航空发动机附件传动系统研究
1 绪论
1.1 论文选题背景
我国航空工业起步较晚，与航空发达国家相比尚有约30年的差距。航空发动机是飞机的心脏，没有强劲的发动机，就没有性能优异的战斗机。航空发动机发展固然以各大气动部件的技术进步为代表，但也要求机械系统与之发展相适应。先进燃气涡轮发动机的高压比、高涡轮燃气进口温度、高主轴转速及严格的空间限制，要求机械系统在高温、高速、重负荷、轻重量、激烈的状态变化、紧凑的空间限制、长寿命和高可靠性下完成其功能。机械系统给发动机设计与研制带来了大量的不同于一般机械学的技术难题，设计上受到日益尖锐的挑战。航空发动机技术领先的国家，都有机械系统技术发展的专门研究中心和相应的队伍，各设计集团都有较强的机械设计力量，如美国航空宇航局的动力传输研究室、普惠公司发展部轴承密封分部等。他们都认识到，可能用于航空发动机的机械元件与系统的发展要及早立题与研究。一项先进技术，从概念到实用往往要经历漫长的时间，如陶瓷轴承早在20世纪50年代就着手探索，近10年来在技术上有所突破，才开始进入航空发动机的应用实践。在我国，这些技术一直不被人们所了解和重视，处于可有可无的被动状态，还没有形成机械系统与发动机是同样重要的概念。长期以来，在发动机研制中重视三大部件，轻视机械系统的思想制约了机械系统的发展，致使航空附件传动系统的发展落后于航空发动机的研究发展。目前，我国对航空附件传动系统的研究很少。因此，加大对高速航空附件传动系统的研究力度，是推进发动机研究的必要措施。
高速附件传动系统中的斜撑离合器，国内一直没有研究机构对其进行专门的研究。斜撑离合器结构简单，承载能力大，结合平稳无冲击，可以在任何转速下结合、脱开，因而在传动系统中应用广泛。其自由轮组件在国外已有专业化厂家设计、生产成系列化产品。传动设计部门只需根据传递功率的大小、工作转速和特定工作条件订购自由轮组件，再配上内轴、外套圈即可。但是，由于国内尚无设计、生产自由轮组件系
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列化产品的专业产家，要到国外订货亦较困难。尤其是一旦国际形势紧张，军工产品可能要受到国际上封锁的威胁。另外，随着发动机转速的提高，附件传动系统中常用的转速在15000r/min左右的超越离合器已经不能满足高转速要求，需要研究更高转速的超越离合器投入使用。
1.2 国内外研究现状分析 1.2.1 附件传动的研究现状
国外很重视附件传动的发展，并且做了远景规划。美国政府为保持在航空技术方面的领先优势，委托美国国家研究委员会、工程和技术系统委员会、航空航天局、航空技术委员会编写了“二十一世纪的航空技术”一文。该报告提出了在 2000～2020 年期间美国的航空科学技术方面必须发展的技术和所应采取的措施。在关于“推进技术”一章中明确指出，二十一世纪先进技术发动机的动力传输系统将采用无接触的电磁轴承代替传统的滚动轴承，在高速转子上安装电起动机、发电机，用全电气化附件取代传统的机械传动附件，使发动机的动力传输系统由传统的机械传动向全部电气化传动发展。实现这种革新的动力传输系统，可使发动机重量减轻 10％～15％，发动机性能提高 5％。
在我国的航空发动机研制中，附件传动在航空发动机的地位一直隶属于核心，对机械系统的忽视，影响了机械系统技术的发展。这方面的研究落后于其它部件的发展，基本处于盲目发展状态，导致发动机附件传动系统落后于主机发展。实践表明，只有重视机械系统，才能使发动机动力传输设计得先进、完美，才能有与大部件同步发展的技术需求和发展规划。
1.2.2 超越离合器的现状研究
国外对超越离合器研究较早。20世纪70年代，美国航空宇航局（NASA）开始对高速超越离合器进行研究。超越离合器的研究是NASAART-I计划的主要研究内容之一。1972～1977年，Lyn wander、Wirth和Kish等人对直升机超越离合器做了深入研究。1977年，Kish对该历时三年的研究做了总结：开发了工作转速达20000r/min的直升机超越离合器，并在结构上做了改进，减少了扭矩、尺寸和重量；K.Liu、
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EiichiBamba和V.I.Dekhanov研究离合器的摩擦；随后，D.P.Cramton、ChenLi-Wen、Xu.T.和Cheseney对离合器做了更深入的研究。现在，国外已达到生产专业化、产品系列化的程度。滚柱离合器、斜撑离合器在航空发动机上早已采用。黑鹰减速器中用的是滚柱离合器，由德、意、法、荷四国合作研制的NH90直升机、美国与意大利合作研制的AB139采用了斜撑离合器。
