大功率弧齿锥齿轮设计技术研究

第３８卷第５期　２０１２年１Ｏ月　航空发动机　Ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ　Ｖ０１．３８　ＮＯ．５　Ｏｃｔ．２０１２　

大功率弧齿锥齿轮设计技术研究　

杨荣，陈聪慧，战鹏，李锦花　

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳１１００１５）　

杨荣（１９６３），女，硕士，自然科学研　

究员，从事航空发动机附件传动系统的　

研制工作。　

收稿日期：２０１２－０５—０９　摘要：采用自行开发的弧齿锥齿轮加载分析专用程序，对大功率弧齿锥齿轮设计　

技术进行了研究。分析了轮齿承载后的齿面接触区的大小和位置，计算了齿根弯曲应　

力和齿面接触应力，并对齿轮振动特性、齿轮系的振动噪声和齿轮啸叫进行了研究。　

研究成果为航空发动机弧齿锥齿轮的设计、制造、强度计算和动力学分析提供了理论　

基础，并有效提高了发动机传动系统的可靠性。　

关键词：加载分析；应力分析；振动特性；弧齿锥齿轮；齿轮啸叫　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　Ｐｏｗｅｒ　ＳｐｉｒａＩ　Ｂｅｖｅｌ　Ｇｅａｒｓ　

ＹＡＮＧ　Ｐ，．ｏｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｃｏｎｇ—ｈｕｉ，ＺＨＡＮ　Ｐｅｎｇ，ＬＩ　Ｊｉｎ—ｈｕａ　

（ＡＶＩＣ　Ｓｈｅｎｇｙａｎｇ　ＥｎｇｉＢｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅｒａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１　１００１５，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｓｐｉｒａｌ　ｂｅｖｅｌ　ｇｅａｒｓ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｂｙ　ｓｅｌｆ－　

ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｓｐｉｒａｌ　ｂｅｖｅｌ　ｇｅａｒ　ｌｏａｄｅｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｐｒｏｇｒａｍ．Ｔｈｅ　ｓｉｚｅ　ａｎｄ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｅａｒ　ｌｏａｄｅｄ　

ｃｏｎｔａｃｔ　ｄｉｓｔｒｉｃｔｓ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．ｔｈｅ　ｔｏｏｔｈ　ｒｏｏｔ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｏｏｔＩｌ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｓｔｒｅｓｓ　ｗｅｒｅ　

ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｇｅａｒ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｇｅａｒ　ｎｏｉｓｅ　ａｎｄ　ｇｅａｒ　ｗｈｉｎｅ　ｗｅｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｓｕｌ￣ａｐｐｌｉｅｓ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｂａｓｉｓ　

ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｏｆ　ｇｅａ５　ａｎｄ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌｏａｄｅｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｔｒｅｓｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｓｐｉｒａｌ　ｂｅｖｅｌ　ｇｅａｍ；ｇｅａｒ　ｗｈｉｎｅ　

