Главный редуктор соосной схемы привода несущих винтов легкого или сверхлегкого вертолета Российский патент 2024 года по МПК B64C27/14 B64D35/06 F16H1/14 

Изобретение относится к области вертолетостроения и может быть использовано в трансмиссиях сверхлегких или легких беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) вертолетного типа и сверхлегких или легких пилотируемых аппаратов вертолетного типа (ПЛА).

Настоящего изобретение рассматривается на примере исполнения сверхлегкого ПЛА вертолетного типа для беспилотного и пилотируемого вариантов исполнения. БПЛА вертолетного типа имеет два винта и представляют собой классический вертолет. Подъемная сила у аппаратов этого типа создается аэродинамически за счет вращающихся в противоположных направлениях лопастей несущих винтов. Очевидными преимуществами БПЛА вертолетного типа являются способность зависания в точке и высокая маневренность, поэтому их часто используют в качестве воздушных роботов. Практически все схемы компоновки БПЛА и типы фюзеляжей, которые встречаются в пилотируемой авиации, применимы и в беспилотной.

Известны системы соосных несущих винтов/лопастей, служащие для создания подъемной силы и для управления вертолетом. Такая система включает в себя главный редуктор с двумя соосными валами, вращающимися в противоположных направлениях и на которых закреплены втулки несущих винтов. Также система соосных несущих винтов вертолета содержит цепи управления каждым из несущих винтов/лопастей, включающие два автомата перекоса - нижний и верхний, две ползушки - нижнюю и верхнюю, механизм общего и дифференциального шага и тяги, связывающие эти агрегаты, причем автомат перекоса нижний - нижнего несущего винта - установлен неподвижно на верхней части редуктора и связан с осевыми шарнирами лопастей нижнего несущего винта тягами через качалки нижней ползушки, а автомат перекоса верхний - верхнего несущего винта - установлен на валу редуктора, в пространстве между верхним и нижним несущими винтами, и связан с нижним автоматом перекоса тягами, обеспечивающими параллельность наклонов верхнего и нижнего автоматов перекоса.

Известен главный редуктор вертолета соосной схемы, содержащий коническую передачу с шестерней, зацепленной с двумя коническими колесами, размещенными соосно друг другу и связанными с двумя цилиндрическими передачами, колеса которых соединены с двумя коаксиально и с вертикально установленными соосными валами несущих винтов (RU 2059535, опубл. 10.05.1996 г.).

Однако, известное решение отличается сложностью, большой массой, наличием большого количества высоконагруженных элементов кинематических пар и для облегченных по весу вертолетов типа ПЛА или БПЛА не пригодно.

Так же известен главный редуктор вертолета соосной схемы, содержащий корпус, внутри которого вертикально и коаксиально расположены валы верхнего и нижнего винтов, выполненные пустотелыми и связанные с ними, а также с коническими зубчатыми колесами, образующими зацепления с конической шестерней, соединенной с цилиндрическим зубчатым колесом, зацепленным с ведущей цилиндрической шестерней, причем указанные валы установлены на подшипниках с возможностью вращательного движения относительно корпуса (RU 2541569, В64С 27/14, B64D 35/06, опубл. 20.02.2015 г.).

Это решение принято в качестве прототипа.

Особенностью данного редуктора является то, что ведущая коническая шестерня имеет одновременное зацепление с двумя ведомыми коническими шестернями, каждая из которых выполнена со ступицей, закрепленной на конце своего полого вала. Каждый вал концом, размещенным в корпусе главного редуктора, установлен в отдельном подшипнике, а между коаксиальными валами на другом их конце размещен отдельный подшипник. Так же подшипник размещен между внешним полым валом и отходящей от корпуса редуктора трубой, охватывающей в нижней части этот вал.

Недостатком известного главного редуктора является его сложность, заключающаяся в большом числе ступеней, нерациональной компоновке, следствием которой явилась необходимость использования соединительных валов между двигателями и главным редуктором, следствием чего явились дополнительная нагруженность выходных ступеней редуктора и увеличение массы редуктора, нерациональном выборе типа подшипников и их размещении в редукторе, результатом чего явились усложнение конструкции опор, нагружение нижней части вала верхнего винта усилиями растяжения, и, как следствие, увеличение массы указанного вала. Нельзя признать оптимальным и выполнение единой коробки приводов в известном редукторе в связи с тем, что, кроме технологических трудностей ее выполнения, существует опасность выхода из строя всей коробки из-за отказа одной ее детали (подшипника, зубчатого колеса и т.п.). Все перечисленные недостатки известного главного редуктора приводят к усложнению его конструкции, увеличению массы и снижению надежности работы при эксплуатации вертолета.

