本发明的领域大体上涉及用于管理齿轮箱中的负载的系统和方法，并且更确切地说，涉及用于管理具有轴颈(journal)或流体膜轴承的行星齿轮上的夹紧(pinch)负载的设备和方法。
背景技术：
飞机发动机通常包括风扇、低压压缩机和通过低压轴以串联配置旋转连接的低压涡轮。低压轴以旋转方式连接到低压涡轮和动力齿轮箱。动力齿轮箱包括多个齿轮，且以旋转方式连接到低压风扇和低压压缩机。齿轮包括围绕轴颈轴承或流体膜轴承的齿轮缘。轴颈轴承包括由流体膜围绕的销。流体膜允许齿轮缘环绕静止销旋转。飞机发动机可在低压轴上产生相当大的扭转负载。低压轴上的扭转负载可对动力齿轮箱内的齿轮施加扭转力。另外，通过行星齿轮传递的这些扭转负载可能会对齿轮内的轴颈轴承施加不均匀分布的负载。这些不均匀分布的负载导致销与齿轮缘夹紧，这会诱发齿轮缘与销之间的较高接触应力，并且降低轴颈轴承以及动力齿轮箱的可靠性。
技术实现要素：
一方面，一种行星齿轮包括销和环状行星齿轮缘。销具有销半径。销包括销外表面。环状行星齿轮缘具有内半径和外半径。环状行星齿轮缘包括内表面和外表面。内表面和销外表面限定其间的间隙。当将径向力施加到行星齿轮时，间隙大于0。
另一方面，一种齿轮总成包括太阳齿轮和环形齿轮。齿轮总成还包括连接到环形齿轮和太阳齿轮的多个行星齿轮。多个行星齿轮中的每个行星齿轮包括销和环状行星齿轮缘。销具有销半径。销包括销外表面。环状行星齿轮缘具有内半径和外半径。环状行星齿轮缘包括内表面和外表面。内表面和销外表面限定其间的间隙。当将径向力施加到行星齿轮时，间隙大于0。
在又一方面，提供一种制造行星齿轮的方法。行星齿轮包括包围轴承销的行星齿轮缘。行星齿轮具有内半径、外半径、厚度、杨氏弹性模量、弯曲应力中性轴半径和宽度。轴承销具有轴承销半径。内半径和轴承销半径限定其间的间隙。当将径向力施加到行星齿轮时，内半径和轴承销半径进一步限定其间的间隙的变化。所述方法包括确定被施加到行星齿轮的径向力。所述方法还包括基于径向力而确定弯曲应力中性轴半径、厚度、杨氏弹性模量和宽度。所述方法进一步包括基于弯曲应力中性轴半径、厚度、杨氏弹性模量和宽度而确定间隙，所述弯曲应力中性轴半径、厚度、杨氏弹性模量和宽度是基于径向力。所述方法还包括基于间隙而确定轴承销半径。所述方法进一步包括基于弯曲应力中性轴半径、径向力、厚度、宽度、间隙和杨氏弹性模量而确定间隙变化和齿轮夹紧比。所述方法还包括基于齿轮夹紧比而制造行星齿轮。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，在所有图中相同的标记表示相同的部件，在附图中：
图1是示范性燃气涡轮发动机的示意图；
图2是可与图1中所示的燃气涡轮发动机一起使用的示范性周转齿轮系的示意图；
图3是图2中所示的周转齿轮系的部分剖视示意图；
图4是图3中所示的具有致使行星齿轮缘偏转的合成切向力和径向力的行星齿轮的示意图；并且
图5是制造图4中所示的行星齿轮的方法的流程图。
除非另外指明，否则本文中所提供的附图意图说明本发明的实施例的特征。这些特征被认为适用于包括本发明的一个或多个实施例的广泛多种系统。因此，附图并不希望包括实践本文中所公开的实施例所需的所属领域的技术人员已知的所有常规特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求书中，将引用若干术语，所述术语应定义为具有以下含义。
除非上下文明确地另外指明，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数指代物。
“任选的”或“任选地”表示随后描述的事件或情形可以发生或可以不发生，并且所述描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。
