航空發(fā)動機原理與構(gòu)造課程開發(fā)--件齒輪箱

航空發(fā)動機原理與構(gòu)造課程開發(fā)--件齒輪箱,航空發(fā)動機,原理,構(gòu)造,課程,開發(fā),齒輪箱 航空發(fā)動機原理與構(gòu)造課程開發(fā)--件齒輪箱The Course Development of Aero-engine Principle and Structure—Accessory Gear Box摘 要計算機技術的出現(xiàn)促進了工業(yè)制造業(yè)和民航運輸業(yè)的飛速發(fā)展，利用計算機技術對民航飛機關鍵零部件的虛擬再現(xiàn)，是未來民航制造行業(yè)和維修培訓行業(yè)發(fā)展的趨勢。附件齒輪箱是飛機發(fā)動機的關鍵部件，但由于其構(gòu)造精密復雜和價格昂貴的原因，民航飛機維修相關專業(yè)學生很少有機會與其進行近距離的接觸，利用 3ds Max 軟件對附件齒輪箱進行實體建模、裝配以及運動動畫的仿真，加深了學生對附件齒輪箱機構(gòu)組成和工作原理的認識和理解。本文的主要內(nèi)容如下：（1）本文對 3ds Max 軟件以及 PW4000 發(fā)動機的結(jié)構(gòu)組成和技術參數(shù)進行了概要介紹，詳細介紹了該型號附件齒輪箱的各部件的構(gòu)造與功用；（2）利用 3ds Max 軟件實現(xiàn)了對附件齒輪箱各零部件的建模，詳細介紹了主齒輪箱中傳動直齒輪、傳動錐齒輪、軸承、主齒輪軸、主齒輪箱箱體的建模過程；（3）利用 3ds Max 的模型裝配模塊，詳細介紹了齒輪與軸、齒輪軸與主齒輪箱體以及相關附件的裝配過程，進而完成附件齒輪箱的裝配；（4）利用 3ds Max 的動畫制作模塊，介紹了動畫制作的概念，完成了主齒輪箱內(nèi)傳動齒輪組的動畫制作，并通過 3ds Max 渲染模塊完成動畫視頻的輸出。關鍵詞：附件齒輪箱；PW4000 發(fā)動機；三維建模；3ds MaxAbstractThe emergence of computer technology has promoted the rapid development of industrial manufacturing and civil aviation transportation. The virtual reproduction of the key parts of civil aviation aircraft using computer technology is the trend of the development of the future civil aviation manufacturing industry and maintenance training industry. The accessories gear box is the key component of the aircraft engine. But because of its complex structure and high price, the students of the civil aviation aircraft maintenance related specialized students seldom have the chance to contact with them near the distance. The 3DS Max software is used to simulate the physical modeling, assembly and motion animation of the appendage gear box, which has deepened the study. Understand and understand the mechanism and working principle of accessory gearbox.The main contents of this paper are as follows:(1) The structure and technical parameters of the 3DS Max software and the PW4000 engine are briefly introduced in this paper, and the structure and function of the parts of the gear box of this type appendix are introduced in detail.(2) The modeling of all parts of the accessory gear box is realized by using 3ds Max software, and the modeling process of the driving spur gear, the drive bevel gear, the bearing, the main gear axle and the main gear box is introduced in detail.(3) Using the model assembly module of 3Dmax, the assembly process of the gear and shaft, the gear shaft and the main gear box and the related accessories are introduced in detail, and the assembly of the appendage gear box is completed.