Применение конической передачи позволяет существенно уменьшит габариты редуктора и повысить его компактность. Но имеется недостаток, который выражен в том. что колеса зубчатой конической передачи должны быть точно выставлены по линии или точке контакта в зацеплении. Нагрузки на валы в такой передаче выше нагрузок, которые приходятся на подшипники в зубчатой передаче с цилиндрическими шестернями. В связи с этим существенным становится точное позиционирование осей зубчатых конических шестерен, которое не должно изменяться в процессе работы редуктора.

В известном решении ведущий вал с конической шестерней внешнего зацепления установлен в шариковых подшипниках, в то время как доказано, что этот вал должен закрепляться в мощном коническом подшипнике. Это объясняется тем, что в линии или точке зацепления зубьев конической передачи происходит расклад сил, одна из которых действует по продольной оси ведущего вала в сторону хвостовика вала. Конический подшипник воспринимает эту нагрузку и переводит ее на корпус редуктора, а подшипники качения не сконструированы с возможностью приема осевых нагрузок. Они работают на радиальные нагрузки. В результате в шариковых подшипниках происходит продольное смещение внутреннего кольца относительно внешнего со смещение шариков в сепараторе, что существенно снижает ресурс таких подшипников. Но главное, при этом ведущий вал смещается в продольном направлении с линии или точки зацепления с ведомыми коническими шестернями.

В конической передаче ведомые конические шестерни, обращенные зубьями навстречу друг другу, закреплены на трубчатых валах. При этом введенные в полость редуктора концы этих валов укреплены в подшипниках. По сути, имеет место консольное закрепление длинномерных полых валов. Большая часть полых коаксиально расположенных валов выведена наружу и имеет между собой связь в верхней части через подшипник. Выведенные наружу концевые части валов предназначены для закрепления на них втулок для прикрепления лопастей. Получается, что каждый полый вал для другого полого вала является опорой. При работе винтов на валы действуют не только весовые нагрузки, но и динамические нагрузки, которые приводят к продольной нагрузке валов. А в корпусе эти валы закреплены каждый в одном подшипнике, который и является опорой для каждого вала. Реакция от всех нагрузок осаждается на подшипниках и не переходит на корпус редуктора, который должен воспринимать, как общая опора для валов, эти нагрузки. В результате, подшипники перегружаются и перегреваются, что приводит к снижению срока эксплуатации и необходимости ремонта редуктора.

Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в увеличении надежности и ресурса главного редуктора соосной схемы привода винтов малого или сверхмалого вертолета.

Указанный технический результат достигается тем, что в главном редукторе соосной схемы для легкого или сверхлегкого вертолета, содержащем корпус с элементами его закрепления на базовой поверхности, в котором на подшипниках закреплен ведущий вал конической передачи, с которым введены в зацепление две обращенные зубчатыми венцами навстречу друг другу ведомых шестерни, два коаксиально размещенных полых вала, концевая часть каждого из которых в полости корпуса связана с соответствующей ведомой шестерней конической передачи, при этом эти концевые части указанных валов установлены в корпусе на шариковых подшипниках, а корпус на выходе этих валов выполнен с трубчатой направляющей, охватывающей наружно расположенный полый вал и между которыми установлен один подшипник, а другой подшипник установлен в верхней части полых валом в зоне между этими валами, размещенный в полости корпуса конец внутренне расположенного полого вала установлен в подшипнике, который закреплен в поперечно расположенном кронштейне, проходящем между обращенными навстречу друг другу зубчатыми венцами ведомых шестерен на стороне, противоположной стороне установки ведущего вала конической передачи, который закреплен в двух разнесенных конических подшипниках с обращенным навстречу друг другу наклоном тел качения, нижне расположенная ведомая коническая шестерня для привода внутренне расположенного полого вала выполнена с развитой по длине ступицей, закрепленной на этом валу, на одной части которой размещен подшипник, укрепленный в корпусе, а на другой части укреплен подшипник, размещенный в гнезде кронштейна, верхне расположенная ведомая коническая шестерня для привода наружно расположенного полого вала прикреплена к фланцу этого вала над подшипником в кронштейне, при этом фланцевая часть этого фала установлена в подшипнике, закрепленном в корпусе.

