具优化成使行星齿轮系统继续运行的失效模式的行星齿轮的制作方法

在行星齿轮系统中，行星齿轮或小齿轮通常设计成由于齿轮齿破裂而失效。在行星齿轮齿从行星齿轮脱落的情况下，当破裂齿残余部分陷入行星齿轮与太阳齿轮之间和/或行星齿轮与齿圈之间时，行星齿轮系统会经历灾难性失效。这种失效模式会导致行星齿或小齿轮齿由于与太阳齿轮或齿圈的配合齿的干涉而灾难性地锁住。行星齿轮系统在一些应用中的灾难性故障可能是非常不便的，而在飞行器的推进系统、比如但不限于直升机的推进系统中，这种失效会导致致命的碰撞和/或对飞行器造成重大损害。尽管存在这些问题，但是一些研究仍然支持推行将行星齿轮齿破裂作为行星齿轮的优选、主要和期望的失效模式。

附图说明

图1是根据本公开的实施方式的行星齿轮系统的正交俯视图。

图2是常规行星齿轮的剖视图。

图3是本公开的行星齿轮的剖视图。

图4是将行星齿轮系统优化成在行星齿轮失效后继续运行的方法的流程图。

图5是将行星齿轮系统优化成在行星齿轮失效后继续运行的另一方法的流程图。

图6是将行星齿轮优化成轮缘破裂而不是齿破裂的方法的流程图。

具体实施方式

在本说明书中，在描述附图中的装置时，可以参考各个部件之间的空间关系以及部件的各个方面的空间取向。然而，如本领域技术人员在完整阅读本公开内容之后将会认识到的，本文所描述的设备、构件、装置等可以以任何期望的取向来定位。因此，由于本文中所描述的装置可以以任何期望的方向定向，因此使用比如“在……上方”、“在……下方”、“上”、“下”的术语或其他类似术语来描述各个部件之间的空间关系或者描述这些部件的各方面的空间取向应当分别被理解成描述这些部件之间的相对关系或这些部件的各方面的空间取向。

现在参照图1，示出了本公开的行星齿轮系统100。行星齿轮系统100包括太阳齿轮102、齿圈104以及四个行星齿轮106(或小齿轮)。四个行星齿轮106由行星架108承载。更具体地，行星齿轮106使用滚子轴承112以可旋转的方式安装至行星架108的柱110。尽管行星齿轮系统100可以通过限制太阳齿轮102、齿圈104和行星架108中的任一者的角度旋转以多种方式驱动，但是行星齿轮系统100的运行在本文中出于说明的目的被描述为允许太阳齿轮102和行星架108绕安装有太阳齿轮102的轴116的中心轴线114的角度旋转。最通常地，在防止行星架108绕中心轴线114旋转的情况下，轴116和相关联的太阳齿轮102的顺时针旋转导致行星齿轮106的逆时针旋转和行星架108的顺时针旋转。在一个实施方式中，太阳齿轮102、齿圈104和行星齿轮106中的每一者形成为渐开线齿轮，使得当在正常运行条件下运行并且没有任何齿轮失效时，两个齿轮齿之间的接触沿着单一作用线(或压力线或接触线)产生。尽管常规的行星齿轮系统设计成优选地将齿从行星齿轮脱落作为主要失效模式，但是行星齿轮系统100设计成允许行星齿轮106的轮缘118中的破裂122。轮缘118可以最通常地被描述为包括行星齿轮106的从行星齿轮106的齿根圆(包括齿根直径)以径向向内(朝向相关联的柱110)的方式存在的材料。更通常地，轮缘118包括行星齿轮106的承载行星齿轮齿120的材料。