(4) Using the animation production module of 3Dmax, the concept of animation production is introduced, the animation of the transmission gear group in the main gear box is completed, and the output of the animation video is completed by the 3Dmax rendering module.Key Words: Accessory Gearbox; PW4000 Engine; 3D Modeling; 3D Studio MaxI目 錄第 1 章 緒論 .11.1 課題研究背景 11.2 航空發(fā)動機及附件齒輪箱概述 .11.2.1 PW4000 航空發(fā)動機的介紹 .11.2.2 附件齒輪箱概述 .41.3 3ds Max 三維建模平臺介紹 41.4 本文章節(jié)安排 5第 2 章 PW4000 附件齒輪箱的介紹 .72.1 附件齒輪箱的功用 72.2 附件齒輪箱的位置 82.3 主齒輪箱的相關附件 92.3.1 起動機 .92.3.2 綜合驅(qū)動發(fā)電機 .102.3.3 發(fā)動機驅(qū)動泵 .112.3.4 交流發(fā)電機 .112.3.5 燃油泵及燃油計量組件 122.3.6 滑油系統(tǒng)及其組件 13第 3 章 PW4000 附件齒輪箱零部件的 3ds Max 建模 .153.1 傳動直齒輪的建模 15II3.2 傳動錐齒輪的建模 173.3 軸承的建模 193.4 主齒輪軸的建模 213.5 主齒輪箱箱體的建模 21第 4 章 PW4000 附件齒輪箱的裝配與動畫 .234.1 附件齒輪箱的模型裝配 .234.1.1 齒輪與軸的裝配 .234.1.2 齒輪軸與主齒輪箱體的裝配 254.1.3 附件的裝配 .264.2 附件齒輪箱的動畫制作 .274.2.1 動畫的概念 .274.2.2 動畫的制作 .274.2.3 渲染輸出視頻動畫 28第 5 章 結(jié)論 .30參考文獻 .31致 謝 .32附錄：外文翻譯資料 .33外文翻譯資料譯文部分 .411第 1 章 緒論1.1 課題研究背景自從 1903 年人類實現(xiàn)飛天夢以來，航空技術的發(fā)展日新月異。特別是進入 21世紀之后，飛機憑借著其他交通方式無法比擬的高速性和安全性，已逐漸走入我們的生活，成為主要的交通方式。而隨著民航事業(yè)的發(fā)展，民航從業(yè)人員的缺口越來越大，民航人才急缺。在這種背景下，航空類院校如雨后春筍般涌現(xiàn)，民航從業(yè)人員的培養(yǎng)工作關系著民航事業(yè)的發(fā)展。毫無疑問，讓學生接觸到飛機和發(fā)動機實物將有助于學生對知識的理解吸收。然而由于飛機部件昂貴造價等條件的限制，航空院校學生接觸到當今飛機部件的機會并不多，多數(shù)信息只能從維修手冊上獲得。由于手冊是二維平面，并且所提供的角度和資料有限，因此很多學生不能全面立體的了解飛機和發(fā)動機的零部件結(jié)構(gòu)以及總體的裝配關系。隨著計算機技術的發(fā)展，三維立體軟件也逐漸走入工程實踐。三維軟件具有直觀可視、參數(shù)化設計等優(yōu)越性，被航空航天、汽車工業(yè)、輪船工業(yè)等高精尖領域所接受。被廣泛應用于工業(yè)設計、建筑設計、室內(nèi)設計、游戲設計以及電影電視特效制作的 3ds Max 是最為常用的三維實物建模軟件之一，利用其構(gòu)建的實物模型以及虛擬裝配能夠更直觀的反映出實體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和配合關系，并且可以根據(jù)需要選擇觀看的部件，同時也可以放縮和旋轉(zhuǎn)所關注的區(qū)域。民航飛機的安全穩(wěn)定運行離不開航空發(fā)動機，航空發(fā)動機是飛行器的動力源，相當于飛機的心臟，它的性能對飛行器的發(fā)展有著非常重要的影響。附件齒輪箱依附（Accessory Gear Box, AGB）在航空發(fā)動機系統(tǒng)內(nèi)，將航空發(fā)動機的動力引出，為飛機液壓、氣壓和電氣系統(tǒng)提供動力，而且為發(fā)動機有效工作提供各種泵和控制系統(tǒng)的動力，可以說離開了附件齒輪箱飛機就無法進行正常的工作 [1]。對航空發(fā)動機附件齒輪箱相關知識的學習，能夠加深學生對民航飛機航空發(fā)動機附件齒輪箱以及航空發(fā)動機本身的認識和理解，進而實現(xiàn)高質(zhì)量航空類人才的培養(yǎng)。1.2 航空發(fā)動機及附件齒輪箱概述1.2.1 PW4000 航空發(fā)動機的介紹航空發(fā)動機被譽為“工業(yè)皇冠上的明珠” ，是一個國家科技能力、工業(yè)水平、國防實力和綜合國力的集中體現(xiàn)，事關國家戰(zhàn)略安全與核心利益，但是我國在這個領2域遠遠落后于國外先進水平，長期制約著我國航空事業(yè)的發(fā)展。目前全球民用航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)幾乎全部被三大航空發(fā)動機巨頭通用電氣、羅羅和普惠公司所壟斷，每年從全球攫取巨額收益 [2]。此外，統(tǒng)計資料表明，航空發(fā)動機作為飛機的最核心部件，發(fā)動機故障在飛機飛行故障中占有相當大的比例，在我國近十年的飛行事故中，由航空發(fā)動機導致的故障占機械和機務故障的 60%以上，且常常因發(fā)動機的故障導致飛行中的安全事故 [3]。