一种轴内远端花键副润滑结构的设计与分析

2021-05-18陈金张川

中国设备工程 2021年9期

陈金，张川

(中国航发湖南动力机械研究所、直升机传动技术重点实验室，湖南株洲 412002）

直升机传动系统的主要作用是将发动机的动力经过一定的减速和转向传递至旋翼系统。在动力传递过程中，传动系统结构之间常发生纯扭矩的传递。花键连接为多齿工作，具有结构紧凑、易于安装、承载能力高、对中性和导向性较好、应力集中较小、对轴与毂强度削弱小等优点。因此，花键广泛用于直升机传动系统中传递扭矩和定心精度要求较高的连接结构。据美国海军学院的H.W.Brown统计，美国舰载攻击机“天鹰”A4全身共有174处使用花键连接。

花键连接结构简单，对空间要求较小，常常用于空间狭小的结构中。这种结构优点反而导致了其不可接近性，增加了花键副的检修和更换成本。因此，花键副的可靠性和寿命往往要求较高。花键的失效主要来源于材料、不对中、振动、表面不洁净或润滑不足导致的各种磨损或者疲劳引起的断裂。其中，润滑不足导致的各种磨损在花键失效中占据较高的比例。花键副的润滑主要分为脂润滑和油润滑两种方式，其中脂润滑方式对结构的要求比较简单，但是，该种润滑方式存在缺点：（1）无法对花键副在工作中产生的热量进行冷却；（2）润滑脂的性能受工作温度影响较大，保持性和连续性不佳；（3）无法将工作过程中产生的磨粒及时排出，在花键副表面造成磨粒磨损。油润滑则除了满足润滑花键副的基本要求外，还起到了对花键副进行降温冷却和排出磨粒的作用，有效阻止了花键副的进一步磨损。然而，油润滑方式对结构要求较高，需要设计润滑油路。对于轴内远离润滑油池的远端花键副，其油润滑结构的设计则更复杂。本文以某型号减速器的花键副油润滑结构为例，提供一种可以对轴内远端花键副进行油润滑的润滑结构设计思路，为同类设计提供参考。

1 润滑结构设计

某减速器主要作用为将传动轴动力经过减速、转向传递至尾桨旋翼系统。该减速器通过法兰盘上的外花键与主动齿轮轴内的内花键连接，将传动轴的扭矩传递至减速器。花键副位于轴内，远离减速器润滑油池。其油润滑结构主要包括输入法兰、O型密封圈、堵头、集油筒、主动锥齿轮、从动锥齿轮、输出轴，结构示意图见图1。

图1 润滑结构示意图

2 润滑原理分析

输出轴在集油筒正对处沿圆周均布8处小叶片，集油筒为内锥形面，在轴内远端均布4处导油孔。集油筒通过堵头与输入法兰的过盈配合和自身的法兰边实现轴向定位。输入法兰圆周均布2处导油孔，与集油筒的导油孔正对。主动锥齿轮与输入法兰配合段圆周均布4处回油槽。

润滑油路见图2。图中红色箭头为润滑油流动路径，输出轴顺时针高速旋转，通过周向均布的叶片将油池中的润滑油甩至集油筒内；集油筒内孔为圆锥形，利用轴旋转产生的离心力将润滑油输送至集油筒左端；积聚在集油筒左端的润滑油通过集油筒周向均布的小孔和输入法兰周与输入轴配合的花键副处，润滑花键副，再经输入法兰与输入轴右侧配合段的周向均布的回油槽流回油池，同时起到将磨损产生的磨粒带走的作用。

图2 润滑油路

润滑油路的关键之处在于两点：其一是利用输出轴上均布的小叶片将油池的滑油甩至集油筒；其二是利用集油筒高速旋转和其内锥面将滑油克服重力引流至轴内远端。滑油能否克服重力向上流动，与集油筒旋转速度、集油筒内锥面锥角和输入轴线与水平面的角度有关。滑油在锥形集油筒内由于黏附力的作用随集油筒高速旋转，旋转过程中滑油受到垂直于内锥形壁方向的作用力，其垂直于轴线方向的分力F1用于克服滑油旋转产生的离心力，沿着轴线方向的分力F2，只要大于滑油重力在轴线方向的分力G1，即F1＞G1，则滑油获得沿轴线向里运动的动力。

3 产品试验验证

该型减速器在台架上进行了润滑试验，用于验证减速器润滑系统设计的功能是否满足要求。经过约37分钟的运转试验，滑油温度稳定在64℃左右（图3）。润滑试验结束后的分解检查证明，该处花键副有明显的滑油痕迹，花键副能够得到较充分的润滑，润滑结构的润滑功能得到了验证。该型减速器在台架上进行了800小时的翻修间隔期试验，试验后的分解检查结果证明，该处花键副未见明显的磨损痕迹，花键副寿命得到验证。