航空發動機附件機匣結構設計及齒輪強度分析

郭梅，邢彬，史妍妍

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

0 引言

附件機匣作為航空發動機的重要部件之一，在發動機起動時為其提供扭矩，在發動機工作時，從發動機提取功率用于驅動飛機和發動機附件，保證飛機電子設備等部件正常工作，其重要性已超越傳統的“附件”意義，成為發動機技術發展的六大部分之一[1]。

本文進行了發動機附件機匣結構設計及齒輪強度分析。根據各傳動附件的設計輸入進行結構設計，并對其中的齒輪接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度進行了計算分析，總結了殼體和齒輪軸對附件機匣內部齒輪疲勞強度的影響程度。

1 附件機匣結構設計

進行附件機匣設計時，首先根據各傳動附件所需的功率、轉速、轉向安排傳動鏈，并確定齒輪軸的中心距；然后依據中心距計算出齒輪的結構尺寸，進而設計軸和軸承的結構尺寸；最后確定附件機匣殼體的詳細結構，形成附件機匣總體結構，如圖1所示。

1.1 附件機匣殼體設計

附件機匣殼體是附件傳動系統的重要零件之一，綜合考慮傳動鏈安排形式，將機匣殼體設計成整體鑄造結構，以提高加工精度，從而提高齒輪等傳動部件的工作精度。機匣前、后端面有與附件安裝座配合的表面和止口，殼體中鑄有安裝軸承的內孔，機匣腔內鑄有滑油通道和給發動機轉接齒輪箱、前軸承腔、后軸承腔供回油的各種滑油通道。機匣殼體兩側安裝鑄有安裝吊環支板的U形槽。

1.2 齒輪設計

附件機匣內均為圓柱齒輪，壓力角為25°，單圓弧齒根[2]，齒面滲碳，采用薄幅板大輪緣的結構形式，這樣既可減輕質量又避免應力集中。

1.3 軸承設計

齒輪軸采用固游式支承形式，即齒輪軸兩端分別由1個球軸承和1個滾棒軸承支承（如圖2所示），當齒輪軸由于溫度變化而伸縮時，能和軸承內圈及滾動體沿外圈內表面自由移動。軸承外圈均設計成帶安裝邊的結構，便于安裝并準確定位。

2 齒輪疲勞強度分析

2.1 計算方法

采用航標中的齒面接觸應力和齒根彎曲應力校核方法進行齒輪疲勞強度分析[3-4]。在疲勞強度計算中，嚙合齒向誤差Fβy是考慮沿齒寬載荷分布不均勻影響的參數。

式中：Fβx為初始嚙合齒向誤差[5]；yβ為齒向跑合量；fsh1為小齒輪和軸變形引起的嚙合齒向誤差分量；fsh2為大齒輪和軸變形引起的嚙合齒向誤差分量；fma為制造誤差引起的嚙合齒向誤差分量；fbe為軸承變形引起的嚙合齒向誤差分量；fca為支承機匣變形引起的嚙合齒向誤差分量。

在傳統的計算方法中，軸和殼體的剛度忽略不計，即相當于無窮大，這種處理方法與實際情況有一定差距；在本計算中，通過有限元分析，得到軸和殼體的真實剛度，使得計算結果更接近真實情況。

2.2 強度分析

2.2.1 建立模型

在UG軟件中建立精確的3維模型，然后將殼體模型導入Hypermesh軟件，將齒輪軸模型導入ANSYS軟件后劃分網格，生成有限元模型分別如圖3、4所示。

2.2.2 剛度計算

利用有限元分析軟件ANSYS計算得到殼體、軸（以002、003、004、005軸為例）的剛度矩陣及節點位置，如圖5～9所示。

在MASTA[6]中計算了2種情況下的齒輪接觸疲勞強度安全系數和彎曲疲勞強度安全系數。未考慮和考慮殼體和齒輪軸實際剛度影響時的計算結果見表1。

表1 齒輪疲勞強度安全系數計算結果

2.2.3 齒輪疲勞強度分析

計算結果表明，齒輪疲勞強度滿足設計要求。其中齒輪003、002、009、010的彎曲強度在考慮殼體和軸實際剛度影響時比不考慮殼二者影響時的小，而齒輪005、004、006、007、008的彎曲強度在考慮殼體和軸實際剛度影響時比不考慮二者影響時的大；齒輪003、002、006、008接觸強度在考慮殼體和軸實際剛度影響時與不考慮二者影響時的相同；齒輪005、004、007、009的彎曲強度在考慮殼體和軸實際剛度影響時比不考慮二者影響時的大；而齒輪010的彎曲強度在考慮殼體和軸實際剛度影響時比不考慮二者影響時的小。本設計中2種情況的差別不大，說明殼體剛度較好，對齒輪強度影響不大。

3 結論

（1）完成了發動機附件機匣結構設計和重要傳動部件齒輪疲勞強度分析。該附件機匣已隨發動機累計試車300 h以上，工作正常，滿足了在發動機上的傳動要求，說明該附件機匣的結構設計達到了預期目標。

（2）對齒輪進行了精細化設計和分析，尤其是將齒輪-軸-殼體組成1個系統，計算時考慮各因素之間的相互影響，與實際情況更接近，分析更完整。

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