經(jīng)常會(huì)想到飛機(jī)是否也像其他車輛一樣有齒輪？
是的，飛機(jī)確實(shí)有齒輪。齒輪通過改變或匹配發(fā)動(dòng)機(jī)速度與螺旋槳速度來幫助飛機(jī)螺旋槳高效運(yùn)行。
在本文中，將對(duì)飛機(jī)齒輪進(jìn)行徹底地排查，以了解它們?cè)陲w機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的作用。為了繪制路線圖，讓我們檢查一下我們擁有的變速箱類型。
在這里，“齒輪”和“齒輪箱”這兩個(gè)詞可以互換使用，因?yàn)辇X輪是變速箱的組成部分。
GE渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)中的變速箱
在飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)中可以找到不同類型的變速箱。這些變速箱具有特殊的用途。齒輪箱的類型可能包括附件、減速、驅(qū)動(dòng)、尾槳、輔助動(dòng)力裝置 (APU)、傳輸和角齒輪箱。，我們將只考慮兩種類型的變速箱。
1.附件齒輪箱
附件齒輪箱是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的齒輪箱，用于驅(qū)動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)或安裝它的飛機(jī)的運(yùn)行至關(guān)重要的附件。附件驅(qū)動(dòng)從連接飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪和壓氣機(jī)級(jí)的中心軸獲得動(dòng)力。
附件驅(qū)動(dòng)齒輪箱為飛機(jī)附件（燃油控制單元、起動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、潤(rùn)滑油泵、轉(zhuǎn)速計(jì)傳感器驅(qū)動(dòng)器和交流發(fā)電機(jī)）提供軸動(dòng)力。同時(shí)，附件變速箱和分動(dòng)變速箱的相似之處在于它們都是由高壓閥芯驅(qū)動(dòng)的，并且可以處理約500馬力的功率。
2.減速箱
減速齒輪總成，也稱為減速齒輪箱，由一組連接到動(dòng)力源的旋轉(zhuǎn)齒輪組成。減速齒輪箱中使用的齒輪數(shù)量取決于輸出速度要求。
為什么要使用減速箱？
在飛機(jī)上使用減速箱的目的怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。其部分功能列舉如下：
達(dá)到所需的比功率（每磅飛機(jī)重量的馬力數(shù)）。這是繼可靠性之后飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的第二重要特性。通過提高螺旋槳轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。在小排量發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)較高的螺旋槳速度。這些類型的發(fā)動(dòng)機(jī)通過以非常高的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)來產(chǎn)生更多的動(dòng)力。
每種齒輪類型都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。因此，齒輪的選擇取決于齒輪設(shè)計(jì)師想要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。偏置螺旋齒輪和直齒輪減速驅(qū)動(dòng)器一直用于傳動(dòng)比小于 7:2 的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。
多年來，直齒輪已通過在運(yùn)行無數(shù)小時(shí)的幾種流行的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛使用，而顯示出其可靠性。此外，許多增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的附件驅(qū)動(dòng)器都有直齒輪，特別是在增壓器驅(qū)動(dòng)單元的應(yīng)用中，其升壓比高達(dá) 12:1。這些相對(duì)較小的齒輪傳動(dòng)裝置可承載數(shù) 100 馬力的功率來驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，并承受若干加速負(fù)載。
除了在活塞發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中廣泛使用直齒輪外，它們還用于許多渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的螺旋槳減速裝置。然而，直齒輪的主要問題是能量密度問題。
與直齒輪相比，斜齒輪有兩個(gè)主要缺點(diǎn)。它們的效率較低（高螺旋角會(huì)導(dǎo)致過熱）。其次，斜齒輪不能完全消除軸向推力。然而，雙螺旋齒輪驅(qū)動(dòng)器為這個(gè)推力控制問題提供了答案。但是，由于其較小的齒面寬度，雙斜齒輪也存在低扭矩（功率）的問題。
一般來說，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)由于偶爾的過載和湍流引起的沖擊而產(chǎn)生非常不均勻的輸出。氣缸數(shù)量、曲軸幾何形狀和點(diǎn)火順序是滿足不均勻程度的重要考慮因素?；钊ㄒ卜Q為往復(fù)式）發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生搖擺力矩、水平、垂直和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。輸出的扭轉(zhuǎn)分量加載螺旋槳減速單元 (PSRU) 齒輪。