Ｏ引言　

弧齿锥齿轮具有传动平稳、承载能力强等优点，　

是航空发动机传动系统的中枢。随着航空发动机技术　

的发展，第４代战斗机对发动机的功率提取量显著提　

高，受发动机总体结构尺寸的限制，安装在高压轴上、　

轴承腔内的１对弧齿锥齿轮的承载能力（寿命）与其　

结构尺寸的比值成为评价传动系统设计的核心指标。　

因此，承载能力强、功重比大的弧齿锥齿轮的高可靠　

性设计技术成为先进发动机研制的关键技术。　

弧齿锥齿轮齿面几何形状极为复杂，为空间超　

越曲面，齿轮啮合属于点接触。考虑弧齿锥齿轮齿面　

空间超越曲面形状和其局部共轭点接触特性对承载　

能力的影响，分析轮齿承载后的齿面接触区的大小、　

位置及接触应力、载荷分配等情况；进行齿根弯曲应　

力有限元分析、齿面接触应力分析；进行了系统的振　

动噪声分析，分析由齿轮传递误差为激励的齿轮啸　

叫结果。　１　提高齿轮承载能力和改善其工作特性措施　

（１）采用高强度高性能齿轮材料。锥齿轮材料选　

用新型耐高温、高强度和高韧性不锈齿轮钢，其性能　

优于目前航空发动机上采用材料的性能，抗拉强度提　

高４０％，断裂韧度提高１倍；　

（２）采用３５。螺旋角提高齿轮的承载能力，比直　

齿锥齿轮的提高４０％；　

（３）采用齿面镀银处理提高齿面抗胶合能力，降　

低传动噪声；　

（４）采用３５。螺旋角、小模数、多齿数来提高齿轮　

的重合度；　

（５）选择小齿轮凸面和大齿轮凹面为工作面，提　

高齿轮的弯曲疲劳强度；　

（６）采用改变辐板和轮缘或改变辐板厚度等方法，　

调整齿轮的固有频率，使齿轮的工作转速偏离其共振转　

速；　

（７）对齿轮轮齿修形和优化，以补偿轮齿啮合时　

刚度的变化，减小动载荷；

　第５期　杨荣等：大功率弧齿锥齿轮设计技术研究　

（８）提高齿轮加工和装配的精度。　

２弧齿锥齿轮的加载接触分析　

弧齿锥齿轮的加载接触分析是在考虑支撑系统　

弹性变形和轮齿变形情况下，利用共轭曲面原理分析　

轮齿的齿面和边缘接触情况，通过自行开发的专用弧　

齿锥齿轮加载接触分析程序计算弧齿锥齿轮接触区、　

接触迹和运动误差。　

２．１　建立模型　

（１）基本参数为：小齿齿数为３６，大齿齿数为４７，　

齿轮模数为３．８７５，齿面宽度为２１　ｍｍ，刀盘半径　

９５．２５　ｍｍ，压力角为２０。，螺旋角为３５。，轴交角为　

９０。，最小侧隙为０．１２　ＩＴｌｍ，最大侧隙为０．６６　ｍｉｌｌ，刀顶　

距为１　ｍｍ，小轮旋向为左旋，齿轮锥度为标准。　

（２）支撑结构参数和载荷为：小轮轴内径为　

４０．５　ｍｍ，小轮轴外径为５０　ｍｍ，大轮轴内径为　

１２５．１５　ｍｍ，大轮轴外径为１３３．３５　ｍｍ，小轮悬臂长　

度为２７　ｍｍ，大轮悬臂长度为８６．７　ｍｍ，小轮轴承类　

型为柱轴承，大轮轴承类型为球轴承；小轮轴承外　

径为９０　ｍｍ，大轮轴承外径为２０１．７　ｍｍ，小轮轴承　

宽度为２０　ｍｍ，大轮轴承宽度为３５．８５　ｍｍ，小轮扭　

转长度为８０　ｍｍ，大轮扭转长度为４７　ｍｍ，小轮工作　

扭矩为４０３　ｍｍ，大轮跳动直径为０　ｍｍ，大轮跳动角　

度为０。。　

２．２加载接触分析　

为获得最佳接触印痕，采取了６种小轮控制参数　

（见表１）的设计方案，采用弧齿锥齿轮加载接触分析　

表１　６种小轮控制参数　计算程序分别分析弧齿锥齿轮在加载时轮齿的接触　

区、接触迹和传动误差，在工作状态下小轮凸面一大　

轮凹面的计算结果见表２。从计算结果看，第６种小　

轮的控制参数可获得较为完善的加载接触区、接触迹　

和传动误差。　

３齿根应力和齿面接触应力计算　

齿根弯曲应力有限元分析载荷模型引自加载接　

触分析和齿面接触应力分析结果。第６组加工调整参　

数时的齿根应力和齿面接触应力计算结果分别如图　

１、２所示　

２６５　２４８　ｚ，－　菩２Ｈ　１９７　１８Ｏ　善　＼／　＼．　‘，　＼　

．，　。　／　

５—４—３—２—１　０　１　２　３　４　５　—５—４—３—２—１　０　１　２　３　４　５　大轮齿根应力一凹面加载　小轮齿根应力一凸面加载　

图１　第６组￣ｊ，－ｒ调整参数时的齿根应力　

——　＼　

一　７　、　，　、　，　、　＼　１２９５　ｌ２３５　１１７５　１１１６　趟１０５６　９９６　－５－４－３一Ｚ—ｌ　ｕ　Ｉ　Ｚ　ｊ　４　）　一）一４一ｊ－２一Ｉ　Ｕ　ｌ　２　ｊ　４　３　小轮凸面一大轮凸面　