如本文在整个说明书和权利要求书中所使用的估计性措辞可适用于修饰任何数量表示，所述数量表示可以在不引起其相关的基本功能的改变的情况下以可允许的方式变化。因此，由例如“约”、“大约”和“基本上”的术语修饰的值不限于所指定的确切值。在至少一些情况下，估计性措辞可对应于用于测量所述值的仪器的精度。在此处以及说明书和权利要求书通篇中，除非上下文或语言另外指示，否则范围极限可组合且/或互换，此类范围被识别且包括其中所含的所有子范围。
本文中所描述的齿轮的实施例管理例如飞机发动机的涡轮机中的动力齿轮箱中的合成切向和径向负载。行星齿轮包括包围轴颈或流体膜轴承的行星齿轮缘。轴颈或流体膜轴承包括由行星齿轮缘包围的销和设置在销与行星齿轮缘之间的流体。销与行星齿轮缘之间的距离被定义为间隙。行星齿轮缘绕轴颈或流体膜轴承旋转。多个齿轮齿绕行星齿轮缘的外径向表面周向地设置。太阳齿轮和低压动力轴被配置成通过绕太阳齿轮的径向外周界周向地间隔开的多个互补轮齿使行星齿轮旋转。低压动力轴对太阳齿轮施加扭转力，太阳齿轮通过利用相等且相反的力而平衡的行星齿轮对环形齿轮施加力并且通过销产生反作用力。行星齿轮缘归因于扭转力而偏转和变形。本文中所描述的行星齿轮已协作地设计成具有轴颈或流体膜轴承，使得当对行星齿轮施加扭转负载时，间隙不为零。间隙维持大于零改进了负载能力，减少了热量产生，并且增大了行星齿轮和动力齿轮箱的可靠性。此外，本文中所描述的行星齿轮通过减少行星齿轮中的材料量而减小了飞机的重量。
图1是根据本发明的示范性实施例的燃气涡轮发动机110的示意性横截面图。在示范性实施例中，燃气涡轮发动机110是高旁路涡扇喷气发动机110，其在本文中被称作“涡扇发动机110”。如图1中所示，涡扇发动机110限定轴向方向a(平行于纵向中心线112延伸，纵向中心线112是出于参考目的而提供)和径向方向r。一般来说，涡扇发动机110包括风扇区段114和设置在风扇区段114下游的核心涡轮发动机116。
所描绘的示范性核心涡轮发动机116大体上包括基本上管状的外部壳体118，所述外部壳体118限定环状入口120。外部壳体118包住呈串流关系的：压缩机区段123，其包括增压机或低压(lp)压缩机122和高压(hp)压缩机124；燃烧区段126；涡轮区段，其包括高压(hp)涡轮128和低压(lp)涡轮130；以及喷气排气喷嘴区段132。高压(hp)轴或转轴134以驱动方式将hp涡轮128连接到hp压缩机124。低压(lp)轴或转轴136以驱动方式将lp涡轮130连接到lp压缩机122。压缩机区段123、燃烧区段126、涡轮区段和喷嘴区段132一起限定核心空气流动路径137。
对于所描绘的实施例，风扇区段114包括可变桨距风扇138，所述可变桨距风扇138具有以间隔开的方式连接到圆盘142的多个风扇叶片140。如所描绘，风扇叶片140大体上沿径向方向r从圆盘142向外延伸。每个风扇叶片140可借助于风扇叶片140以操作方式连接到合适的变距机构144而绕桨距轴线p相对于圆盘142旋转，所述变距机构144被配置成联合地共同变化风扇叶片140的桨距。风扇叶片140、圆盘142和变距机构144一起可通过lp轴136横越动力齿轮箱146绕纵向轴线112而旋转。动力齿轮箱146包括多个齿轮，以用于将风扇138相对于lp轴136的旋转速度调整成更高效的旋转风扇速度。在替代实施例中，风扇叶片140是固定浆距风扇叶片而非可变桨距风扇叶片。