因此，不論是從國家經(jīng)濟戰(zhàn)略層面看，還是從國民安全保障層面看，航空發(fā)動機的研制與維修及相關人才的培養(yǎng)是我國民航未來重點的發(fā)展方向。以美國普拉特?惠特尼（Pratt & Whitney，以下簡稱普惠）公司的 PW4000 系列航空發(fā)動機為例，對航空發(fā)動機的構(gòu)成進行介紹。PW4000 是一系列發(fā)動機的總稱，PW 表示普惠公司研制的發(fā)動機，具體發(fā)動機型號則在用之后的 4 位數(shù)字表示：其中第 1 位數(shù)字“4”，表示普惠公司民用大推力系列發(fā)動機，即 4000 系列；第 2 位數(shù)字表示所裝飛機的公司代號，0 表示波音公司，1 表示空客公司，4 表示麥道公司；第 3、4 位數(shù)字表示推力級，即該兩位數(shù)乘以1000 即為該發(fā)動機的以磅為單位的推力值。例如，PW4168 表示用于空客的、起飛推力為 68000 磅（302.5 kN）的發(fā)動機。PW4000 系列發(fā)動機是雙轉(zhuǎn)子、軸流式、高涵道比的渦輪風扇發(fā)動機，根據(jù)推力的不同具體可以分為PW4000、PW4100、PW4400 三個系列，現(xiàn)役主流的民航飛機裝載該系列航空發(fā)動機的有 B747、B777 、A300 、A310、A330、MD11 等 [4]。PW4000 主要由進氣道、風扇、低壓壓氣機、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪、尾噴管以及控制系統(tǒng)等部分組成，其中低壓轉(zhuǎn)子包括 1 級風扇、4 級低壓壓氣機、4 級低壓渦輪，高壓轉(zhuǎn)子包括 11 級高壓壓氣機和 2 級高壓渦輪[4]。如圖1-1 所示為 PW4000 航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)圖。3圖 1-1 PW4000 航空發(fā)動機PW4000 系列航空發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)如下[4]：（1）進氣口：環(huán)形，固定唇口。內(nèi)襯有消聲材料，采用鈦合金機匣。（2）風扇：單級軸流式。鈦合金輪轂上裝有 38 片帶凸臺窄弦轉(zhuǎn)子葉片（PW4084 為無凸臺的寬弦空心葉片） ，風扇排氣涵道的收斂度大，以減少氣流流過靜葉的氣動力損失。增壓比為 1.66～1. 76。（3）低壓壓氣機：4 級軸流式。PW4168 和 PW4084 分別為 5 級和 6 級（采用可控擴散葉型轉(zhuǎn)子葉片） 。鼓筒式焊接鈦合金轉(zhuǎn)子用螺釘固定在風扇盤上。最大轉(zhuǎn)速為4012 r/min。（4）高壓壓氣機：11 級軸流式。采用可控擴散轉(zhuǎn)子葉型，進口導流葉片和前 3級整流葉片可調(diào)。第 1～8 級轉(zhuǎn)子葉片為鈦合金，第 9～11 級為鎳基合金。其中第 9級有 108 片，2～7 級、8～11 級分別作成整體電子束焊鼓筒式轉(zhuǎn)子，然后用螺栓連接成一體。采用了“熱控”轉(zhuǎn)子設計技術，以實現(xiàn)主動間隙控制。最大轉(zhuǎn)速除PW4052 和 PW4152 為 10300 r/min 外，其余均為 10450 r/min。（5）燃燒室：短環(huán)形。擴散機匣為整體鑄造，滾軋成型火焰筒，24 個氣動霧化噴油嘴，長度比 JT9D-7R4 縮短 106 mm，PW4084 采用浮壁式燃燒室。（6）高壓渦輪：2 級軸流式?？招睦鋮s，采用三維流計算方法設計，改善了根部流動，提高了效率。采用陶瓷外空氣封嚴和主動間隙控制技術。輪盤為熱等靜壓MERL76 鎳基合金，第 1 級葉片為 PWA1480 單晶材料，第 2 級為 PW1422 定向凝固材料，導向器葉片有陶瓷涂層。（7）低壓渦輪：4 級軸流式（PW4168 和 PW4084 分別為 5 級和 7 級） 。采用三維流計算方法設計，轉(zhuǎn)子葉片不冷卻，材料為鎳基合金。（8）尾噴管：不可調(diào)節(jié)。Inconel 材料，帶一個大的整流尾錐，外涵道上裝有反推力裝置。（9）控制系統(tǒng)：FADEC（Full Authority Digital Electronic Control，全權(quán)數(shù)字式電子控制系統(tǒng)） ，該系統(tǒng)具有多種功能，可控制“熱控”轉(zhuǎn)子、渦輪冷卻空氣、發(fā)動機慢車及瞬態(tài)工作時燃油流量、高壓壓氣機進口導流葉片等，并可與飛機其他系統(tǒng)組成綜合控制和監(jiān)控系統(tǒng)，可對推力進行精確調(diào)節(jié)。4PW4000 系列航空發(fā)動機的主要技術參數(shù)如表 1-1 所示。表 1-1 PW4000 系列發(fā)動機技術數(shù)據(jù)項目 參數(shù)值起飛推力（kN） 252.74總增壓比 30.0巡航耗油率[kg/(daN·h)] 0.602推重比 5.50空氣流量（kg/s） 802涵道比（巡航） 5.00渦輪進口溫度（℃ ） 1301最大直徑（mm） 2469長度（mm ） 3901質(zhì)量（kg） 42641.2.2 附件齒輪箱概述在航空發(fā)動機中，除了壓氣機、燃燒室、渦輪、尾噴管等主要部件外，還有一些保證發(fā)動機正常工作所需的各種附屬系統(tǒng)，稱為發(fā)動機系統(tǒng)，例如起動系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，等等。