直升机齿轮箱润滑油承载能力试验用齿轮副的制作方法

1.本发明涉及润滑油测试技术领域，具体涉及直升机齿轮箱润滑油承载能力试验用齿轮副。


背景技术：

2.航空润滑油为航空发动机各轴承、齿轮等提供润滑、冷却和输运杂质等作用，为保障航空发动机在高温、高速条件下安全、稳定且长时间工作的能力，润滑油的承载能力尤为关键，润滑油的承载能力试验也是润滑油进行适航审定、投入民航使用前的必要检验，为评估润滑油的承载能力，需要将润滑油在模拟实际航空发动机的运行工况下进行测试。
3.现有技术中，针对齿轮高速、高载荷条件下润滑油的承载能力测试采用ryder齿轮承载能力试验方法进行测试，但是因该ryder齿轮承载能力试验方法(以下简称ryder试验方法)属于国外的单一来源方法，该测试方法所匹配的ryder齿轮试验机也是国外独有，国内润滑油生产商要想进行润滑油的承载能力测试必须要将润滑油送往国外实验室进行测试，但是跨国测试需要付出极高的经费和时间成本，限制了国内润滑油的生产。
4.为解决上述问题，发明人尝试其他途径进行润滑油的承载能力测试，比如对现有的标准fzg齿轮试验机在动力方面以及润滑油使用方式等方面进行改进以得到能够进行齿轮高速试验的高速fzg齿轮试验机(比如企业标准号为q/510107c.sd4001-2021中公开的高速齿轮承载能力试验机，以下称“高速fzg齿轮试验机”)，选择高速fzg齿轮试验机进行试验的原因在于，该高速fzg齿轮试验机上试验齿轮的齿数比为3:2，而ryder齿轮试验机的齿数比为1:1，但国产航空发动机齿轮箱中实际齿轮齿数比更符合高速fzg齿轮试验机上齿数比，故而从这点出发，利用高速fzg齿轮试验机能够更好、更准确地还原国产航空发动机的实际运行条件。
5.试验时，通过在高速fzg齿轮试验机上按照ryder齿轮试验机的运行条件进行测试，原本标准fzg齿轮试验机是用于低速齿轮下的润滑油承载能力测试，在低速齿轮下测试时，标准fzg齿轮试验机可以有两种不同的齿轮副的选择，一种是标准fzg-a齿轮副，另一种是标准fzg-c齿轮副，在做测试时，试验机上根据不同航空润滑油的测试需求选用其中一种齿轮副，测试时，齿轮副的转速约为1450r/min、每一级载荷的测试时长为恒速运行15min、油浴1.25l、5级载荷下润滑油油温为环境温度而5级及以上载荷油温控制为90℃，在这种测试方式下，润滑油的承载能力测试等级为1-12级。
6.航空润滑油包括直升机齿轮箱润滑油和航空涡轮发动机润滑油，在将高速fzg齿轮试验机用于直升机齿轮箱润滑油在高速齿轮和高载荷测试时，无论是使用标准fzg-a齿轮副还是使用标准fzg-c齿轮副均按照ryder齿轮试验机的运行条件运行，即齿轮副的转速达到10000r/min、每一级载荷的测试时长为恒速运行10min、被测润滑油喷向齿轮的油温为74℃、润滑流量为1l/min。但是使用标准fzg-a齿轮副对满足mil-prf-85734要求的直升机齿轮箱润滑油测试时(简称为对直升机齿轮箱润滑油测试)，齿面失效载荷级数仅为7级(7级对应的加载载荷为123nm，润滑油的承载能力测试时的加载载荷级数理论可以做到16
级)，一方面失效等级较低，另一方面，因润滑油油膜破裂导致齿轮失效时，齿轮齿面的磨损面积在失效时容易产生突跃(如失效前一级加载载荷下齿轮磨损面积不到15％，而在失效载荷下齿轮磨损面积能超过80％)，导致齿轮产生瞬时高温和大幅度振动，极大地影响高速fzg齿轮试验机的使用寿命；而使用标准fzg-c齿轮副对于满足mil-prf-85734要求的直升机齿轮箱润滑油测试时，试验至16级时(对应加载载荷为280nm)，齿轮仍未失效，无法区分该类滑油的承载能力好坏。
7.可见高速fzg齿轮试验机无论选用标准fzg-a齿轮副还是标准fzg-c齿轮副均无法用于评估齿轮高齿轮转速、高载荷条件下直升机齿轮箱润滑油的承载能力，导致对于直升机齿轮箱润滑油在高齿轮转速、高载荷下的承载能力依然未能有除ryder齿轮承载能力外的其他方法，依然需要依靠国外实验室进行检测。