При этом на свободных концах полых валов выполнены шлицы для установки втулок верхне и нижне располагаемых лопастных систем. А на выведенной из трубчатой направляющей части наружно расположенного полого вала размещена ползушка для закрепления аппарата перекоса для нижне расположенной лопастной системы, а на выведенной из наружного полого вала части внутренне расположенного полого вала размещена ползушка для закрепления аппарата перекоса для верхне расположенной лопастной системы.

Для обеспечения навески узлов управления курсом и другими параметрами в полости внутренне расположенного полого вала размещен узел крепления, закрепленный на корпусе и используемый для установки не вращающегося стержневого вала с выводом его свободного конца наружу над верхне располагаемой лопастной системой. Или на корпусе редуктора закреплен узел крепления, используемый для установки не вращающегося стержневого вала в полости внутреннего полого вала с выводом его свободного конца наружу над верхне располагаемой лопастной системой.

Указанные признаки взаимосвязаны между собой и являются существенными с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами исполнения, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг. 1 - общий вид главного редуктора с валами привода несущих винтов;

фиг. 2 - разрез главного редуктора;

фиг. 3 - конструктивная схема главного редуктора.

Согласно настоящего изобретения, рассматривается конструкция глпавного редуктора для трансмиссии легкого или сверхлегкого летательного аппарата вертолетного типа (для типов ПЛА и БПЛА), обладающая высокой эксплуатационной надежностью за счет рациональной компоновки и размещения подшипниковых узлов для уменьшения влияния крутильных колебаний и изгибов, приводящих к преждевременному выходу из строя максимально нагруженных или нагружаемых пиковыми всплесками нагрузок.

Базовым элементом главного редуктора является корпус 1, выполненный с элементами 2 его закрепления на базовой поверхности с учетом предъявляемых к главному редуктору требований по гашению вибрационных и крутильных возмущений.

Кинематическая часть главного редуктора построена на применении конической зубчатой передачи. Ведущий вал 3 с конической ведущей шестерней 4 (фиг. 2 и 3) размещена в корпусе 1 на двух разнесенных конических подшипниках 5 и 6 с обращенным навстречу друг другу наклоном тел качения. Это традиционная схема установки ведущего вала конической передачи позволяет воспринимать продольную составляющую силовой нагрузки, проявляющейся в линии или точке зацепления конических шестерен и направленной в сторону хвостовой части ведущего вала. Расположение наклона тел вращения навстречу друг другу обеспечивает нейтрализацию этой нагрузки путем перевода ее через наружные кольца подшипников на корпус. В результате ведущая шестерня этого вала остается в заданном позиционном положении по отношению к линии контакта (для передач с прямыми зубьями) или точке контакта в зацеплении для передач с круговыми зубьями (независимо от типа конической зубчатой передачи - с прямыми зубьями, с круговыми (спиралевидными) зубьями, с шевронными зубьями). Такое закрепление ведущего вала приводит к отсутствию смещения его зубчатого венца и исключения, тем самым, нарушения геометрии зацепления шестерен.

Для получения указанного результата конический подшипник 5 на стороне зубчатого венца выполнен габаритным и мощным. В силовых конических передачах такая установка подшипников называется «врастяжку» (фиг. 1). Эта схема обеспечивает повышенную жесткость ведущего вала и подшипники гарантированы от заклинивания при температурном расширении вала. Для радиально-упорных подшипников радиальная реакция считается приложенной к валу в точке пересечения его оси с нормалью, проведенной через середину контактной площадки на кольцах подшипника. Для уменьшения изгибающего момента, действующего на вал, необходимо получить минимальное расстояние от зубчатого венца до конического подшипника. В редукторе заявленной схемы это расстояние сведено к нулю, так как подшипник упирается в венец зубчатого колеса. Но это и обуславливает выбор подшипника габаритного, то есть мощного, типа, так как ближний к шестерне конический подшипник нагружен большей радиальной силой, кроме того, он же воспринимает и осевую нагрузку, в связи с чем этот подшипник делают большего диаметра.

Внутри полости корпуса закреплены концевые части двух концентрично расположенных полых валов 7 и 8 (фиг. 2 и 3), с которыми связаны две обращенные зубчатыми венцами навстречу друг другу ведомые шестерни 9 и 10, одновременно введенные в зацепление с ведущей шестерней 4 ведущего вала 3. Концевая часть каждого из полых валов в полости корпуса связана с соответствующей ведомой шестерней конической передачи. Эти концевые части указанных валов установлены в корпусе на шариковых подшипниках. А корпус 1 на выходе этих валов выполнен с трубчатой направляющей 11, охватывающей наружно расположенный полый вал 7 и между которыми установлен один подшипник, а другой подшипник установлен в верхней части полых валом в зоне между этими валами (расположение этих подшипников на рисунках не показано). Эти подшипники используются для сохранения соосности валов на протяженном участке вне корпуса, для сохранения зазора между вращающимися в противоположные стороны валами (для поступления смазки по этому зазору). По отношению к валам 7 и 8 трубчатая направляющая 11 так же является опорой для наружно расположенного вала 9. Эта направляющая нужна для уменьшения прогибов валов под динамическими нагрузками от работы лопастных систем (чем меньше расстояние между опорами - подшипниками, - тем меньше прогиб).