附件齒輪箱作為一種齒輪箱式傳動裝置，附件裝置排列在附件齒輪箱前、后兩側(cè)，經(jīng)由與徑向傳動軸相連的一對錐齒輪，動力從發(fā)動機主軸被傳輸至各平行配置的圓柱齒輪，并為附件裝置提供動力[4, 5]。附件齒輪箱以推進發(fā)動機作為唯一動力源，其功能是為附件裝置提供動力，飛機的起動系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等主要附件都是由發(fā)動機轉(zhuǎn)子通過附件齒輪箱帶動。附件齒輪箱內(nèi)部的齒輪、軸承等傳動部件共同構(gòu)成了附件齒輪箱內(nèi)部傳動系統(tǒng)，簡稱附件傳動系統(tǒng) [6]。齒輪箱式附件傳動系統(tǒng)最初出現(xiàn)在活塞式發(fā)動機上，由于傳動效率高，至今仍在航空燃氣渦輪發(fā)動機上廣泛采用 [7]。在發(fā)動機的總體布置上，為了減小發(fā)動機的迎風面積以減小飛機飛行中的阻力，附件齒輪箱被放置在發(fā)動機的四周。同時，為了方便地勤人員的維護工作，附件齒輪箱應具有良好的可達性，附件齒輪箱又通常被置于發(fā)動機冷端的下部或側(cè)下部[8]，5如圖 1-2 所示為某航空發(fā)動機附件齒輪箱安裝位置圖。附件齒輪箱圖 1-2 某航空發(fā)動機附件齒輪箱安裝位置1.3 3ds Max 三維建模平臺介紹3ds Max 又稱為 3D Studio Max 或 3Ds Max，是 Discreet 公司開發(fā)的（后被Autodesk 公司合并）基于 PC 系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件，其前身是基于 DOS操作系統(tǒng)的 3D Studio 系列軟件。在 Windows NT 出現(xiàn)以前，工業(yè)級的 CG 制作被SGI 圖形工作站所壟斷。本文使用 3ds Max 軟件進行精細三維模型的建模。 3ds Max是一種三維造型、渲染、動畫制作軟件，功能強大，應用范圍最廣。3ds Max 的原始版本是基于 DOS 操作系統(tǒng)平臺的 3DStudio 系列軟件。Windows NT 操作系統(tǒng)與3ds Max 軟件的優(yōu)質(zhì)組合大大降低了計算機圖形制作的門檻，并極大的促進了計算機制圖的發(fā)展[9]。3ds Max 軟件最初主要用于電腦游戲的動畫制作，之后用于影視業(yè)的特效應用。隨后，該軟件有了進一步的長足發(fā)展[10]。同時，3ds Max 軟件與Autodesk Maya 軟件、 Autodesk Motion Builder 軟件、Autodesk 以及 Revit Architecture 軟件的互操作性不斷提高，使得用戶更好進行三維模型的構(gòu)建與完善。但就機械機構(gòu)三維建模而言，3ds Max 三維建模軟件能夠滿足海量數(shù)據(jù)的處理、影像糾正、坐標轉(zhuǎn)換以及三維建模精度等方面。與傳統(tǒng)的專業(yè)三維建模軟件相比，3ds Max 在精細建模方面，特別是機械結(jié)構(gòu)紋理、材質(zhì)、日照模擬、真實環(huán)境模擬等方面是其他三維建模軟件所無法比擬[11] ?；谶@一點，3ds Max 軟件可以完成三維模型建模和局部細節(jié)結(jié)構(gòu)的精細改造，正好滿足附件齒輪箱三維模型建模要求。利用其豐富的模型制作工具和材質(zhì)編輯器，制成直觀、逼真、效果好的三維立體模型。3ds Max 的建模工具、方法較多，一般來說有基礎建模、高級建模和材質(zhì)建模等。用戶可以根據(jù)建模需要來采取適合的建模方法，而對于較復雜的模型，則需要6綜合運用這幾種建模方法來完成模型的構(gòu)建。隨著 3ds Max 的不斷應用，該軟件也獲得了極快的發(fā)展，并具有強大的功能。3ds Max 主要具有以下優(yōu)點：（1）功能強大：廣泛應用于建筑、廣告設計、影視制作、工業(yè)設計、游戲開發(fā)、輔助教學（Computer Aided Education）以及工程可視化等各個行業(yè)。（2）操作簡單：3ds Max 的模型制作簡單，初學新手可以很快上手并熟練。（3）配置要求低：基于 PC 系統(tǒng)。（4）擴展性好，利用其豐富的 MAX Script 和 Python 插件可以擴展很多功能，與其他軟件配合使用，可以完成模型的人機交互下的半自動化建模和紋理貼圖。（5）效果逼真：利用其豐富的模型制作工具和材質(zhì)編輯器，可以制成直觀、逼真、效果好的三維立體模型。另外，對于復雜的機械局部細節(jié)結(jié)構(gòu)，3ds Max 可以構(gòu)建多樣化的復雜模型，如橢圓體模型、球體模型、圓錐體模型等。1.4 本文章節(jié)安排本文主要利用 3ds Max 三維建模平臺對 PW400 航空發(fā)動機的附件齒輪箱相關零部件件進行三維建模、裝配以及運動仿真，并針對三維模型就附件齒輪箱的結(jié)構(gòu)和原理進行詳細的介紹，促使學生對民航飛機航空發(fā)動機附件齒輪箱結(jié)構(gòu)相關知識的了解和掌握，為航空類人才的培養(yǎng)提供便利。本論文的主要章節(jié)安排如下：（1）第 1 章 緒論。本章主要對 3ds Max 軟件以及 PW4000 發(fā)動機的結(jié)構(gòu)組成和技術參數(shù)進行了詳細介紹，并概要介紹了附件齒輪箱構(gòu)成與功用；（2）第 2 章 PW4000 附件齒輪箱的介紹。