技术实现要素：

8.本发明意在提供直升机齿轮箱润滑油承载能力试验用齿轮副，以解决现有技术中缺乏除ryder齿轮试验机上采用ryder齿轮进行承载能力试验以外的其他替代方法进行直升机齿轮箱润滑油承载能力的测试问题。
9.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
10.直升机齿轮箱润滑油承载能力试验用齿轮副，包括fzg-ar大齿轮和fzg-ar小齿轮，fzg-ar大齿轮和fzg-ar小齿轮的齿数比为3:2，fzg-ar大齿轮和fzg-ar小齿轮在进行承载能力试验时的中心距为91.5mm，所述fzg-ar大齿轮和fzg-ar小齿轮的变位系数之和为0.34-0.36，其中fzg-ar小齿轮的变位系数范围为0.45-0.58。
11.本方案的原理及优点是：本方案对高速fzg齿轮试验机用的标准fzg-a齿轮副进行了改进，具体为对fzg-a齿轮副的变位系数进行了改进，改进后的齿轮副包括fzg-ar大齿轮和fzg-ar小齿轮，该改进后的齿轮副的变位系数之和为0.34-0.36，且其中fzg-ar小齿轮的变位系数范围在0.45-0.58，采用该改进的fzg-ar齿轮副对满足mil-prf-85734要求的直升机齿轮箱润滑油在高速fzg齿轮试验机按照ryder齿轮试验机的运行条件进行测试时，一方面，齿面失效载荷级数由采用标准fzg-a齿轮副的7级提高至本方案的9-11级(9级对应载荷为158nm，11级对应载荷为193nm)，另一方面，测试过程中齿面磨损面积基本呈线性增长，使得本方案能够准确判断出在某一齿轮失效判断依据下的润滑油承载能力，无需像标准fzg-a齿轮副一样，需试验到齿轮表面发生大面积胶合而导致瞬时高温时才停止试验，大大减少对高速fzg齿轮试验机寿命的影响。
12.本方案通过对标准fzg-a齿轮副改进得到的齿轮副应用在高速fzg齿轮试验机上即能够确保mil-prf-85734要求的直升机齿轮箱润滑油在达到最大有效胶合温度时的载荷等级均不低于9级，而9级的测试载荷等级是基本能满足现有国产直升机齿轮箱润滑油的测试需求的，故而本方案打破了只有国外利用ryder齿轮试验机按照ryder齿轮承载能力试验方法测试航空润滑油承载能力的局面，极大降低了航空润滑油的承载能力测试成本，有利于促进国内直升机齿轮箱润滑油的生产。
13.优选的，作为一种改进，所述fzg-ar小齿轮的变位系数范围为0.52-0.58时，应用fzg-ar大齿轮和fzg-ar小齿轮在高速fzg齿轮试验机上按照ryder齿轮试验机的运行条件进行测试时，齿轮失效时的加载载荷为158nm-210nm。
14.优选的，作为一种改进，所述fzg-ar小齿轮的变位系数范围为0.45-0.52时，应用fzg-ar大齿轮和fzg-ar小齿轮在高速fzg齿轮试验机上按照ryder齿轮试验机的运行条件进行测试时，齿轮失效时的加载载荷为175nm-210nm。
15.优选的，作为一种改进，所述fzg-ar大齿轮和fzg-ar小齿轮的齿面渗碳层深度均为0.9-1.3mm、齿根渗碳层深度均为0.75-1.15mm。
16.有益效果：本方案通过对齿面和齿根进行渗碳以使得齿轮获得较高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。
17.优选的，作为一种改进，所述fzg-ar大齿轮和fzg-ar小齿轮的表面硬度均为58-63hrc、心部硬度均为33-41hrc。
18.优选的，作为一种改进，所述fzg-ar大齿轮和fzg-ar小齿轮的压力角均为20
°
。
附图说明
19.图1为本发明实施例中fzg-ar小齿轮的结构示意图；
20.图2为本发明实施例中fzg-ar大齿轮的结构示意图；
21.图3为试验组1试验时在齿轮失效前的加载载荷和齿轮胶合面积的折线变化图；
22.图4为试验组2试验时在齿轮失效前的加载载荷和齿轮胶合面积的折线变化图；
23.图5为试验组3试验时在齿轮失效前的加载载荷和齿轮胶合面积的折线变化图。
具体实施方式
24.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
25.实施例基本如附图1至图5所示，直升机齿轮箱润滑油承载能力试验用齿轮副，包括fzg-ar大齿轮和fzg-ar小齿轮，fzg-ar大齿轮和fzg-ar小齿轮的齿数比为3:2，fzg-ar大齿轮和fzg-ar小齿轮在高速fzg齿轮试验机上进行承载能力试验时的中心距为91.5mm，本实施例中，大齿轮的齿数为24，小齿轮的齿数为16，模数为4.5；两个齿轮的压力角均为20
°
，fzg-ar大齿轮和fzg-ar小齿轮的变位系数之和为0.34-0.36，其中fzg-ar小齿轮的变位系数范围为0.45-0.58。
