专利名称：用于冲压空气涡轮的涡轮驱动轴的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及驱动轴及其制造，并且更具体地涉及用于冲压空气涡轮(RAT)的壳体和/或齿轮箱中的驱动轴及其制造方法。
背景技术：
RAT在飞机上用于提供紧急动力供应以便为发电机、液压泵等供能。当未使用时，RAT通常收存在飞机的机身中。当飞机在飞行时，RAT可被展开以随着RAT的涡轮叶片在飞机周围的迎面而来的气流中旋转而产生动力。当从飞机的主系统无法获得动力时，RAT可被展开为次级或紧急系统。用于RAT传动系中的驱动轴需要满足许多要求。RAT驱动轴必须是可靠的，并且其必须能够与必要的传动系部件匹配且能够应付其将要经受的扭矩负载。由于大多数RAT 以悬伸的方式从飞机的机身向外突出的缘故，RAT及其子部件会经受显著量的振动和弯曲。而且，RAT传动系的旋转本质会引入扭共振问题。然而，由于RAT在飞机中的定位必须考虑许多其他飞机设计因素，因此RAT及其子部件的位置受到很大程度的约束，这极大地限制了 RAT传动系及其驱动轴的几何结构和尺寸的设计选择。RAT部件的重量也是重要的设计考虑因素。
发明内容
根据本发明的一种用于飞机冲压空气涡轮的驱动轴包括管状主体和法兰。所述管状主体限定旋转轴线并且包括前部分和位于所述前部分后面的截头圆锥形部分。所述法兰邻接所述管状主体的前部分与所述截头圆锥形部分相对，并且具有前表面和相对的后表面。所述管状主体的前部分的外直径与所述管状主体的前部分的内直径的比率在约1.423到1.425的范围内。
图I是根据本发明的冲压空气涡轮(RAT)的剖视图。图2是图I的RAT的一部分的放大透视图。图3是图2的RAT的该部分沿图2的线3_3剖切的剖视图。尽管上述附图示出了本发明的实施例，但如同所讨论的，也构想了其他实施例。在所有的情况中，本公开通过代表而非限制的方式呈现了本发明。应当理解，本领域技术人员可以想出许多其他的修改和实施例，这些修改和实施例落入本发明原理的范围和精神之内。附图不是按比例绘制的。在遍及几幅附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。
具体实施例方式图I是用于飞机(未示出)的冲压空气涡轮(RAT) 10的剖视图。为了简单起见，所示的图I没有交叉影线。RAT 10包括涡轮组件12、支柱14、发电机16和传动系(或动力传动系统)18，传动系18包括支柱驱动轴20和涡轮驱动轴22。支柱14提供RAT 10的结构支撑并且帮助支撑涡轮组件12。在所示的实施例中，支柱14具有空心且大致圆柱形的形状。而且，在所示实施例中，发电机16位于支柱上与涡轮齿轮箱组件12相对的近端。应当注意，发电机16仅仅是可用于RAT 10的动力转换装置的其中一种形式，并且仅仅以示例而非限制的方式示出。例如，在其他实施例中，液压泵可用于替代发电机16或者作为发电机16的补充。如下面进一步说明的，传动系18包括合适的轴和传动装置以提供涡轮组件12和发电机16之间的机械连接，以便将旋转能量(扭矩)传递到发电机16。在所示实施例中，涡轮组件12包括涡轮叶片24、毂26和锁定机构28。涡轮组件12可根据需要进一步包括其他部件，例如位于毂26中的合适的俯仰或速度控制机构。涡轮叶片24固定到毂26，并且在一些实施例中可具有可调节的俯仰。在操作期间，涡轮叶片24与气流相互作用以产生毂26的旋转。在一个实施例中，涡轮组件12构造成具有约3800-5000RPM (或 63. 33-83. 33 Hz)的操作范围。毂26固定到涡轮驱动轴22，涡轮驱动轴22以与毂26相同的速度旋转。涡轮驱动 轴22是传动系18的一部分并且延伸到齿轮箱30中，齿轮箱30可位于毂16和涡轮叶片24的后部。