本章主要針對 PW4000 發(fā)動機的附件齒輪箱及其相關附件的功用、安裝位置進行詳細介紹，包括起動機、綜合驅(qū)動發(fā)電機、發(fā)動機驅(qū)動泵、EEC 交流發(fā)電機、燃油泵及燃油計量組件、滑油泵組件、油氣分離器等；（3）第 3 章 PW4000 附件齒輪箱零部件的 3ds Max 建模。本章主要利用 3ds Max 實現(xiàn)對附件齒輪箱各零部件的建模，詳細介紹了主齒輪箱中傳動直齒輪、傳動錐齒輪、軸承、主齒輪軸、主齒輪箱箱體的建模過程；（4）第 4 章 PW4000 附件齒輪箱的裝配與動畫。本章主要利用 3ds Max 的模型裝配模塊，詳細介紹了齒輪與軸、齒輪軸與主齒輪箱體以及相關附件的裝配過程，7進而完成附件齒輪箱的裝配；利用 3ds Max 的動畫制作模塊，介紹了動畫制作的概念，完成了主齒輪箱內(nèi)傳動齒輪組的動畫制作，并通過 3ds Max 渲染模塊完成動畫視頻的輸出；（5）第 5 章 總結(jié)。本章主要總結(jié)本文所做的工作，并指出本文工作中的不足之處。8第 2 章 PW4000 附件齒輪箱的介紹2.1 附件齒輪箱的功用在發(fā)動機系統(tǒng)和飛機系統(tǒng)（如液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等）中，有一些發(fā)動機附件（如滑油泵、燃油泵等）和飛機附件（如液壓泵、發(fā)電機等）有一定的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向要求，需要由發(fā)動機轉(zhuǎn)子來驅(qū)動。這些附件一般裝在專門的附件傳動機匣上，而該附件傳動機匣直接安裝在發(fā)動機上。在發(fā)動機中，通常把這樣的附件傳動機匣稱為附件傳動齒輪箱，簡稱附件齒輪箱[12]。附件齒輪箱的主要作用就是為發(fā)動機附件和飛機附件提供安裝表面，并為這些部件提供旋轉(zhuǎn)動力；按各附件對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的不同要求，為其提供轉(zhuǎn)速；在發(fā)動機啟動過程中，把扭矩從發(fā)動機傳給轉(zhuǎn)子；在發(fā)動機工作時，從發(fā)動機提取功率用于驅(qū)動飛機和發(fā)動機附件，保證飛機和發(fā)動機電力設備燃油液壓和滑油系統(tǒng)等部件正常工作；在發(fā)動機維修保養(yǎng)時，為發(fā)動機維修及孔探檢查提供人工轉(zhuǎn)動發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子的接口[4]。附件齒輪箱作為航空發(fā)動機附件傳動系統(tǒng)中的重要組成部分，在航空發(fā)動機運轉(zhuǎn)中扮演著重要角色，現(xiàn)已成為航空發(fā)動機技術發(fā)展的六大部分之一[13]。PW4000 附件齒輪箱包括主齒輪箱和角齒輪箱。如圖 2-1 所示為主齒輪箱的前側(cè)示意圖，主齒輪箱主要包括燃油泵、滑油泵、燃油控制組件和專用發(fā)電機，以及飛機附件中的發(fā)電機和液壓泵等部件，承擔著附件齒輪箱的絕大部分工作和功能。如圖 2-2 所示為角齒輪箱的前側(cè)示意圖，角齒輪箱的作用是在發(fā)動機起動時將起動機的功率傳遞給高壓轉(zhuǎn)子（N2） ，以及在發(fā)動機正常工作時，將 N2 轉(zhuǎn)子的功率輸出至主齒輪箱；主齒輪箱將 N2 轉(zhuǎn)子的功率以特定的轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞給齒輪箱上安裝的各個附件，由此實現(xiàn)附件的各自功能[14] 。9圖 2-1 主齒輪箱前側(cè)示意圖圖 2-2 角齒輪箱前側(cè)示意圖2.2 附件齒輪箱的位置附件齒輪箱一般安裝在環(huán)境溫度比較低的區(qū)域，如風扇機匣或者壓風機機匣上，為了減小飛行阻力，應盡量減少發(fā)動機的迎風面積，保證動力裝置的流線外形。因此，附件齒輪箱一般是“包”在機匣周圍。此外，考慮到安裝、拆卸和發(fā)動機維修檢查的方便，齒輪箱的位置還應便于維護人員接近。很多渦輪風扇發(fā)動機上將附件齒輪箱包在風扇機匣的外面，但 PW4000 發(fā)動機的附件齒輪箱則是安裝在高壓壓氣機的機匣上，如圖 2-3 所示，高壓壓氣機和低壓壓氣機之間是中介機匣，內(nèi)部齒輪箱就在中介機匣內(nèi)。徑向驅(qū)動軸經(jīng)中介機匣的空心支板穿出，到達位于中介機匣底部的轉(zhuǎn)換齒輪箱。在轉(zhuǎn)換齒輪箱和附件齒輪箱之間有水平驅(qū)動軸，其把轉(zhuǎn)動傳給附件齒輪箱。這樣的安裝可采用較短的徑向驅(qū)動軸，其只需穿過中介機匣即可，也可使風扇的迎風面積得以減小。當然，該類安裝方式也有它的局限性，會使附件齒輪箱接近困難，需要打開外涵道，給維修帶來不便，同時也會帶給附件齒輪箱較高的工作環(huán)境溫度。附件齒輪箱圖 2-3 PW4000 航空發(fā)動機及其附件齒輪箱10PW4000 發(fā)動機附件齒輪箱的主齒輪箱位于高壓壓氣機后機匣下方，緊靠在擴壓機匣前端，角齒輪箱位于中間機匣底部，具有很好的可達性。維護時只需打開發(fā)動機短艙罩，便可使維修人員接近進行維修。高壓壓氣機軸通過垂直軸驅(qū)動角齒輪箱，角齒輪箱通過水平軸驅(qū)動主齒輪箱。