仍然参照图1，行星齿轮系统100被示出为具有破裂122(或贯通开裂)。当行星齿轮系统100如关于图1所描述的那样运行时，破裂122绕相关联的柱110逆时针旋转。当破裂122已经通过太阳齿轮102的齿的啮合处并且接近齿圈104时，破裂的轮缘118的端部处于压缩状态，使得破裂的行星齿轮106通常表现正常并且不会明显变形或变不圆。然而，当破裂122已经通过与齿圈104的齿的啮合处并且接近太阳齿轮102时，由太阳齿轮102和齿圈104施加至破裂的行星齿轮106的力倾向于将轮缘118的端部分开。由于分开的作用，轮缘118被迫变不圆，使得轮缘118的从破裂122至破裂的行星齿轮106与齿圈104之间的啮合处的部分变形并且可以相对于轮缘118的原始圆形形状部分弹性地展开和/或部分地变直。即使展开由于弯曲的至少部分弹性性质而可能仅是暂时的，但是展开可以改变行星齿轮106相对于齿圈104的啮合特性。具有相对较长的齿的高接触比行星齿轮系统可能经受破裂的行星齿轮106与齿圈104或太阳齿轮102之间的约束或齿干涉，而本公开的行星齿轮系统100设计成展开是预期的并且适应行星齿轮齿120和/或齿圈104的齿圈齿124和/或太阳齿轮齿125的尺寸和形状的。为了提供行星齿轮106的比如轮缘118破裂122而不是行星齿轮齿120脱落的失效模式，行星齿轮106有目的地设计和优化成更有可能由于与行星齿轮齿120断裂相对的轮缘118的破裂而失效。因此，至少部分地因为行星齿轮106不使行星齿轮齿120落入到行星齿轮系统100中，可以获得行星齿轮106和相关联的行星齿轮系统100的至少暂时良性的失效模式。

为行星齿轮系统100设置构造成确保可以以各种方式实现形成破裂122而不是行星齿轮齿120的破裂的上述行星齿轮106。现在参照图2，示出了常规行星齿轮200的剖视图。行星齿轮200通常设计成包括行星齿轮齿202破裂的主要失效模式。然而，如上所述，行星齿轮齿202的断裂件落入到行星齿轮系统的其余部分中所产生的潜在破坏性结果是非常不期望的。更具体地，在图2中示出的常规实施方式中，行星齿轮包括轮缘厚度204和行星齿轮齿202的深度206。在该实施方式中，行星齿轮200包括2.0的支持率(backupratio，由轮缘厚度204除以行星齿轮齿202的深度206计算)。在该实施方式中，行星齿轮200与滚子轴承208相关联，滚子轴承208具有11毫米的直径和11毫米的长度。滚子轴承208有助于使行星齿轮200绕行星架212的柱210旋转。

现在参照图3，示出了根据本公开的行星齿轮106的剖视图。行星齿轮106基本上类似于行星齿轮200，然而，行星齿轮106已被优化成引起轮缘118开裂和/或破裂而不是行星齿轮106齿120破裂。更具体地，通过使行星齿轮106的支持率相对于常规行星齿轮200的支持率减小，行星齿轮106已经相对于常规行星齿轮200被优化。在该实施方式中，行星齿轮的支持率是1.65(由轮缘厚度119除以行星齿轮106的齿120的深度121计算)。轮缘118的厚度的减小除了防止齿120破裂或至少降低在形成破裂122之前齿120破裂的概率之外，还可以在不增大行星齿轮的总直径的情况下为更大的轴承112提供机会。换句话说，通过使轮缘118变薄并且基本上保持其他行星齿轮系统100的尺寸恒定(但是除了轴承112的尺寸之外)，图3表明常规行星齿轮可以优化成同时引起轮缘开裂和/或破裂而不是行星齿轮齿破裂。在该实施方式中，该优化(减小的轮缘118的厚度119)允许具有13毫米直径和13毫米长度的相对较大的滚子轴承112。在一些替代性实施方式中，行星齿轮可以通过将轮缘厚度设置成等于齿深度的约0.5倍至约1.2倍以使得大部分的齿根开裂通过轮缘118传播以形成破裂122来优化。在替代性实施方式中，行星齿轮可以通过在保持现有轮缘厚度的同时使支持率随着齿深度的增大而减小来优化成引起轮缘开裂。更进一步地，在其他实施方式中，行星齿轮可以被优化成通过同时增大齿深度和减小轮缘厚度来引起轮缘开裂。