齿轮箱30可固定到支柱24的远端并且由该远端支撑。齿轮箱30包含了传动系18的合适的传动装置以提供传动比来操作支柱驱动轴20。锁定机构28可构造成将柱塞选择性地插入涡轮驱动轴22中的匹配特征(例如开口)中以选择性地停止涡轮驱动轴22、毂26及其所接合的其他部件的旋转。支柱驱动轴20是传动系18的一部分，并且至少部分地位于支柱14中。支柱驱动轴20可直接接合发电机16。在所示实施例中，RAT 10构造成能够利用合适的致动器(未示出)选择性地从飞机机身展开。当被展开时，RAT 10将涡轮组件12呈现给经过飞机的气流，并且可用于利用来自涡轮组件12的部件的旋转的动能来产生期望形式的动力，所述动能由经过的气流产生。RAT 10可在飞行中被展开以提供紧急或次级动力。由于RAT的一般构造和用途是公知的，因此没有必要进一步讨论。图2是RAT 10的一部分的放大透视图，并且图3是RAT 10的该部分沿图2的线3-3剖切的剖视图。如所示实施例中示出的，支柱驱动轴20延伸到齿轮箱30中并且被两个轴承组32相对于齿轮箱30可旋转地支撑。小齿轮34附接到支柱驱动轴20的远端并且可定位在轴承组32之间。在所示实施例中，涡轮驱动轴22延伸通过齿轮箱30，并且被两个轴承组36相对于齿轮箱30可旋转地支撑。环齿轮38附接到涡轮驱动轴22，并且与小齿轮34啮合以在涡轮驱动轴22和支柱驱动轴20之间以期望传动比传递动力。花键40可设置在涡轮驱动轴22中以形成“后驱动”连接，以便于将外部工具附接到RAT 10以使传动系18旋转，用于维护和安全检查的目的。一对直径上相对的开口 42可设置在涡轮驱动轴22中以允许与锁定机构28的锁定构件(例如柱塞或销)接合。涡轮驱动轴22包括法兰50,其可与毂26联系。可用法兰50的外周处或附近的合适的螺栓将法兰50固定到毂26。法兰50具有前表面(在图3的左侧)和后表面(在图3的右侧)，前表面可相对于旋转轴线A布置成约2° (+/-0.25° )的角度，后表面可布置成约9° (+/- 0.25° )。这样，法兰50可从较厚的内直径部分渐缩到较薄的外直径部分。位于锥体的基部处的法兰50的内直径部分可具有约2. 240 cm (0. 882英寸)的壁厚。主体部分从涡轮驱动轴22的法兰50向后延伸，该主体部分的形状是管状的，具有空心内腔。涡轮驱动轴22的主体部分的轴向长度L可约为22. 715 cm (8. 943英寸)。涡轮驱动轴22的管状主体部分可包括截头圆锥形部分54 (也称为轴锥)，其可位于从法兰50向后约6. 78 cm(2. 67英寸)处，涡轮驱动轴22的形状在法兰50和截头圆锥形部分54之间基本上是圆柱形的。截头圆锥形部分54产生了空间以容纳轴承组32之一以及支柱驱动轴20的远端。截头圆锥形部分54可相对于轴线A布置成约14° (+/- 0. 5° )。毂导孔直径O I可限定在法兰50的前表面附近，并且可约为18. 001 cm (7.090英寸)。位于前轴承组36处的涡轮驱动轴22的主体的外直径①2可约为7. 117 cm (2. 802英寸)，并且对应的内直径①3可约为4. 994 cm (I. 966英寸)，导致对应的壁厚约为2. 123 cm (0. 836英寸)。在一个实施例中，涡轮驱动轴22的主体的外直径O 2与对应的内直径O 3的比率可在约I. 423到I. 425的范围内。在一个实施例中，涡轮驱动轴22的主体的外直径02与毂导孔直径Ol的比率可在约I. 359到I. 380的范围内。此外，在一个实施例中，涡轮驱动轴22的主体的内直径0 3与毂导孔直径Ol的比率可在约0. 954到0. 968的范围内。