2.3 主齒輪箱的相關附件PW4000 航空發(fā)動機的主齒輪箱包括的附件有起動機（Starter） 、綜合驅(qū)動發(fā)電機（Integrated drive generator，IDG） 、潤滑回油泵（ Lubricating oil return pump） 、發(fā)動機驅(qū)動泵（Engine driven pump，EDP ） 、交流發(fā)電機、燃油泵及燃油計量組件、驅(qū)動軸、滑油濾、油氣分離器等，如圖 2-4 所示為主齒輪的前側(cè)示意圖，圖 2-5 所示為主齒輪的后側(cè)示意圖。圖 2-4 主齒輪前側(cè)示意圖綜合驅(qū)動發(fā)電機潤滑回油泵起動機E E C 交流發(fā)電機滑油箱油氣分離器通氣口發(fā)動機驅(qū)動泵圖 2-5 主齒輪后側(cè)示意圖112.3.1 起動機PW4000 的起動機位于主齒輪箱的后部，其通過一個快卸卡箍與主齒輪箱連接，屬于單級、軸流式空氣渦輪起動機。如圖 2-6 所示，起動機的具體構(gòu)成包括渦輪軸、噴管、離合器、減速器和輸出軸等元件，依附起動機表面、位于起動機右上方的速度傳感器為發(fā)動機電子控制器（Engine electronic controller，EEC）提供起動機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。發(fā)動機開始起動時，氣壓動力流過打開的起動活門驅(qū)動起動機內(nèi)的渦輪空氣馬達。渦輪轉(zhuǎn)動齒輪，接合離合器，離合器傳遞扭矩至起動機的輸出軸。當發(fā)動機轉(zhuǎn)動時，起動機從角齒輪箱接收一個連續(xù)的滑油流。滑油冷卻和潤滑起動機的離合器、齒輪和軸承等部件。在約達到 55%的 N2 時，起動活門關閉并從起動機除去氣壓動力。渦輪和減速齒輪減速且離合器脫開，起動機輸出軸然后隨齒輪箱和發(fā)動機轉(zhuǎn)動，渦輪和減速齒輪繼續(xù)減慢直至停止。圖 2-6 起動機示意圖122.3.2 綜合驅(qū)動發(fā)電機圖 2-7 綜合驅(qū)動發(fā)電機示意圖綜合驅(qū)動發(fā)電機（IDG）為飛機提供交流電源，從主齒輪箱后側(cè)看，綜合驅(qū)動發(fā)電機位于主齒輪箱的后部六點半方向。在民航飛機上，每臺發(fā)動機都會有一個IDG，每個 IDG 可以提供 115/200 V，400±5 Hz 的三相交流電，可提供最大 90 KW的功率。綜合驅(qū)動發(fā)電機主要包括一個恒速傳動部分和一個發(fā)電機，總重約 120 磅（54千克） 。如圖 2-7 所示為綜合驅(qū)動發(fā)電機的示意圖，其主要部件有通氣活門、殼體釋壓活門、兩個電氣接頭、相位提前接頭、斷開復位環(huán)、充加和排放滑油濾、壓差指示器、滑油量視窗等。2.3.3 發(fā)動機驅(qū)動泵發(fā)動機驅(qū)動泵（EDP）是用于發(fā)動機驅(qū)動的液壓泵組件，位于主齒輪箱后部四點鐘方向。如圖 2-8 所示為發(fā)動機驅(qū)動泵的示意圖，發(fā)動機驅(qū)動泵是一個帶有釋壓電磁活門、具備壓力補償?shù)淖兞恐?，用以提供足夠的液壓力，?qū)動液壓系統(tǒng)中的元件，其外觀如發(fā)動機驅(qū)動泵示意圖所示。輸出液壓油流量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速成正比。正常工作時，發(fā)動機驅(qū)動泵最大能夠提供 2850 Psi 的液壓壓力，當沒有液壓油流動時，輸出壓力為 3100 Psi。該泵可在增壓和非增壓兩種模式下工作，兩種工作模式由釋壓電磁活門控制。在非增壓模式下，發(fā)動機驅(qū)動泵與液壓系統(tǒng)脫開，液壓油輸出流量為零。發(fā)動機轉(zhuǎn)動時驅(qū)動發(fā)動機驅(qū)動泵，釋壓電磁活門沒有通電，液壓力傳遞到液壓系統(tǒng)中，驅(qū)動作動裝置。當關閉發(fā)動機驅(qū)動泵時，釋壓電磁活門通電，使得發(fā)動機驅(qū)動泵壓力減小，起到釋壓作用。13圖 2-8 發(fā)動機驅(qū)動泵示意圖2.3.4 交流發(fā)電機附件齒輪箱的交流發(fā)電機位于主齒輪箱后部 6 點方向，其主要作用是向發(fā)動機電子控制器（Engine electronic controller，EEC）的動力來源，同時能提供 N2 轉(zhuǎn)子的速度信號。如圖 2-9 所示， EEC 交流發(fā)電機主要由殼體、靜子組件和一個轉(zhuǎn)子組成。其中，靜子有兩套分開的繞組：一套繞組提供電源給通道 A，而另一套繞組提供電源給通道 B，為發(fā)動機電子控制器的提供 30 V 交流電。轉(zhuǎn)子部分包括 12 個不同的永磁鐵，裝在齒輪箱輸出軸上，它的轉(zhuǎn)速不能超過 37000 rpm（N2 轉(zhuǎn)速的 3.52倍） 。交流發(fā)電機供給電源至發(fā)動機電子控制器的通道 A 和通道 B。如果兩個通道都失效，則飛機的電源系統(tǒng)能夠提供電源至 EEC。圖 2-9 交流發(fā)電機構(gòu)成示意圖2.3.5 燃油泵及燃油計量組件燃油泵位于主齒輪箱前側(cè)示意圖中的 5:00 方向，其具體 40 微米紙濾、油濾旁通活門、釋壓活門、油濾旁通警告系統(tǒng)及溫度指示系統(tǒng)等組件，燃油泵是一種將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)槿加偷膲毫δ艿脑赜邪l(fā)動機“心臟”之稱，供給發(fā)動機運轉(zhuǎn)的增14壓燃油，它的外觀如圖 2-10 所示[ 15]。燃油泵包括一個低壓燃油泵和一個高壓燃油泵，兩級泵由通過一根公共軸由主齒輪箱驅(qū)動。其中，低壓燃油泵是一個離心式增壓泵，它能夠在低燃油進口壓力下工作，并且燃油可以是液體和蒸汽相混合。