图２第６组加工调整参数时的齿面接触应力　

４弧齿锥齿轮结构设计与振动特性分析　

大量的齿轮故障源于行波振动破坏模式。弧齿锥　

齿轮的振动特性与齿轮的结构设计（即辐板、背锥、轮　

缘等处的尺寸设计）是分不开的。为达到高可靠性的　

设计要求，近年来齿轮设计中的动态特性分析越来越　

受到重视和应用。　

４．１　弧齿锥齿轮固有频率和共振转速计算　

（１）固有频率计算和典型振型　

由于从动弧齿锥齿轮辐板较薄，并且外径尺寸　

大，进行多种结构的固有频率的计算，确定的结构尺　

寸如图３所示，该结构的固有频率和振动模态见表　

３，典型振型如图４所示。　

（２）共振转速计算　

由行波共振理论得到行波共振转速　

前行波共振转速ⅣＦ乓　）＿　Ｚ一，ｎ　

后行波共振转速Ｎｂ＝每　，ｃ　十ｍ　（１）　

（２）　亳　

蓬　２４　航空发动机　第３８卷　

２　

４　

６　一　一　

根锥０．９５８　ｍｍ　大端５．４８９９　ｍｍ　根锥０．２０９　ｍｍ　大端４．８０５４　ＴＴＩｌＩ－　顶锥０．４５１３ＩＩｕｎ　小端８．０６５　ｒａｍ　顶锥０．４０４７ｍｍ　小端５．０９Ｏ９ｍｍ　

根锥１．ｔ０３ｍｍ　樾，５．０６５６ｔｔｍ　熊　嚣　４埘．６２１５ｓｍ—ｍ　顶锥０．６１１５ｍｍ　小端７４８７９ｌ１１－ｌ１　…………　……　‘　

摇藿　小，￣端　５．．枷０３７４一ｎｕｎ　顶锥０．５８２６ⅡＩｍ　小端７４４５ｍｍ　

根锥【．１２０２ｍｍ　大端５０１６８ｍｍ　顶锥０．６３５３　ｍＩｎ　小端７．３９６８　ｒａｍ　

０＿７１．１５９４２２４～ｍｍ　奈荣嚣　嚣　顶￣锥０＿６０．５５６８３６一ｍｍ　４＿３１．４２０２５ｈｍｉｍ　

顶￣锥ｌ１．２７９８６１９７ｍｒ｜ｌＩｒＩｍ　小￣端５３．．４４６０９５４８ｍⅡⅡｎｍ　顶；１￣锥ｌ１．．５２ｏ６９７４３ｍ㈣ｍ　小９￣端４３．．２ｏ８３２５９ｍｍｍｍ　顶锥１．２９６９ｍｍ　小端５．４６０９咖　艟１，ｎ　ｍｍ　，Ｉ、端ｄ，ｍｑｍｍ　ｌ　４９　－７ｔ　一３　８　０、　‘　＼　＿ｏ１　０９　Ｉ３　

００　Ｈ　１　一埘　３　瓠　１１　０４　０Ｊ　０９　０Ｊ　ｌ３　－０ｌ　

西　一７　６　．、　３　０、　７　。　＼　＿０（　）４　－０（　】９　１３　０』　

ｌ　－７ｌ　、　．　ｏ、　、　ｆＩ　、　＿０』　）４　－０（　

－０【　ｌ７　

０　４　秒　＂２－７ｆ　Ｓ＂Ｎ　０、　ｒ７．　

＿０ｌ　０９　

二呈｛　

１ｏ４　Ｉ．４９　６、　ｒ　７．品　、　，　，　－（　幽　＿（　００９　

／　ｆ０　／　

式中：ｍ为节径数；ｒｔ为节圆数；　为节径为ｍ、节圆为ｎ　

振型的固有频率；ｚ为齿数；Ｊｊ｝为付氏级数中的谐波数。　

从动弧齿锥齿轮的共振转速计算结果见表４，齿　

轮共振如图５所示。从动锥齿轮在高压转子转速为　

１４５６０　ｒ／ｍｉｎ（７４％ｎ　）时存在３节径前行波共振转速，　

其余共振点转速在６３％　内。　

４．２行波振动应力计算　

计算的行波振动应力峰值曲线如图６所示，３节　

径前行波共振的计算应力约为４０　ＭＰａ，应力值较小，　较安全。国外标准规定锥齿轮轮齿振动应力不得大于　

１００　ＭＰａ。　

５弧齿锥齿轮辐板强度分析　

根据中央传动主、从动弧齿锥齿轮的结构形式，　

主要进行从动锥齿轮辐板的强度分析。计算中考虑了　

离心载荷和传递扭矩的影响，最大主应力分布如图　

７、８所示。应力计算结果见表５，从表５中可见，静强　

度储备充足。