Размещенный в полости корпуса конец внутренне расположенного полого вала 8 установлен в центральном подшипнике 12, который закреплен в поперечно расположенном кронштейне 13. Этот кронштейн расположен поперечно корпусу и проходит между обращенными навстречу друг другу зубчатыми венцами ведомых шестерен 9 и 10 на стороне, противоположной стороне установки ведущего вала 3 конической зубчатой передачи. Этот подшипник организует базовую опору для внутреннего вала 8, который, кроме этого, установлен в подшипнике 14, закрепленном под кронштейном в корпусе. Это позволяет создать на валу 8 две разнесенные опоры, которые компенсируют появление разворачивающих моментов и обеспечивают жесткость установки вала, которая исключает угловые смещения закрепленного конца вала относительно точек опоры. Это является важным, так как полый вал 8 является опорой для наружно установленного полого вала 7. В верхней части эти валы связаны между собой через подшипник, но нагрузки от лопастных систем передаются через оба полых вала на их укрепленную корневую часть. При формировании двойного опирания консольно смонтированного вала 8 динамическая нагрузка от работы лопастной системы этого вала приводит к появлению изгибающего момента на центральном подшипнике 12. А на втором подшипнике 14 под кронштейном эта нагрузка проявляется в виде реакции корпуса и выражена реактивным моментом со знаком, противоположным знаку изгибного момента на подшипнике 12.

Так как концевая часть внутренне расположенного вала конструктивно укреплена с минимизацией проявления изгибных моментов, то это можно использовать для позиционирования нижней ведомой конической шестерни 9 привода этого вала, положение которой по линии или точке зацепления будет зависеть от положения концевой части вала 8. Для этого ведомая шестерня 9 выполнена с развитой по длине ступицей 15, которая закрепляется на полом валу 8. Закрепление ступицы проводится так, сама ступица 15 крепится неподвижно на валу 8, при этом на одной части ступицы размещен подшипник 14, укрепленный в корпусе, а на другой части укреплен центральный подшипник 12, размещенный в гнезде кронштейна 13. Это позволяет точно позиционировать ведомую шестерню на валу 8 между подшипниками 12 и 14 и обеспечить ее положение по отношению к линии или точке контактного зацепления с конической шестерней 4 ведущего вала 3. Конструктивно ведомая шестерня 9 выполнена в виде кольца с зубчатым венцом, прикрепленным к ступице 15, что позволяет снизить вес шестерни 9.

Корневая часть наружно расположенного полого вала 7, введенная в полость корпуса 1, выполнена с фланцем 16 в виде расширяющегося раструба, который укреплен в корпусе через подшипник 17. А верхне расположенная ведомая коническая шестерня 10 для привода наружно расположенного полого вала 7 выполнена в виде кольца с зубчатым венцом и прикреплена к фланцу 16 этого вала над подшипником 12 в кронштейне. Регулировка положения этой шестерни по линии или точке контактного зацепления проводится известным способом за счет поджатия фланца 16 регулировочной гайкой 18 к подшипнику 17.

На свободных концах полых валов 7 и 8 выполнены шлицы 19 для установки втулок верхне и нижне располагаемых лопастных систем. А на выведенной из трубчатой направляющей 11 части наружно расположенного полого вала 7 размещена ползушка 20 для закрепления аппарата перекоса для нижне расположенной лопастной системы, а на выведенной из наружного полого вала части внутренне расположенного полого вала 8 размещена ползушка 21 для закрепления аппарата перекоса для верхне расположенной лопастной системы (фиг. 1).

Так как вал 8 выполнен полым 4, то появляется возможность размещения в полости этого вала на нижней стороне корпуса узла крепления 22 (фиг. 2), который используется для установки не вращающегося стержневого вала с выводом его свободного конца наружу над верхне располагаемой лопастной системой. Этот неподвижный вал используется для закрепления на его выведенном наружу конце системы навигации, блока курса и других систем для дистанционного управления вертолетом.