高壓燃油泵是一個正排量齒輪泵，它產(chǎn)生高燃油壓力，此壓力能夠產(chǎn)生強而有力的燃燒室燃油噴霧，不間斷的為航空發(fā)動機輸送燃料，并且高壓燃油還作為能源，用于驅(qū)動伺服系統(tǒng)的作動筒。圖 2-10 燃油泵及燃油計量組件燃油計量組件（Fuel metering unit，F(xiàn)MU ）在附件齒輪箱的布局中位于然后泵的正前方，如圖 2-10 中“FMU 組件”部分所示，是一種電控的液壓機械裝置。它只執(zhí)行 EEC 的命令計量到發(fā)動機去參與燃燒的燃油正確流量，執(zhí)行駕駛艙傳來的命令供應或切斷燃油，并向發(fā)動機空氣、燃油和滑油系統(tǒng)部件提供伺服燃油。此外，燃油計量組件能與發(fā)動機電子控制器配合提供超轉(zhuǎn)保護，具有限制燃油流量最大和最小值等功能[16]。2.3.6 滑油系統(tǒng)及其組件滑油系統(tǒng)主要由滑油泵的相關組件和油氣分離器組成，其主要功能是為附件齒輪箱及發(fā)動機的軸承和齒輪相關部件不間斷的提供潔凈的潤滑油，以減少機械傳動的磨損，并帶走機械摩擦產(chǎn)生的熱量，達到冷卻的效果。（1）滑油泵組件滑油泵組件中的潤滑回油泵位于主齒輪箱后部 6:00 方向，其在潤滑發(fā)動機軸承和齒輪箱提供增壓滑油的同時，將帶走熱量和雜質(zhì)的滑油泵回滑油箱，經(jīng)充分散熱和過濾后，進行下一輪的潤滑、冷卻循環(huán)。潤滑回油泵包括六個正排量齒輪泵，其外觀如圖 2-11 所示，其中一個起潤滑作用，其余五個用于回油，從而完成對軸承腔、15角齒輪箱齒輪、主齒輪箱齒輪的潤滑和回油循環(huán)。圖 2-11 潤滑回油泵示意圖滑油濾位于滑油箱前部，其外觀形狀如圖 2-12 所示?；蜑V的油濾是一個紙濾芯油濾。潤滑過程中所使用的潤滑油必須純凈，不含雜質(zhì)，否則會嚴重危害機器，如摩擦面拉毛、卡死和堵塞潤滑孔道等，必須采用過濾裝置將懸在油中的雜質(zhì)過濾掉。因此，滑油濾存在的目的是從供油中清除和截獲不需要的材料，防止下游油路的污染。滑油濾組件包含主油濾和次級油濾?；鸵来瘟鬟^主油濾和次級油濾。當主油濾堵塞時，主油濾釋壓活門打開，滑油直接流向次級油濾。圖 2-12 滑油濾示意圖（2）油氣分離器油氣分離器，顧名思義就是把空氣和滑油霧氣的混合氣體分離，分離器里的葉輪將空氣與油氣分離開后，滑油流到齒輪箱集油槽，而空氣被排出機體外。油氣分離器的外觀如圖 2-13 所示。16圖 2-13 油氣分離器示意圖17第 3 章 PW4000 附件齒輪箱零部件的 3ds Max 建模隨著 3ds Max 版本的一次次升級，3ds Max 的建模能力也越來越強，無論是再現(xiàn)真實的物體，還是創(chuàng)作幻想的空間，都可以用 3ds Max 提供的建模功能來實現(xiàn)。3ds Max 中的建模方法很多，其中最為基本和核心的方法有三種 [17]：（1）多邊形建模方法（Polygon）：該方法是目前最為流行的建模方法，它創(chuàng)建簡單、編輯靈活，對硬件的要求也太高，幾乎沒有什么是不能通過多邊形建模方法來創(chuàng)建的，該建模方法的應用領域十分廣泛。（2）面片建模方法（Patch）：面片建模方法主要用于曲面造型的設計和建模，其不是通過面來構(gòu)造模型，而是利用邊界進行定義，這就意味著邊界的位置及方向決定著面片的內(nèi)部形式。面片建模中的“面片” 是 Bezier 面片的簡稱，是 3ds Max 所提供的另一種表面建模技術。（3）NURBS 建模方法：NURBS 是非均勻有理 B 樣條線（Non-Uniform Rational B-Spline）的簡稱，該方法擅長于光滑表面，也適用于尖銳的邊，常用于工業(yè)設計領域。3ds Max 的三種基本建模方法并不是 3ds Max 所獨有的方法，基本上目前主流的 3D 軟件都能提供這些建模方法。一般情況下，精通其中一種建模方法就能滿足日常的工作、生活、生產(chǎn)需要。從辯證的角度看，由于每一種建模方法都有其本身特有的優(yōu)勢及不足，因此，只有在充分了解這些優(yōu)勢及不足的前提下，才能在實際工作中揚長避短、快速的解決問題。主齒輪箱是附件齒輪箱的主要構(gòu)成部分，其作為一個傳動的整體，主要由多級傳動齒輪組組成。利用 3ds Max 對傳動直齒輪、傳動錐齒輪、軸承以及主齒輪箱體的建模，進而實現(xiàn)對主齒輪箱的建模。3.1 傳動直齒輪的建模下面以主齒輪箱中的一個直齒輪為例，利用下述步驟展示 3ds Max 建模軟件對直齒輪的建模過程：18圖 3-1 新建場景頁面（1）打開 3ds Max 軟件，點擊頁面主菜單中的“新建場景” ，完成一個新場景的建立，如圖 3-1 所示；（2）在“石墨建模工具箱”中點擊“創(chuàng)建”——“圖形” ，在下拉框中選擇“樣條線”一項，然后選中對象類型中的“星形” ，在 3ds Max 視圖頁面中的頂視圖中繪制星形，在“參數(shù)”中設置“半徑 1”為 40， “半徑 2”為 34， “點”為40， “圓角半徑 1”為 2.0， “圓角半徑 2”為 2.0，得到的星形曲線的頂視圖和透視圖如圖 3-2 所示。( a ) 頂視圖 ( b ) 透視圖圖 3-2 星形曲線（3）在“石墨建模工具箱”中點擊“修改” ，選中“修改器列表”中的“擠出” ，將參數(shù)中的“數(shù)量”設置為 10，表示擠出后的厚度，得到初步的直齒輪立體模型，如圖 3-3 所示；19圖 3-3 擠出后直齒輪初步模型（4）再次在“ 石墨建模工具箱 ”中點擊“創(chuàng)建”——“圖形”，在“ 樣條線”中選中“圓”，在頂視圖中以作與星形同心的圓，設置參數(shù)中圓的半徑為 20，然后進行參數(shù)為 15的“擠出”，如圖 3-4 所示；圖 3-4 擠出后與直齒輪同軸的圓柱模型（5）在“石墨建模工具箱” 中點擊“創(chuàng)建”——“幾何體”，在下拉框“ 復合對象”中選中“布爾”，選中“操作”框中的“差集” ，然后點擊“ 拾取操作對象 B”，選中上述步驟擠出的圓柱體，將初步得到的直齒輪與圓柱體做布爾差集運算，得到最終的直齒輪模型，如圖 3-5 所示。