而且，在示范性实施例中，圆盘142由可旋转的前毂148覆盖，所述前毂148被设计成空气动力学轮廓以促进空气流穿过多个风扇叶片140。另外，示范性风扇区段114包括环状风扇壳体或外部舱体150，所述环状风扇壳体或外部舱体150周向地围绕风扇138和/或核心涡轮发动机116的至少一部分。舱体150被配置成由多个周向地间隔开的出口导流板152相对于核心涡轮发动机116支撑。舱体150的下游区段154在核心涡轮发动机116的外部部分上方延伸以便在其间限定旁路空气流通道156。
在涡扇发动机110的操作期间，一定体积的空气158穿过舱体150和/或风扇区段114的相关联入口160进入涡扇发动机110。当所述体积的空气158经过风扇叶片140时，由箭头162指示的空气158的第一部分被导向或导引到旁路空气流通道156中，且由箭头164指示的空气158的第二部分被导向或导引到核心空气流动路径137中，或更具体地说导向或导引到lp压缩机122中。空气的第一部分162与空气的第二部分164之间的比通常称为旁路比。在空气的第二部分164被导引通过hp压缩机124且进入燃烧区段126时，所述第二部分164的压力接着增大，在燃烧区段126处，空气与燃料混合且燃烧以提供燃烧气体166。
燃烧气体166被导引通过hp涡轮128，在hp涡轮128处，来自燃烧气体166的热能和/或动能的一部分经由连接到外部壳体118的hp涡轮静叶168和连接到hp轴或转轴134的hp涡轮转子叶片170的依序级被抽取，由此导致hp轴或转轴134旋转，从而支持hp压缩机124的操作。燃烧气体166接着被导引通过lp涡轮130，在lp涡轮130处，经由连接到外部壳体118的lp涡轮静叶172和连接到lp轴或转轴136的lp涡轮转子叶片174的依序级从燃烧气体166抽取热能和动能的第二部分，由此导致lp轴或转轴136旋转，这导致动力齿轮箱146使lp压缩机122旋转和/或风扇138的旋转。
燃烧气体166随后被导引通过核心涡轮发动机116的喷气排气喷嘴区段132以提供推进力。同时，当空气的第一部分162在从涡扇发动机110的风扇喷嘴排气区段176排出之前被导引通过旁路空气流通道156时，空气的第一部分162的压力显著增大，从而也提供推进力。hp涡轮128、lp涡轮130和喷气排气喷嘴区段132至少部分地限定热气体路径178，以用于将燃烧气体166导引通过核心涡轮发动机116。
图1中仅以举例方式描绘了示范性涡扇发动机110，且在其它实施例中，涡扇发动机110可具有任何其它合适的配置。还应了解，在其它实施例中，本发明的各方面可并入到任何其它合适的燃气涡轮发动机中。举例来说，在其它实施例中，本发明的各方面可并入到例如涡轮螺旋桨发动机中。
图2是周转(epicyclic)齿轮系200的示意图。在示范性实施例中，周转齿轮系200是行星齿轮系。在一个实施例中，周转齿轮系200容纳于动力齿轮箱146(展示在图1中)内。在其它实施例中，周转齿轮系200定位成邻近于动力齿轮箱146，并且以机械方式连接到动力齿轮箱146。
周转齿轮系200包括太阳齿轮202、多个行星齿轮204、环形齿轮206和托架208。在替代实施例中，周转齿轮系200不限于三个行星齿轮204。实际上，可使用实现如本文中所描述的周转齿轮系200的操作的任何数目个行星齿轮。在一些实施例中，lp轴或转轴136(展示在图1中)固定地连接到太阳齿轮202。太阳齿轮202被配置成通过分别绕太阳齿轮202的径向外周界和行星齿轮204的径向外周界周向地间隔开的多个互补太阳齿轮齿210和多个互补行星齿轮齿212来啮合行星齿轮204。使用托架208将行星齿轮204维持处于相对于彼此的位置中。行星齿轮204固定地连接到动力齿轮箱146。行星齿轮204被配置成通过分别绕环形齿轮206的径向内周界和行星齿轮204的径向外周界周向地间隔开的多个互补环形齿轮齿214和互补行星齿轮齿212来啮合环形齿轮206。环形齿轮206以旋转方式连接到风扇叶片140(展示在图1中)、圆盘142(展示在图1中)和从环形齿轮206轴向延伸的变距机构144(展示在图1中)。lp涡轮130使lp压缩机122以恒定速度和扭矩比旋转，所述扭矩比是由环形齿轮齿214、行星齿轮齿212和太阳齿轮齿210的功能以及如何约束动力齿轮箱146来确定。