Такой узел может быть закреплен на корпусе снаружи редуктора, а не вращающийся стержневой вал пропускается в полости внутреннего полого вала 8 с выводом его свободного конца наружу над верхне располагаемой лопастной системой.

Изобретение промышленно применимо и может использоваться для легких и сверхлегких летательных аппаратов вертолетного типа с соосной системой привода лопастей. Изобретение позволяет повысить срок службы главного редуктора за счет создания в форме внутреннего полого вала позиционированной базовой опоры для всех элементов редуктора и снизить вероятность нарушения контактного зацепления шестерен конической зубчатой передачи.

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям легких вертолетов. Главный редуктор соосной схемы привода несущих винтов легкого или сверхлегкого вертолета содержит корпус, в котором на подшипниках закреплен ведущий вал конической передачи, с которым введены в зацепление две ведомые шестерни, два коаксиально размещенных полых вала, концевая часть каждого из которых в полости корпуса связана с соответствующей ведомой шестерней. Концевые части указанных валов установлены в корпусе на шариковых подшипниках, а корпус на выходе этих валов выполнен с трубчатой направляющей. Конец внутренне расположенного полого вала установлен в подшипнике, который закреплен в поперечно расположенном кронштейне на стороне, противоположной стороне установки ведущего вала конической передачи. Нижерасположенная ведомая коническая шестерня для привода внутренне расположенного полого вала выполнена с развитой по длине ступицей, закрепленной на этом валу, на одной части которой размещен подшипник, укрепленный в корпусе. Вышерасположенная ведомая коническая шестерня для привода наружно расположенного вала прикреплена к фланцу этого вала над подшипником в кронштейне. Обеспечивается увеличение надежности и ресурса главного редуктора соосной схемы привода винтов малого или сверхмалого вертолета. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Главный редуктор соосной схемы привода несущих винтов легкого или сверхлегкого вертолета, содержащий корпус с элементами его закрепления на базовой поверхности, в котором на подшипниках закреплен ведущий вал конической передачи, с которым введены в зацепление две обращенные зубчатыми венцами навстречу друг другу ведомые шестерни, два коаксиально размещенных полых вала, концевая часть каждого из которых в полости корпуса связана с соответствующей ведомой шестерней конической передачи, при этом эти концевые части указанных валов установлены в корпусе на шариковых подшипниках, а корпус на выходе этих валов выполнен с трубчатой направляющей, охватывающей наружно расположенный полый вал, и между которыми установлен один подшипник, а другой подшипник установлен в верхней части полых валов в зоне между этими валами, отличающийся тем, что размещенный в полости корпуса конец внутренне расположенного полого вала установлен в подшипнике, который закреплен в поперечно расположенном кронштейне, проходящем между обращенными навстречу друг другу зубчатыми венцами ведомых шестерен на стороне, противоположной стороне установки ведущего вала конической передачи, который закреплен в двух разнесенных конических подшипниках с обращенным навстречу друг другу наклоном тел качения, нижерасположенная ведомая коническая шестерня для привода внутренне расположенного полого вала выполнена с развитой по длине ступицей, закрепленной на этом валу, на одной части которой размещен подшипник, укрепленный в корпусе, а на другой части укреплен подшипник, размещенный в гнезде кронштейна, вышерасположенная ведомая коническая шестерня для привода наружно расположенного полого вала прикреплена к фланцу этого вала над подшипником в кронштейне, при этом фланцевая часть этого вала установлена в подшипнике, закрепленном в корпусе.

2. Редуктор по п. 1, отличающийся тем, что на свободных концах полых валов выполнены шлицы для установки втулок выше- и нижерасположенных лопастных систем.

3. Редуктор по п. 1, отличающийся тем, что на выведенной из трубчатой направляющей части наружно расположенного полого вала размещена ползушка для закрепления автомата перекоса для нижерасположенной лопастной системы, а на выведенной из наружного полого вала части внутренне расположенного полого вала размещена ползушка для закрепления автомата перекоса для вышерасположенной лопастной системы.

4. Редуктор по п. 1, отличающийся тем, что в полости внутренне расположенного полого вала размещен узел крепления, закрепленный на нижней стороне корпуса редуктора и используемый для установки невращающегося стержневого вала с выводом его свободного конца наружу над вышерасположенной лопастной системой.

5. Редуктор по п. 1, отличающийся тем, что снаружи на корпусе редуктора закреплен узел крепления, используемый для установки невращающегося стержневого вала в полости внутреннего полого вала с выводом его свободного конца наружу над вышерасположенной лопастной системой.