26.fzg-ar大齿轮和fzg-ar小齿轮的表面硬度均为58-63hrc、心部硬度均为33-41hrc、齿面渗碳层深度均为0.9-1.3mm、齿根渗碳层深度均为0.75-1.15mm。大齿轮和小齿轮采用的材料均为aisi 9310型号的航空材料，具体的本实施例齿轮副的基本参数如下表1所示：
27.表1直升机齿轮箱润滑油承载能力试验用齿轮副的基本参数表
28.[0029][0030]
对上述表一中的直升机齿轮箱润滑油承载能力试验用齿轮副设置了三组齿轮副，每相同参数的齿轮副均生产三对，每对齿轮副的变位系数之和均为0.3532，所有齿轮副的变位系数情况见表2所示，采用本实施例试验的载荷等级、加载载荷与ryder试验方法对应表如下表3所示(该对应关系已于现有标准中公开)。
[0031]
表2不同变位系数下的直升机齿轮箱润滑油承载能力试验用齿轮副参数
[0032][0033]
表3载荷等级与加载载荷对应表
[0034]
[0035][0036]
将上述三组试验组的总共9对齿轮副分别放置在高速fzg齿轮试验机中并按照ryder齿轮试验机的运行条件进行测试，测试条件包括小齿轮转速达到10000r/min、每一级载荷的测试时长为恒速运行10min、被测润滑油喷向齿轮的油温为74℃、润滑流量为1l/min。
[0037]
采用满足mil-prf-85734要求的直升机齿轮箱润滑油(选择目前全球民用航空市场使用占比超过70％的直升机齿轮箱润滑油aeroshell turbine oil 555作为试验参考油)分别使用试验组1、试验组2和试验组3的齿轮副进行测试，测试结果如下表4：
[0038]
表4直升机齿轮箱润滑油承载能力试验用齿轮副的试验数据
[0039]
[0040]
[0041][0042]
根据上述表4的数据可知，采用该本实施例的直升机齿轮箱润滑油承载能力试验用齿轮副对满足mil-prf-85734要求的直升机齿轮箱润滑油在高速fzg齿轮试验机按照ryder齿轮试验机的运行条件进行测试时，当fzg-ar小齿轮的变位系数为0.58，而fzg-ar大齿轮的变位系数为-0.2268时，应用fzg-ar大齿轮和fzg-ar小齿轮在高速fzg齿轮试验机上按照ryder齿轮试验机的运行条件进行测试时，齿轮失效时的载荷等级能够做到9级甚至10级，确保了直升机齿轮箱润滑油在该齿轮副下进行测试时，在完全不损坏fzg试验机的基础上至少能测试到加载载荷到8级。
[0043]
而当fzg-ar小齿轮的变位系数为0.52，而fzg-ar大齿轮的变位系数为-0.1668时，应用该fzg-ar大齿轮和fzg-ar小齿轮在高速fzg齿轮试验机上按照ryder齿轮试验机的运行条件进行测试时，齿轮失效时的载荷等级能够做到10级甚至12级，确保了直升机齿轮箱润滑油在该齿轮副下进行测试时，在完全不损坏fzg试验机的基础上至少能测试到加载载荷到9级。
[0044]
而当fzg-ar小齿轮的变位系数为0.45，而fzg-ar大齿轮的变位系数为-0.0968时，应用该fzg-ar大齿轮和fzg-ar小齿轮在高速fzg齿轮试验机上按照ryder齿轮试验机的运行条件进行测试时，齿轮失效时的载荷等级能够做到11-12级，确保了直升机齿轮箱润滑油在该齿轮副下进行测试时，在完全不损坏fzg试验机的基础上至少能测试到加载载荷到10级。
[0045]
从上述试验数据组可知，本实施例的齿轮副中齿面失效载荷级数能达到9-12级(9级对应载荷为158nm，12级对应载荷为210nm)，且从图3至图5可知，所试验的齿轮副测试过程中齿面磨损面积基本呈线性增长，也能够方便找到小齿轮16个齿面总磨损面积占总有效接触面积比例为18％时的润滑油的承载能力(也即本实施例试验时将小齿轮的齿面磨损面积比例为18％作为齿轮失效判断的依据，但实际应用时齿轮失效判断时的齿面磨损面积的
范围可以是17％-20％的任一数值)，无需像标准fzg-a齿轮副一样，需试验到齿轮表面发生大面积胶合而导致瞬时高温时才停止试验，大大减少对高速fzg齿轮试验机寿命的影响。
[0046]
由以上阐述可知，本实施例通过对标准fzg-a齿轮副的改进，即能够确保mil-prf-85734要求的直升机齿轮箱润滑油在达到最大有效胶合温度时的载荷等级均不低于9级，而9级的测试载荷等级基本能够满足现有国产润滑油的测试需求，故而本实施例打破了只有国外利用ryder齿轮试验机按照ryder齿轮承载能力试验方法测试航空润滑油承载能力的局面，极大降低了航空润滑油的承载能力测试成本，有利于促进国内直升机齿轮箱润滑油的生产。此外，由上述表4可知，在试验组1和试验组3下的3对齿轮副的平行试验的最大失效载荷差异均不超过1级，试验重复性高，也即说明采用本实施例的齿轮副结合高速fzg齿轮试验机进行测试的可靠性高。
[0047]
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。