大型航空行星轮系内齿圈柔性与疲劳可靠性

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31468

固体力学与飞行器总体设计

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大型航空行星轮系内齿圈柔性与疲劳可靠性

李铭¹^,²(), 万鑫¹^,², 纪璞正¹^,²

^1.沈阳航空航天大学机电工程学院，沈阳 110136
^2.飞行器快速试制技术研究教育部重点实验室，沈阳 110136

收稿日期:2024-10-30 修回日期:2024-11-18 接受日期:2024-12-27 出版日期:2025-03-05 发布日期:2025-01-10
通讯作者: 李铭 E-mail:liyoulu4166@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(52005350);飞行器快速试制技术研究教育部重点实验室开放基金(纵20240224);辽宁省教育厅高等学校基本科研项目(LJKZ0196)

Influence of ring gear flexibility on fatigue reliability in large aerospace planetary mechanisms

Ming LI¹^,²(), Xin WAN¹^,², Puzheng JI¹^,²

^1.School of Mechatronics Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China
^2.Key Laboratory of Rapid Development & Manufacturing Technology for Aircraft，Ministry of Education，Shenyang 110136，China

Received:2024-10-30 Revised:2024-11-18 Accepted:2024-12-27 Online:2025-03-05 Published:2025-01-10
Contact: Ming LI E-mail:liyoulu4166@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52005350);The Foundation of Key Laboratory of Rapid Development & Manufacturing Technology for Aircraft （Shenyang Aerospace University）, Ministry of Education(Zong 20240224);Basic Research Project of Higher Education Institutions, Liaoning Provincial Department of Education(LJKZ0196)

摘要/Abstract

摘要：

内齿圈的轮缘柔性会显著影响行星传动在轮齿啮合层面和系统功率分流层面上的力学性能，是决定大型航空行星系统服役可靠性水平的关键设计因素之一。为了分析内齿圈的轮缘柔性对行星系统疲劳可靠性的影响方式及程度，在应力-强度干涉理论框架下，基于全概率公式计算原理构建了行星系统可靠性评估模型，并利用集中质量有限元法和轮齿概率寿命转化试验分别为可靠性模型提供载荷和强度输入变量。最终，建立了从轮缘厚度到行星系统可靠性指标的映射关系，准确地确定了在质量约束下可靠性增益效果最优的内齿圈轮缘厚度尺寸，为大型航空行星系统的疲劳可靠性设计提供了技术储备。

关键词: 行星齿轮传动, 内齿圈柔性, 疲劳可靠性, 有限元, 概率寿命转化

Abstract:

The flexibility of the ring gear significantly influences the mechanical properties of planetary transmission at both the tooth meshing level and the system power split level， making it one of the most important design factors determining the service reliability of large aerospace planetary mechanisms. To analyze the way and extent to which the rim flexibility of the ring gear affects the fatigue reliability of the planetary system， a planetary system reliability assessment model is developed using the stress-strength interference theory and the full probability formula calculation. The model incorporates load and strength input variables obtained through the lumped mass finite element method and probabilistic life transformation test of the gear teeth. Finally， the mapping relationship between rim thickness and the reliability index of the planetary system is established， and the thickness range of the ring gear rim with the best reliability gain effect under the mass constraint is accurately determined. This study provides a technical reserve for the fatigue reliability design of large aviation planetary systems.

Key words: planetary gear transmission, ring gear flexibility, fatigue reliability, finite element, probability lifespan conversion

中图分类号:

V222

李铭, 万鑫, 纪璞正. 大型航空行星轮系内齿圈柔性与疲劳可靠性[J]. 航空学报, 2025, 46(14): 231468.

Ming LI, Xin WAN, Puzheng JI. Influence of ring gear flexibility on fatigue reliability in large aerospace planetary mechanisms[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(14): 231468.

