверхность 37 канавок 30 имеет скосы 38 и 39 на концевых частях 31 и 32, соответственно; скос 38 используется для облегчения разъединения стопора 22 и скоса 39 для облегчения зацепления стопора 23, прием контакт между этой боковой поверхностью 37 и зубьями 33 имеет место в другом рабочем состоянии системы.

Угловые значения наклона скосов 36 и 38 преимущественно могут быть идентичными, поскольку эти скосы 36 и 39 выполняют одну и ту же функцию; скосы 35 и 39 могут иметь идентичные значения наклона, которые, однако, могут отличаться от значений наклонов скосов 36 и 38. Скосы, соответствующие наклонам в касательном направлении, могут быть обеспечены на боковых поверхностях зубцов 33.

Группа изобретений относится к машиностроению. Редуктор (6) содержит две зубчатые передачи (14, 15), причем каждая зубчатая передача имеет первое зубчатое колесо (16, 17), установленное на первом валу (11), и второе зубчатое колесо (18, 19), установленное на втором валу (12). Первые колеса являются подвижными, которые свободно скользят по первому валу, а также они снабжены выступом для зацепления с ответным выступом на первом валу, и подвижные колеса установлены с возможностью свободного вращения на первом валу, но фиксируются во время вращения с первым валом в соответствующих положениях зубчатого зацепления, в которых их выступ входит в зацепление с выступом первого вала, причем зубья (26, 27) подвижных колес (16, 17) являются косыми. На первом валу (11) установлен свободно скользящий дистанционный элемент (28), который выполнен с возможностью вхождения в контакт с двумя подвижными колесами одновременно, удерживая их на расстоянии друг от друга, что препятствует одновременному зацеплению в положениях зацепления передач. Также заявлена стартер-генераторная система двигателя, содержащая обратимую электрическую машину (5), двигатель (2) и механическую передачу (4, 6), соединяющую два вращающихся вала (3, 51), содержащая редуктор (6). Обеспечивается повышение эксплуатационных характеристик. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Редуктор (6), содержащий две зубчатые передачи (14, 15) с различными передаточными отношениями зубьев (26, 27), причем каждая зубчатая передача имеет первое зубчатое колесо, установленное на одном и том же первом валу (11), и второе зубчатое колесо (18, 19), установленное на одном и том же втором валу (12), причем первые зубчатые колеса являются подвижными зубчатыми колесами (16, 17), которые свободно скользят по первому валу, и оба указанных колеса снабжены выступом для зацепления с ответным выступом на первом валу, причем указанный выступ подвижных зубчатых колес расположен на боковой стороне зубчатых колес, и подвижные зубчатые колеса установлены с возможностью свободного вращения на первом валу, но фиксируются во время вращения с первым валом в соответствующих положениях зубчатого зацепления, в которых их выступ входит в зацепление с выступом первого вала, причем зубья (26, 27) подвижных зубчатых колес (16, 17) являются косыми и имеют наклоны в одном и том же касательном направлении относительно первого вала (11), и положения зацепления проходят между подвижными зубчатыми колесами, отличающийся тем, что на первом валу (11) установлен свободно скользящий дистанционный элемент (28), который выполнен с возможностью вхождения в контакт с двумя подвижными зубчатыми колесами одновременно, удерживая их на расстоянии друг от друга, что препятствует одновременному зацеплению в положениях зацепления зубчатых передач.

2. Редуктор по п. 1, отличающийся тем, что перемещение со скольжением подвижных зубчатых колес ограничено положениями зацепления на одной стороне и упорами (24, 25) на первом валу с противоположной стороны.

3. Редуктор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что выступ на первом валу (11) имеет скосы (35, 36, 38, 39) в касательном направлении по меньшей мере с одной концевой части.

4. Стартер-генераторная система двигателя (2), содержащая обратимую электрическую машину (5) и механическую передачу (4, 6) для соединения двух вращающихся валов (3, 51), относящихся к электрической машине и двигателю, соответственно, отличающаяся тем, что механическая передача содержит редуктор (6) по любому из пп. 1–3.

5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что двигатель представляет собой двигатель летательного аппарата.