航空发动机附件机匣结构设计及齿轮强度分析

郭梅，邢彬，史妍妍

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

0 引言

附件机匣作为航空发动机的重要部件之一，在发动机起动时为其提供扭矩，在发动机工作时，从发动机提取功率用于驱动飞机和发动机附件，保证飞机电子设备等部件正常工作，其重要性已超越传统的“附件”意义，成为发动机技术发展的六大部分之一[1]。

本文进行了发动机附件机匣结构设计及齿轮强度分析。根据各传动附件的设计输入进行结构设计，并对其中的齿轮接触疲劳强度和弯曲疲劳强度进行了计算分析，总结了壳体和齿轮轴对附件机匣内部齿轮疲劳强度的影响程度。

1 附件机匣结构设计

进行附件机匣设计时，首先根据各传动附件所需的功率、转速、转向安排传动链，并确定齿轮轴的中心距；然后依据中心距计算出齿轮的结构尺寸，进而设计轴和轴承的结构尺寸；最后确定附件机匣壳体的详细结构，形成附件机匣总体结构，如图1所示。

1.1 附件机匣壳体设计

附件机匣壳体是附件传动系统的重要零件之一，综合考虑传动链安排形式，将机匣壳体设计成整体铸造结构，以提高加工精度，从而提高齿轮等传动部件的工作精度。机匣前、后端面有与附件安装座配合的表面和止口，壳体中铸有安装轴承的内孔，机匣腔内铸有滑油通道和给发动机转接齿轮箱、前轴承腔、后轴承腔供回油的各种滑油通道。机匣壳体两侧安装铸有安装吊环支板的U形槽。

1.2 齿轮设计

附件机匣内均为圆柱齿轮，压力角为25°，单圆弧齿根[2]，齿面渗碳，采用薄幅板大轮缘的结构形式，这样既可减轻质量又避免应力集中。

1.3 轴承设计

齿轮轴采用固游式支承形式，即齿轮轴两端分别由1个球轴承和1个滚棒轴承支承（如图2所示），当齿轮轴由于温度变化而伸缩时，能和轴承内圈及滚动体沿外圈内表面自由移动。轴承外圈均设计成带安装边的结构，便于安装并准确定位。

2 齿轮疲劳强度分析

2.1 计算方法

采用航标中的齿面接触应力和齿根弯曲应力校核方法进行齿轮疲劳强度分析[3-4]。在疲劳强度计算中，啮合齿向误差Fβy是考虑沿齿宽载荷分布不均匀影响的参数。

式中：Fβx为初始啮合齿向误差[5]；yβ为齿向跑合量；fsh1为小齿轮和轴变形引起的啮合齿向误差分量；fsh2为大齿轮和轴变形引起的啮合齿向误差分量；fma为制造误差引起的啮合齿向误差分量；fbe为轴承变形引起的啮合齿向误差分量；fca为支承机匣变形引起的啮合齿向误差分量。

在传统的计算方法中，轴和壳体的刚度忽略不计，即相当于无穷大，这种处理方法与实际情况有一定差距；在本计算中，通过有限元分析，得到轴和壳体的真实刚度，使得计算结果更接近真实情况。

2.2 强度分析

2.2.1 建立模型

在UG软件中建立精确的3维模型，然后将壳体模型导入Hypermesh软件，将齿轮轴模型导入ANSYS软件后划分网格，生成有限元模型分别如图3、4所示。

2.2.2 刚度计算

利用有限元分析软件ANSYS计算得到壳体、轴（以002、003、004、005轴为例）的刚度矩阵及节点位置，如图5～9所示。

在MASTA[6]中计算了2种情况下的齿轮接触疲劳强度安全系数和弯曲疲劳强度安全系数。未考虑和考虑壳体和齿轮轴实际刚度影响时的计算结果见表1。

表1 齿轮疲劳强度安全系数计算结果

2.2.3 齿轮疲劳强度分析

计算结果表明，齿轮疲劳强度满足设计要求。其中齿轮003、002、009、010的弯曲强度在考虑壳体和轴实际刚度影响时比不考虑壳二者影响时的小，而齿轮005、004、006、007、008的弯曲强度在考虑壳体和轴实际刚度影响时比不考虑二者影响时的大；齿轮003、002、006、008接触强度在考虑壳体和轴实际刚度影响时与不考虑二者影响时的相同；齿轮005、004、007、009的弯曲强度在考虑壳体和轴实际刚度影响时比不考虑二者影响时的大；而齿轮010的弯曲强度在考虑壳体和轴实际刚度影响时比不考虑二者影响时的小。本设计中2种情况的差别不大，说明壳体刚度较好，对齿轮强度影响不大。

3 结论

（1）完成了发动机附件机匣结构设计和重要传动部件齿轮疲劳强度分析。该附件机匣已随发动机累计试车300 h以上，工作正常，满足了在发动机上的传动要求，说明该附件机匣的结构设计达到了预期目标。

（2）对齿轮进行了精细化设计和分析，尤其是将齿轮-轴-壳体组成1个系统，计算时考虑各因素之间的相互影响，与实际情况更接近，分析更完整。

[1] 《航空发动机设计手册》总编委会.航空发动机设计手册：第12册[M].北京：航空工业出版社，2002：553-573.

[2] 中华人民共和国航空航天工业部.HB 0-91-88渐开线圆柱齿轮传动[S].北京：中华人民共和国航空航天工业部，1988：1-3.

[3] 中华人民共和国航空航天工业部.HB/Z 84.2-84航空渐开线圆柱齿轮轮齿接触疲劳强度计算[S].北京：中华人民共和国航空航天工业部，1984：1-21.

[4] 中华人民共和国航空航天工业部.HB/Z 84.3-84航空渐开线圆柱齿轮弯曲疲劳强度计算[S].北京：中华人民共和国航空航天工业部，1984：1-49.

[5] 中华人民共和国航空航天工业部.HB/Z 84.1-84航空渐开线圆柱齿轮承载能力一般系数计算[S].北京：中华人民共和国航空航天工业部，1984：17-19.

[6] SMT公司.Masta培训手册[M].北京：SMT公司，2007：15-50.

[7] 闻邦椿.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010：1-49.

[8] 航空材料手册编写组.中国航空材料手册[M].北京：国防工业出版社，1972：50-65.

[9] 周长城.ANSYS基础与典型范例[M].北京：电子工业出版社，2007：15-100.

[10] 杨荣，常春江，魏文山，等.某型发动机附件机匣中心传动从动锥齿轮断裂故障分析[J].航空发动机，1999，25（4）:31-38.