图/表 20

图 1

图 2

表 1

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

表 2

图 13

图 14

图 15

表 3

行星齿轮系统的运动学参数

构件	角速度	相对角速度	单齿啮合次数
太阳轮	$ω S$	$p · ω S 1 + p$	$n S t = p · ω S · t · k P 1 + p$
行星轮	$ω S 1 - p$	$2 p · ω S 1 - p 2$	$n P S t = n P R t = 2 p · ω S · t p 2 - 1$
内齿圈	0	$- ω S 1 + p$	$n R t = ω S · t · k P 1 + p$
行星架	$ω S 1 + p$

表 3

图 16

图 17

参考文献 21

[1]	ASTRIDGE D G. Helicopter transmissions： Design for safety and reliability［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part G： Journal of Aerospace Engineering， 1989， 203（2）： 123-138.
[2]	许华超，秦大同. 内激励下弹性边界柔性直齿内齿圈振动响应研究［J］. 机械工程学报， 2018， 54（9）： 161-167.
	XU H C， QIN D T. Vibration response of flexible spur ring gear with elastic foundation under internal excitation［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2018， 54（9）： 161-167 （in Chinese）.
[3]	WANG C L， ZHANG X F， ZHOU J X， et al. Calculation method of dynamic stress of flexible ring gear and dynamic characteristics analysis of thin-walled ring gear of planetary gear train［J］. Journal of Vibration Engineering & Technologies， 2021， 9（5）： 751-766.
[4]	李铭，罗源，谢里阳. 基于层级有限元法的大型航空行星机构可靠性优化设计［J］. 机械工程学报， 2023， 59（1）： 59-70.
	LI M， LUO Y， XIE L Y. Reliability optimization design for large aerospace planetary mechanism based on hierarchical finite element［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2023， 59（1）： 59-70 （in Chinese）.
[5]	DUAN T T， ZHANG A Q， WEI J， et al. Effects of crack and structural flexibility on planetary gear system fault feature considering ring gear boundary condition［J］. Engineering Failure Analysis， 2023， 149： 107245.
[6]	GUAN X L， TANG J Y， HU Z H， et al. Dynamic analysis of spur gear pair established by flexible ring and time-varying mesh model［J］. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering， 2022， 44（4）： 159.
[7]	KAHRAMAN A， KHARAZI A A， UMRANI M. A deformable body dynamic analysis of planetary gears with thin rims［J］. Journal of Sound and Vibration， 2003， 262（3）： 752-768.
[8]	王成，张翔，周剑. 柔性内齿圈动态应力计算方法及薄壁齿圈动态特性分析［J］. 航空学报， 2020， 58（5）： 751-766.
	WANG C， ZHANG X， ZHOU J. Calculation method of dynamic stress of flexible inner gear ring and analysis of dynamic characteristics of thin-walled gear ring［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 58（5）： 751-766 （in Chinese）.
[9]	ABOUSLEIMAN V， VELEX P， BECQUERELLE S. Modeling of spur and helical gear planetary drives with flexible ring gears and planet carriers［J］. Journal of Mechanical Design， 2007， 129（1）： 95-106.
[10]	ABOUSLEIMAN V， VELEX P. A hybrid 3D finite element/lumped parameter model for quasi-static and dynamic analyses of planetary/epicyclic gear sets［J］. Mechanism and Machine Theory， 2006， 41（6）： 725-748.
[11]	LI M， LUO Y， XIE L. Fatigue reliability design method for large aviation planetary system considering the flexibility of the ring gear［J］.Applied Sciences， 2022， 12（20）： 10361.
[12]	HU Y， TALBOT D， KAHRAMAN A. A gear load distribution model for a planetary gear set with a flexible ring gear having external splines［J］. Journal of Mechanical Design， 2019， 141（5）： 053301.
[13]	CHEN Z G， SHAO Y M. Mesh stiffness of an internal spur gear pair with ring gear rim deformation［J］. Mechanism and Machine Theory， 2013， 69： 1-12.
[14]	CHEN Z G， SHAO Y M， SU D Z. Dynamic simulation of planetary gear set with flexible spur ring gear［J］. Journal of Sound and Vibration， 2013， 332（26）： 7191-7204.
[15]	CHEN Z G， ZHU Z F， SHAO Y M. Fault feature analysis of planetary gear system with tooth root crack and flexible ring gear rim［J］. Engineering Failure Analysis， 2015， 49： 92-103.
[16]	KAHRAMAN A， VIJAYAKAR S. Effect of internal gear flexibility on the quasi-static behavior of a planetary gear set［J］. Journal of Mechanical Design， 2001， 123（3）： 408-415.
[17]	KAHRAMAN A， LIGATA H， SINGH A. Influence of ring gear rim thickness on planetary gear set behavior［J］. Journal of Mechanical Design， 2010， 132（2）： 021002.
[18]	CHEN Z G， SHAO Y M. Mesh stiffness of an internal spur gear pair with ring gear rim deformation［J］. Mechanism and Machine Theory， 2013， 69： 1-12.
[19]	YAN Y Y. Load characteristic analysis and fatigue reliability prediction of wind turbine gear transmission system［J］. International Journal of Fatigue， 2020， 130： 105259.
[20]	王正，王增全. 基于应力-强度干涉的车用发动机机械零部件B10寿命计算方法［J］. 机械工程学报， 2014， 50（16）： 47-53.
	WANG Z， WANG Z Q. Method for calculating the B10 reliable life of mechanical components of vehicle engine based on the stress-strength interference［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2014， 50（16）： 47-53 （in Chinese）.
[21]	LI M， XIE L Y， DING L J. Load sharing analysis and reliability prediction for planetary gear train of helicopter［J］. Mechanism and Machine Theory， 2017， 115： 97-113.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	太阳轮	行星轮	内齿圈
模数/mm	5	5	5
齿数	84	56	196
齿轮个数	1	7	1
压力角/（°）	20	20	20
螺旋角/（°）	0	0	0
齿宽/mm	120	120	120
基圆直径/mm	394.671	263.114	920.899
基圆间距/mm	14.761	14.761	14.761
齿根圆角半径/mm	1.85	1.77	1.81
齿根圆半径/mm			496.25
外圆半径/mm			501.25-521.25
材料	1Cr18Ni9Ti	1Cr18Ni9Ti	1Cr18Ni9Ti
弹性模量/（10⁵ MPa）	2.07	2.07	2.07
泊松比	0.3	0.3	0.3