国内对超越离合器的研究比较晚，林军等人研究了差动双制动块式超越离合器的工作机理，并建立了相应的数学模型。黄靖远等人研究了链式超越离合器的高速超越特性，以及挠性环面超越离合器的原理应用。由于国内航空工业的落后，对超越离合器的使用需求不够。国内对超越离合器尤其是高速超越离合器的研究很少，导致超越离合器的研究水平较低。目前在航空领域使用的超越离合器大都依靠进口，因此，加大对高速超越离合器的研究成为当前的迫切任务。
1.3 论文的研究内容
附件传动系统不同于航空减速器，在设计上有自己的特点。在现代航空燃气涡轮发动机中，发动机附件的功率约占高压涡轮功率的 0.2%～0.5％。因此附件传动系统具有功率小，转速高的特点，在设计上有别于功率大、转速低的发动机减速器系统。另外，附件传动系统需要驱动附件工作，附件直接安装在附件传动箱体上。这些附件的尺寸大小决定了啮合齿轮的中心距，所以，航空减速器中的设计方法已不适用于附件传动系统的设计。基于附件传动系统的特点，应采用计算机辅助设计作为设计手段，从理论上对航空高速附件传动系统进行深入研究。论文研究中做了如下工作：
1. 在了解国内外高速附件传动系统和超越离合器研究现状的基础上，阐明了高速附件传动系统研究的必要性。
2. 了解起动机、发动机和超越离合器的工作方式，分析它们与附件传动系统之间的联系，提出高速附件传动系统的总体设计方案。
3. 分析附件传动系统的特点，研究了高速附件传动系统的设计方法，对齿轮、典型联接件和传动箱体进行了粗略的分析。
4. 行超高温润滑油及其在发动机的应用研究，以适应更高推重比发动机对滑油系统的要求，发展更加精确的滑油系统热计算技术，为高
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推重比发动机及部件的精确设计提供支持。
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2 总体方案介绍
发动机是飞机的心脏，依靠起动机起动。起动机的动力来源于起动电机，需要通过附件传动系统来传输。起动机起动后，通过附件传动系统为附件提供动力。起动机、发动机附件、超越离合器均与附件传动系统的工作状况密切相关，决定了附件传动系统的设计方案。本章在阐述起动机、发动机附件、润滑油系统工作原理的基础上，提出了总体设计方案。
2.1 设计平台的选择
计算机辅助设计是当代工程技术发展成就最杰出的代表。近年来，人们将新产品开发和信息技术、计算机技术、自动化技术以及人工智能技术有机地融合在一起，形成新一代的设计制造技术，而其核心就是CAD/CAM。一个完全集成的CAD/CAM软件，能辅助工程师完成从概念设计到功能工程分析，最后到制造的整个产品开发过程。
在当前流行的CAD/CAM软件中，Unigraphics、Pro/Engineer、CATIA是比较流行的软件。虽然Pro/Engineer在模具设计方面强于其它软件，但在航空领域的复杂模型中，显得力不从心。航空领域应用最广的CAD/CAM软件，当属Unigraphics和CATIA。与CATIA相比较，Unigraphics在曲面造型，以及数控加工方面具有独特的优势。在Unigraphics中，先进的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和曲面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的。用Unigraphics复合建模模块建立的模型完全与构造的几何体相关，能够有效地使用保存的产品模型数据。而且，Unigraphics是比较有代表性的数控软件。Unigraphics/CAM提供了一整套从钻孔、线切割到5轴铣削的单一加工解决方案。在加工过程中的模型、加工工艺、优化和刀具管理上，都可以与主模型设计相联接，始终保持最高的生产效率。论文选用Unigraphics软件，抛弃传统的图板作图方式，通过对数字模型的干涉检查，及时发现问题，缩短了设计周期，并且为后面的CAE分析提供
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