现在参照图4，示出了将行星齿轮系统优化成在行星齿轮失效后继续运行的方法400的流程图。该方法400可以通过提供行星齿轮系统而开始于块402。在一些情况下，提供行星齿轮系统可以包括提供初始常规设计的行星齿轮系统，该初始常规设计的行星齿轮系统包括设计成通过齿破裂而失效的行星齿轮。方法400可以通过减小行星齿轮的轮缘厚度来减小行星齿轮的支持率而在块404处继续。在一些情况下，常规行星齿轮可以由包括期望的减小的支持率的行星齿轮取代，而在其他情况下，可以对现有的常规行星齿轮进行加工以减小行星齿轮轮缘的厚度。在现有行星齿轮系统设计待被优化的情况下，可能有利的是，增大轴承的尺寸以占据由行星齿轮轮缘厚度的减小所产生的空间。因此，方法400可以通过使轴承的直径增大等于或小于在块404处完成的行星齿轮轮缘厚度的减小量而在块406处继续。在一些情况下，方法400可以通过运行行星齿轮系统、在块404的行星齿轮的轮缘中产生破裂、并且继续运行行星齿轮系统而在块408处继续。在一些情况下，继续运行行星齿轮系统可以包括上述块404的行星齿轮的轮缘的至少部分展开。

现在参照图5，示出了将行星齿轮系统优化成在行星齿轮失效后继续运行的另一方法。该方法500可以通过提供行星齿轮系统而开始于块502。在一些情况下，提供行星齿轮系统可以包括提供初始常规设计的行星齿轮系统，该初始常规设计的行星齿轮系统包括设计成通过齿破裂而失效的行星齿轮。该方法500可以通过安装包括与和齿轮齿破裂失效模式的概率相比更高的轮缘破裂失效模式的概率相关联的支持率的行星齿轮而在块504处继续。在一些实施方式中，这可以包括安装轮缘厚度为行星齿轮的齿深度的约0.5倍至约1.2倍的行星齿轮。在一些情况下，方法500可以通过运行行星齿轮系统、在框504的行星齿轮的轮缘中产生破裂、并且继续运行行星齿轮系统而在框506处继续。在一些情况下，继续运行行星齿轮系统可以包括上述块504的行星齿轮的轮缘的至少部分展开。

现在参照图6，示出了设计优化成轮缘破裂失效模式的行星齿轮的方法600的流程图。方法600可以通过确立行星齿轮轮缘厚度的值或行星齿轮齿深度的值而开始于块602处。接下来，方法600可以通过根据块602处确立的值为行星齿轮轮缘厚度和行星齿轮齿深度中的另一未确立者确立值，以提供与和齿破裂失效模式的概率相比更高的轮缘破裂失效模式的概率相关联的支持率而在块604处继续。在一些实施方式中，该方法可以通过构造包括所确立的多个值的行星齿轮并将行星齿轮安装至行星齿轮系统而在块606处继续。

公开了至少一种实施方式，并且由本领域普通技术人员对实施方式和/或实施方式的特征进行的改变、组合和/或修改在本公开内容的范围内。通过对实施方式的特征进行组合、结合和/或省略而产生的替代性实施方式也在本公开的范围内。在明确指出数值范围或限制的情况下，这些明确的范围或限制应当被理解为包括落入明确指出的范围或限制内的同等量值的迭代范围或限制(例如，从约1至约10包括2、3、4等；大于0.10包括0.11、0.12、0.13等)。例如，每当公开了具有下限r1和上限ru的数值范围时，则具体公开了落入该范围内的任何数值。特别地，在该范围内的以下数值被明确公开：r＝r1+k*(ru-r1)，其中，k是1％至100％且增量为1％的变量，即k为1％、2％、3％、4％、5％、……、50％、51％、52％、……、95％、96％、97％、98％、99％或100％。此外，通过在如上述中限定的两个r数值限定的任何数值范围也被具体地公开。对于权利要求中的任何元件来说，术语“可选地”的使用意指：该元件是必需的，或者替代性地，该元件不是必需的，这两种替代方案均在该权利要求的范围内。比如包括、包含和具有之类的较宽泛的术语的使用应当被理解为对比如由……组成、基本上由……组成以及大致由……组成之类的较窄的术语提供支持。因此，保护范围不受上述描述的限制，而是由所附权利要求限定，该范围包括权利要求的主题的所有等同物。每个或每一项权利要求均作为进一步的公开内容并入说明书中，并且权利要求是本发明的实施方式。