周转齿轮系200可以三种配置来配置：行星、星形(star)和恒星(solar)。在行星配置中，环形齿轮206保持静止，而太阳齿轮202、行星齿轮204和托架208旋转。lp轴或转轴136驱动太阳齿轮202，所述太阳齿轮202被配置成使行星齿轮204旋转，所述行星齿轮204被配置成使托架208旋转。托架208驱动风扇叶片140、圆盘142和变距机构144。太阳齿轮202和托架208在相同方向上旋转。
在星形配置中，托架208保持静止，而太阳齿轮202和环形齿轮206旋转。lp轴或转轴136驱动太阳齿轮202，所述太阳齿轮202被配置成使行星齿轮204旋转。行星齿轮204被配置成使环形齿轮206旋转，并且托架208固定地连接到动力齿轮箱146。托架208维持行星齿轮204的定位，同时允许行星齿轮204旋转。环形齿轮206以旋转方式连接到风扇叶片140、圆盘142和变距机构144。太阳齿轮202和环形齿轮206在相反方向上旋转。
在恒星配置中，太阳齿轮202保持静止，而行星齿轮204、环形齿轮206和托架208旋转。lp轴或转轴136可驱动环形齿轮206或托架208。当lp轴或转轴136连接到托架208时，行星齿轮204被配置成使驱动风扇叶片140、圆盘142和变距机构144的环形齿轮206旋转。环形齿轮206和托架208在相同方向上旋转。
在lp轴或转轴136连接到环形齿轮206的恒星配置中，环形齿轮206被配置成使行星齿轮204和托架208旋转。托架208驱动风扇叶片140、圆盘142和变距机构144。环形齿轮206和托架208在相同方向上旋转。
图3是呈星形配置的周转齿轮系200的部分示意图。行星齿轮204包括轴承销302、流体膜304和行星齿轮缘306。行星齿轮缘306包括行星齿轮弯曲应力中性轴半径308、外半径或齿根半径310、内半径312、直径313和厚度314。托架208(展示在图2中)连接到轴承销302。流体膜304环绕环形内轴承环302周向地设置。行星齿轮缘306包围流体膜304。多个轮齿(展示在图2中)绕外表面311周向地设置。行星齿轮弯曲应力中性轴半径308是在将弯曲力施加到行星齿轮204时，行星齿轮缘306内的应力和应变为零的情况下的半径。厚度314为外半径310与内半径312之间的径向距离。轴承销302包括轴承销半径316。行星齿轮204进一步包括间隙318，间隙318是轴承销半径316与内半径312之间的径向距离。行星齿轮204还包括在轴向方向a上延伸的宽度(图中未示)。
行星齿轮204包括从多种合金中选出的至少一种材料，所述合金包括但不限于ansim50(ams6490、ams6491和astma600)、m50nil(ams6278)、pyrowear675(ams5930)、pyrowear53(ams6308)、pyrowear675(ams5930)、ansi9310(ams6265),32cdv13(ams6481)、陶瓷(氮化硅)、ferriumc61(ams6517)和ferriumc64(ams6509)。另外，在一些实施例中，金属材料可被氮化以改进寿命和对粒子损坏的抗性。行星齿轮204包括促进如本文中所描述的行星齿轮204的操作的合金的任何组合和那些合金的任何百分比重量范围，包括但不限于m50nil(ams6278)、pyrowear675(ams5930)和ferriumc61(ams6517)的组合。行星齿轮204具有杨氏弹性模量，所述杨氏弹性模量取决于用以建构行星齿轮204的材料。杨氏弹性模量被定义为沿轴线的应力(每单位面积的力)与在胡克定律适用的应力范围内沿所述轴线的应变(初始长度上的变形的比)的比。