涡轮驱动轴22的某些尺寸对于性能是关键的。除了上述法兰50的前表面和后表面的角度之外，涡轮驱动轴的特定部分的厚度也是重要的。上述各种尺寸的比率也是重要的。同时，涡轮驱动轴22的这些设计参数的组合产生了期望的振动性能。在操作期间，RAT 10经受各种力，包括扭矩、振动和弯曲。具体地，涡轮驱动轴22必须能够传递合适的扭矩负载，并且涡轮驱动轴22的几何结构和尺寸特性必须允许它的一些部分配合在齿轮箱30中并与RAT 10的其他部件接合。例如，涡轮驱动轴22应当能够与现有的毂26联系并与锁定机构28联系。由于涡轮组件12在操作期间经受多种力，可能对涡轮驱动轴22施加弯矩。已经发现，涡轮驱动轴22在图3所示的进出纸面方向上的侧向力矩可导致小齿轮34和环齿轮38之间的移位，这引起了穿过传动系18的扭矩脉动。扭矩脉动是扭矩传递随着时间而出现的增大和减小。RAT的谐波响应特性可通过RAT支柱的扭曲而导致涡轮驱动轴的放大的侧向运动。通过增大涡轮驱动轴22的侧向刚性，可将这些大的放大移出RAT的操作范围，从而可降低扭矩脉动。本文使用的任何相对性术语或程度术语，例如“基本上”、“约”、“大约”、“实质上”、“通常”等，应当根据本文明示的任何可应用定义或限制来进行解释并且服从该可应用定义或限制。在所有情形中，本文使用的任何相对性术语或程度术语应当被解释为广泛地涵盖任何相关的公开实施例以及本领域普通技术人员在考虑了本公开的全部内容后将会理解的范围或变化，例如涵盖普通的制造公差变化等。虽然已经参照(一个或多个)示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员将会理解，在不偏离本发明范围的情况下可作出各种变化并且可用等同物来替代其元件。另外，在不偏离本发明实质范围的情况下，可在本发明的教导下进行许多修改以适应具体情形或者材料。因此所意图的是，本发明不限于所公开的(一个或多个)具体实施例，而是本发明将会包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种用于飞机冲压空气涡轮的驱动轴，所述驱动轴包括 管状主体，所述管状主体限定旋转轴线并且包括前部分和位于所述前部分后面的截头圆锥形部分；和 法兰，所述法兰邻接所述管状主体的前部分与所述截头圆锥形部分相对，所述法兰具有前表面和相对的后表面， 其中，所述管状主体的前部分的外直径与所述管状主体的前部分的内直径的比率在约I. 423到I. 425的范围内。
2.如权利要求I所述的驱动轴，进一步包括 毂导孔，所述毂导孔位于所述法兰的前表面附近，其中，所述管状主体的前部分的外直径与所述毂导孔直径的比率在约I. 359到I. 380的范围内。
3.如权利要求I所述的驱动轴，其中，所述管状主体沿轴向方向测量的长度约为22. 715 cm (8. 943 英寸)。
4.如权利要求I所述的驱动轴，其中，所述截头圆锥形部分相对于所述轴线布置成约14°。
5.如权利要求I所述的驱动轴，其中，所述法兰的前表面相对于所述轴线布置成约2°，并且其中，所述法兰的后表面相对于所述轴线布置成约9°。
6.如权利要求I所述的驱动轴，进一步包括 毂导孔，所述毂导孔位于所述法兰的前表面附近，其中，所述毂导孔具有约18.001 cm(7. 090英寸)的直径，其中，所述管状主体沿轴向方向测量的长度约为22. 715 cm(8. 943英寸)，其中，所述截头圆锥形部分相对于所述轴线布置成约14°，其中，所述法兰的前表面相对于所述轴线布置成约2°，并且其中，所述法兰的后表面相对于所述轴线布置成约9°。
7.一种用于飞机冲压空气涡轮的驱动轴，所述驱动轴包括 管状主体，所述管状主体限定旋转轴线并且包括前部分和位于所述前部分后面的截头圆锥形部分；和 法兰，所述法兰邻接所述管状主体的前部分与所述截头圆锥形部分相对，所述法兰具有前表面和相对的后表面， 其中，所述截头圆锥形部分相对于所述轴线布置成约14°，并且 其中，所述法兰的后表面相对于所述轴线布置成约9°。