活塞發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的所有這些挑戰(zhàn)促使弗蘭克·惠特爾提出了一種激進(jìn)的新設(shè)計(jì)方法，開創(chuàng)了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)代。
從那以后，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)演變成渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，多年來它變得越來越大，以容納更大更好的風(fēng)扇。大多數(shù)現(xiàn)代飛機(jī)由噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。簡(jiǎn)而言之，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)將能量豐富的液體燃料轉(zhuǎn)化為推力。渦輪軸、渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是我們今天擁有的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)類型。
2016 年，歐洲最大的航空航天集團(tuán)空中客車公司推出了一款名為 A320neo 的新產(chǎn)品，配備了齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。齒輪傳動(dòng)渦輪風(fēng)扇使用行星減速齒輪箱，從而提高效率并減輕重量。然而，一些能量會(huì)在齒輪機(jī)構(gòu)中以熱量的形式損失掉。
其他類型的齒輪可能包括：
人字齒輪（類似于雙螺旋齒輪，只是它們沒有將兩個(gè)螺旋面分開的間隙）。錐齒輪（在以直角相交的軸之間傳輸動(dòng)力）。蝸輪（通過非相交軸上的直角傳遞動(dòng)力）和準(zhǔn)雙曲面齒輪。
接下來，我們將齒輪視為螺旋槳。
螺旋槳的剖視圖
作為螺旋槳的齒輪有助于確保最有效的功率吸收，以將動(dòng)力和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)從曲軸傳遞到另一個(gè)軸。齒輪幫助飛機(jī)在部分克服其重量和借助其螺旋槳作用在其上的阻力后產(chǎn)生推力。
我們將考慮兩種飛機(jī)螺旋槳；定速螺旋槳和定距螺旋槳。
恒速螺旋槳 (CSP) 是一種可變螺距螺旋槳，無論空速或飛行高度或產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩如何，它都可以通過自動(dòng)改變其槳距來保持恒定的轉(zhuǎn)速。
恒速螺旋槳相對(duì)于固定螺距螺旋槳的優(yōu)勢(shì)在于，從起飛到著陸，恒速螺旋槳在每個(gè)飛行階段都能提供最佳性能。這是因?yàn)楣潭菥嗦菪龢仨氃诟咂痫w和高巡航設(shè)置之間做出不可避免的妥協(xié)。
此外，恒速螺旋槳可提供更高的燃油效率、更好的減速平穩(wěn)性、全功率時(shí)的噪音更小，并減少發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力。
恒速螺旋槳通過其沿葉片最長(zhǎng)軸的部分旋轉(zhuǎn)能夠吸入更大的空氣，以保持其周圍氣流的最有效方向。這種操作更適合現(xiàn)代噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和高性能螺旋槳驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)。
相反，固定螺距螺旋槳 (FPP) 的葉片螺距是固定的。對(duì)于較小的發(fā)動(dòng)機(jī)，F(xiàn)PP 是更好的選擇，因?yàn)?CSP 中的額外重量會(huì)降低承載能力。此外，由于零件更少，F(xiàn)PP 維護(hù)成本更低，重量更輕。
在制造齒輪時(shí)，潤(rùn)滑劑的流動(dòng)和減輕重量（不影響耐用性）至關(guān)重要。生產(chǎn)精密齒輪的關(guān)鍵是最大限度地減少變形，以便獲得復(fù)雜、精致的齒輪形狀。
制造過程需要以下內(nèi)容：
齒輪首先由所謂的齒輪毛坯加工而成。為了獲得高精度齒輪，制造商使用高質(zhì)量的齒輪毛坯。然后齒輪鋼通過吸收碳進(jìn)行熱處理過程，同時(shí)鋼在一氧化碳的存在下改變狀態(tài)。這個(gè)過程稱為滲碳。淬火過程隨后用于表面硬化。然后將齒輪加工到一微米的精度。最后，使用特殊設(shè)備檢查齒輪的精加工精度，以確定隱藏區(qū)域中沒有未被發(fā)現(xiàn)的缺陷。齒輪嚙合和清潔度在組裝齒輪箱前的檢查過程中也進(jìn)行了徹底檢查。近年來，航空業(yè)一直在尋求實(shí)現(xiàn) 60 分鐘的“LOL（失去潤(rùn)滑）”操作。這意味著飛機(jī)在變速箱失去潤(rùn)滑后應(yīng)該能夠繼續(xù)飛行，特別是對(duì)于商用飛機(jī)和執(zhí)行特殊領(lǐng)域任務(wù)的飛機(jī)。實(shí)現(xiàn)這種持續(xù)時(shí)間（60 分鐘）的關(guān)鍵是高效冷卻。
滲碳鋼是飛機(jī)齒輪的首選材料。之所以做出這種選擇，是因?yàn)榕c其他車輛發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的許多其他齒輪相比，飛機(jī)中的齒輪必須在更高的速度、更高的負(fù)載和更高的表面溫度下發(fā)揮最大性能。然而，AISI 9310 鋼在今天的飛機(jī)齒輪制造中獲得了更多的關(guān)注。
在航空領(lǐng)域，人們一直在努力減少燃料消耗和碳排放。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，必須在齒輪的優(yōu)化和效率方面取得進(jìn)展。
逐漸地，我們?cè)絹碓浇咏冗M(jìn)齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)。當(dāng)此類發(fā)明流行時(shí)，齒輪仍將是飛機(jī)技術(shù)的核心。事實(shí)上，沒有齒輪，可能就沒有下一代發(fā)動(dòng)機(jī)！
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