在操作期间，在示范性实施例中，lp动力轴136旋转，并且在如箭头320所指示的顺时针方向上将扭力施加到太阳齿轮202。太阳齿轮202又旋转，并且在如箭头322所指示的逆时针方向上将扭力施加到行星齿轮204。行星齿轮缘306环绕流体膜304和轴承销302旋转。行星齿轮204又旋转，并且在如箭头324所指示的逆时针方向上将扭力施加到环形齿轮206。
图4是具有导致行星齿轮缘306的变形400的合成(resultant)切向力和横向力的行星齿轮204(展示在图3中)的示意图。lp动力轴136的扭传递动致使太阳齿轮202(展示在图3中)和环形齿轮206(展示在图3中)对行星齿轮缘306施加齿轮齿力402的合成径向和横向分量。齿轮齿力402的合成径向和横向分量在量值上相等，并且表示从一侧上的太阳齿轮202和从另一侧上的环形齿轮206通过轮齿212(展示在图2中)的负载。
齿轮齿力402的合成径向和横向分量包括所得径向分量力404和合成切向分量力406。合成径向分量力404是齿轮齿力402的合成径向和横向分量中的相等且相反的相应径向分量。合成切向分量力406是齿轮接触力402的相等的相应切向分量。齿轮齿力402的合成径向和横向分量导致行星齿轮缘306的变形或弯曲400。行星齿轮缘306的变形或弯曲400是由下拉的合成切向分量力406和推入的合成径向分量力404两者所导致。行星齿轮缘306的变形或弯曲使行星齿轮缘306朝向轴承销302弯曲，使得内半径312减小成变形后的内半径408。另外，间隙318减小了间隙变化410，所述变化是内半径312与变形后的内半径408之间的径向距离。
当间隙318大于间隙变化410时，实现了增强的结果。也就是说，在行星齿轮缘306不变形或弯曲以使得在对行星齿轮缘306施加齿轮齿力402的合成径向和横向分量时行星齿轮缘306触碰或夹紧轴承销316的情况下，实现了增强的结果。由此，行星齿轮缘306被设计成维持间隙318大于间隙变化410。由此，行星齿轮缘306的齿轮夹紧比(展示在下式(1)中)被定义为间隙变化410与间隙318的比。对于间隙318，齿轮夹紧比必须小于1以保持大于间隙变化410。齿轮夹紧比被进一步定义为行星齿轮弯曲应力中性轴半径308、合成径向分量力404、厚度314、行星齿轮204的宽度、间隙318、间隙变化410和行星齿轮缘306的杨氏弹性模量的表达式。
用于产生齿轮夹紧比γ的表达式通过下式给出：
其中变量“r”被定义为行星齿轮弯曲应力中性轴半径308，变量“fr”被定义为合成径向分量力404，变量“t”被定义为厚度314，变量“w”被定义为行星齿轮204的宽度，变量“c”被定义为间隙318，变量“δc”被定义为间隙变化410，变量“e”被定义为杨氏弹性模量，并且变量“γ”被定义为齿轮夹紧比。通常，fr和r的值是基于燃气涡轮发动机110的要求。因此，为了制造行星齿轮204以使得γ小于1，可以使t、w、c和行星齿轮缘306的材料(构造的材料定义e)变化以调整γ。间隙比被定义为直径313上的间隙318。在示范性实施例中，间隙比包括在从每英寸直径313约0.0005英寸间隙318到每英寸直径313约0.003英寸间隙318的范围内并且包括每英寸直径313约0.0005英寸间隙318和每英寸直径313约0.003英寸间隙318的值。然而，间隙比包括使得行星齿轮缘306能够如本文中所描述而操作的任何值。在示范性实施例中，当γ包括小于或等于约1的值时，实现了增强的结果。在另一实施例中，γ包括在从约0.1到约0.9的范围内并且包括约0.1和约0.9的值。在另一实施例中，γ包括在从约0.25到约0.75的范围内并且包括约0.25和约0.75的值。