8.如权利要求7所述的驱动轴，其中，所述法兰的前表面相对于所述轴线布置成约2° o
9.如权利要求7所述的驱动轴，其中，所述管状主体的前部分的外直径约为7.117 cm(2. 802英寸)，并且所述管状主体的前部分的内直径约为4.994 cm (I. 966英寸)。
10.如权利要求7所述的驱动轴，进一步包括 毂导孔，所述毂导孔位于所述法兰的前表面附近，其中，所述毂导孔具有约18.001 cm(7. 090英寸)的直径。
11.如权利要求7所述的驱动轴，其中，所述管状主体沿轴向方向测量的长度约为22. 715 cm (8. 943 英寸)。
12.如权利要求7所述的驱动轴，其中，所述截头圆锥形部分相对于所述轴线布置成约 14°。
13.如权利要求7所述的驱动轴，进一步包括 毂导孔，所述毂导孔位于所述法兰的前表面附近，其中，所述毂导孔具有约18.001 cm(7. 090英寸)的直径，其中，所述管状主体沿轴向方向测量的长度约为22. 715 cm(8. 943英寸)，其中，所述截头圆锥形部分 相对于所述轴线布置成约14°，其中，所述法兰的前表面相对于所述轴线布置成约2°，其中，所述管状主体的前部分的外直径约为7. 117 cm (2.802英寸),并且其中，所述管状主体的前部分的内直径约为4. 994 cm (I. 966英寸)。
14.一种用于飞机的冲压空气涡轮组件，所述组件包括 具有可旋转毂的涡轮子组件； 定位在所述毂附近的齿轮箱； 定位在所述齿轮箱附近的支柱，其中，所述支柱支撑所述齿轮箱； 动力转换装置；和 可操作地连接在所述涡轮子组件和所述动力转换装置之间的传动系，所述传动系具有涡轮驱动轴，所述涡轮驱动轴附接到所述毂并且至少部分地位于所述齿轮箱中，所述涡轮驱动轴包括 管状主体，所述管状主体限定旋转轴线并且包括前部分和位于所述前部分后面的截头圆锥形部分；和 法兰，所述法兰邻接所述管状主体的前部分与所述截头圆锥形部分相对，所述法兰具有前表面和相对的后表面， 其中，所述管状主体的前部分的外直径与所述管状主体的前部分的内直径的比率在约I. 423到I. 425的范围内。
15.一种在飞机冲压空气涡轮中安装驱动轴的方法，所述方法包括 提供驱动轴，所述驱动轴具有管状主体，所述管状主体包括前部分和位于所述前部分后面的截头圆锥形部分；和法兰，所述法兰邻接所述管状主体的前部分与所述截头圆锥形部分相对，所述法兰具有前表面和相对的后表面，其中，所述管状主体的前部分的外直径与所述管状主体的前部分的内直径的比率在约I. 423到I. 425的范围内； 将所述驱动轴至少部分地定位在齿轮箱中；以及 将所述驱动轴操作性地接合在传动系中，所述传动系在涡轮和动力转换装置之间延伸。
全文摘要
本发明涉及用于冲压空气涡轮的涡轮驱动轴。具体地，一种用于飞机冲压空气涡轮的驱动轴包括管状主体和法兰。所述管状主体限定旋转轴线并且包括前部分和位于所述前部分后面的截头圆锥形部分。所述法兰邻接所述管状主体的前部分与所述截头圆锥形部分相对，并且具有前表面和相对的后表面。所述管状主体的前部分的外直径与所述管状主体的前部分的内直径的比率在约1.423到1.425的范围内。
文档编号F01D15/12GK102748369SQ20121011570
公开日2012年10月24日 申请日期2012年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者D.L.凯普, P.H.费尔斯特拉特, S.M.博尔托利, V.科尔查金 申请人:哈米尔顿森德斯特兰德公司