20圖 3-5 直齒輪模型3.2 傳動錐齒輪的建模傳動軸上的錐齒輪能夠?qū)崿F(xiàn)附件齒輪箱中主齒輪箱與角齒輪箱力和扭矩的傳遞，下述步驟展示 3ds Max 建模軟件對錐齒輪的建模過程：（1）在“石墨建模工具箱”中點擊“創(chuàng)建”——“幾何體” ，在下拉框“標準基本體”中選中“圓錐體” ，在頂視圖中確定圓臺底圓圓心，繪制上底面直徑為50、底面直徑為 90、高為 80 的圓臺體，如圖 3-6 所示；圖 3-6 圓臺體模型（2）用移動工具選中圓臺體，右擊鼠標將長方體轉(zhuǎn)化成“可編輯多邊形”模式，然后在“選擇”框中選擇“多邊形”一項，在“編輯邊界”中選擇“倒角”選項，21設定倒角數(shù)值為 8，得到倒角后的圓臺模型如圖 3-7 所示；圖 3-7 倒角后的圓臺模型（3）在“石墨建模工具箱”中點擊“創(chuàng)建”——“圖形” ，在頂視圖合適位置繪制錐齒輪齒輪槽的截面圖，然后將其擠出并與錐體進行差集布爾運算，得到錐齒輪的齒輪槽，以其為目標，在“層次”中選擇“僅影響軸”選項選擇圓臺體的 Z 軸，然后在工具欄中“工具”中選取“陣列”一項，將齒輪槽以圓臺的 Z 軸為中心，等間距均勻旋轉(zhuǎn)陣列 30 個，得到錐齒輪模型，如圖 3-8 所示。圖 3-8 錐齒輪模型223.3 軸承的建模附件齒輪箱中齒輪軸的安裝與固定需要軸承的依托，同時軸承內(nèi)外環(huán)之間的滾動運動有效降低了齒輪軸旋轉(zhuǎn)的摩擦阻力，提高了附件齒輪箱整體的使用壽命。下述步驟展示 3ds Max 建模軟件對軸承的建模過程：（1）在“石墨建模工具箱” 中點擊“創(chuàng)建”——“圖形”，在下拉菜單“ 樣條線”中選擇“圓環(huán)”，在頂視圖中繪制兩個同心圓，設置 “參數(shù)” 中圓環(huán)的“ 半徑 1”為 35，設置“半徑 2”為 52，然后在“修改”頁選中“修改器列表” 中的“ 擠出”操作，擠出“數(shù)量” 設置為 25，得到截面為圓環(huán)的空心圓柱體模型，如圖 3-9 所示；圖 3-9 空心圓柱體模型（2）再次在頂視圖中進行繪制圓環(huán)的操作，設置該圓環(huán)的“半徑 1”為 40，設置“半徑 2”為 47，然后 進行“擠出”操作，設置擠出“數(shù)量”為 30，再將兩次擠出的圓環(huán)柱體，進行布爾差集運算，得到差集后的空心圓柱體模型，如圖 3-10 所示；圖 3-10 差集后的空心圓柱體模型（3）在“石墨建模工具箱” 中點擊“創(chuàng)建”——“幾何體”，在下拉菜單“ 標準基本體”23中選擇“圓環(huán) ”，設置圓環(huán)的中心圓半徑為 45，設置圓環(huán)截面尺寸直徑為 8，圓環(huán)幾何體和上述差集后的空心圓柱體組合模型如圖 3-11 所示；頂視圖透視圖圖 3-11 圓環(huán)與空心圓柱體組合模型頂視圖 透視圖圖 3-12 軸承模型（4）將圓環(huán)幾何體與空心圓柱體進行布爾差集運算，得到軸承內(nèi)滾珠安置槽，然后在“幾何體”的“標準基本體”中選擇“球體” ，在頂視圖上進行繪制，設置“半徑”為 5，得到單個的軸承球形滾子；以軸承球形滾子為目標，在“層次”中選擇“僅影響軸”選項選擇空心圓柱體的 Z 軸，然后在工具欄中 “工具”中選取“陣列”一項，將滾子以空心圓柱體的 Z 軸為中心，等間距均勻旋轉(zhuǎn)陣列 30 個，將陣列后的滾子與空心圓柱體進行“組合”操作，得到球形滾子軸承模型，如圖 3-12所示。3.4 主齒輪軸的建模主齒輪箱中上的主齒輪軸聯(lián)接主齒輪箱和角齒輪箱，與軸端的齒輪一起實現(xiàn)附件齒輪箱中主齒輪箱與角齒輪箱力和扭矩的傳遞，下述步驟展示 3ds Max 建模軟件對主齒輪軸的建模過程：24（1）在“石墨建模工具箱” 中點擊“創(chuàng)建”——“圖形”，在下拉菜單“ 樣條線”中選擇“圓”，依次在頂視圖中繪制半徑為 30、25、20 的圓，并依次進行擠壓操作，得到光軸的模型如圖 3-13 所示；圖 3-13 光軸模型（2）在光軸模型的基礎上，在其半徑為 20 mm 的一端繪制錐齒輪模型，在光軸半徑為 30 的依次繪制直齒輪模型，得到主齒輪軸模型，如圖 3-14 所示。圖 3-14 主齒輪軸模型3.5 主齒輪箱箱體的建模附件齒輪箱中的主齒輪箱主要是用來安裝附件齒輪箱中的相關附件，包括起動機、綜合驅(qū)動發(fā)電機、交流發(fā)電機、驅(qū)動軸等，以及潤滑回油泵、發(fā)動機驅(qū)動泵也是附裝在主齒輪箱上。下述步驟展示 3ds Max 建模軟件對主齒輪箱箱體的建模過程：（1）在“石墨建模工具箱” 中點擊“創(chuàng)建”——“圖形”，利用“ 線”操作在頂視圖繪制直齒輪箱的大致輪廓，然后將其擠出合適厚度，主齒輪箱箱體的初步模型如圖 3-15 所示；25圖 3-15 主齒輪箱箱體初步模型（2）在“石墨建模工具箱” 中點擊“修改”，在“修改器列表”下拉菜單中選擇“ 殼”操作，設置“ 內(nèi)部量” 為 5，設置 “外部量”為 5，得到壁厚為 10 的主齒輪箱箱體，然后在箱體上擠壓相應的圓柱體，進行差集運算，在箱體上得到齒輪軸和附件機構(gòu)的安裝孔，如圖 3-16 所示。圖 3-16 主齒輪箱箱體模型