图5是制造行星齿轮204(展示在图2中)的方法500的流程图。方法500包括确定502被施加到行星齿轮204的合成径向分量力404(展示在图4中)。方法500还包括基于合成径向分量力404(展示在图4中)而确定504行星齿轮弯曲应力中性轴半径308(展示在图3中)、厚度314(展示在图3中)、行星齿轮缘306的杨氏弹性模量(展示在图3中)和行星齿轮204的宽度。方法500进一步包括基于初始值或步骤508的结果而确定506间隙318(展示在图3中)。方法500还包括基于间隙318而确定508轴承销半径316(展示在图3中)。方法500进一步包括使用等式(1)基于行星齿轮弯曲应力中性轴半径308(展示在图3中)、合成径向分量力404、厚度314、行星齿轮204的宽度、间隙318和行星齿轮缘306的杨氏弹性模量而确定510间隙变化410(展示在图4中)和齿轮夹紧比。如果齿轮夹紧比大于1或超出预定值范围，那么基于步骤510的结果而在步骤506中确定新的间隙318。如果齿轮夹紧比小于1或在预定值范围内，那么基于齿轮夹紧比而制造512行星齿轮204。
上文所描述的行星齿轮提供用于管理涡轮机中的扭转力的高效方法。具体来说，行星齿轮包括包围轴颈或流体膜轴承的行星齿轮缘。轴颈或流体膜轴承包括由行星齿轮缘包围的销和设置在销与行星齿轮缘之间的流体。销与行星齿轮缘之间的距离被定义为间隙。行星齿轮缘绕轴颈或流体膜轴承旋转。多个齿轮齿绕行星齿轮缘的外径向表面周向地设置。太阳齿轮和低压动力轴被配置成通过绕太阳齿轮的径向外周界周向地间隔开的多个互补轮齿使行星齿轮旋转。低压动力轴对太阳齿轮施加扭转力，太阳齿轮通过利用相等且相反的力而平衡的行星齿轮对环形齿轮施加力并且通过滚动元件和销产生反作用力。行星齿轮缘归因于扭转力而偏转和变形。本文中所描述的行星齿轮已协作地设计成具有轴颈或流体膜轴承，以在对行星齿轮施加扭转负载时维持间隙大于零。维持间隙大于零改进了负载能力，减少了热量产生，并且增大了行星齿轮和动力齿轮箱的可靠性。此外，本文中所描述的行星齿轮通过减少行星齿轮中的材料量而减小了飞机的重量。
本文中所描述的方法、系统和设备的示范性技术效果包括以下各种效果中的至少一种：(a)减小行星齿轮缘上的应力和应变；(b)维持销与行星齿轮缘之间的间隙大于零；(c)增大行星齿轮轴承的可靠性；以及(d)减小飞机发动机的重量。
上文详细描述了行星齿轮的示范性实施例。行星齿轮和操作此类单元和装置的方法不限于本文中所描述的具体实施例，相反，系统的组件和/或方法的步骤可相对于本文中所描述的其它组件和/或步骤独立地和单独地利用。举例来说，所述方法也可结合用于管理涡轮机中的扭转力的其它系统来使用，且不限于仅用本文中所描述的系统和方法来实践。相反，示范性实施例可结合需要行星齿轮的许多其它机械应用来实施和利用。
尽管可能在一些附图中展示本发明的各种实施例的具体特征而在其它附图中未示出，但这仅是为方便起见。根据本发明的原理，可结合任何其它附图的任何特征来引用和/或要求保护附图的任何特征。
本书面描述使用实例来描述包括最佳模式的本发明，且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书限定，并且可包括所属领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，那么此类其它实例希望在所附权利要求的范围内。