项目	参数	项目	参数
模数/mm	5	ISO质量等级	5
齿数	25	材料	1Cr18Ni9Ti
压力角/（°）	21	渗碳深度/mm	0.8±0.11
螺旋角/（°）	0	轮齿表面硬度	57~61 HRC
齿宽	32	轮齿齿芯硬度	32~46 HRC
齿根圆角半径/mm	1.7	精密加工方法	磨削

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Influence of ring gear flexibility on fatigue reliability in large aerospace planetary mechanisms

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[1]	郭轩, 刘彦杰, 刘洪权, 张引利. 角片厚度对螺栓对接结构力学性能的影响[J]. 航空学报, 2024, 45(S1): 730591-730591.
[2]	李伟, 宋鑫, 林湘齐, 苏智琳, 王成波, 李桐. 复合材料连接结构的钉载均匀化快速寻优方法[J]. 航空学报, 2024, 45(23): 230345-230345.
[3]	赵宏旭, 李梓洋, 石旭东. 基于大电流注入探头的传导抗扰度预试验方法[J]. 航空学报, 2024, 45(23): 330391-330391.
[4]	张胜男, 许英杰, 张卫红. 考虑固化残余应力影响的Z-pin增韧复材压缩性能预测方法[J]. 航空学报, 2024, 45(20): 429966-429966.
[5]	王四季, 张羽薇, 黄开明, 吕彪, 赵海凤, 王虎, 廖明夫. 基于改进粒子群算法的直升机动力涡轮转子系统优化方法[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 228608-228608.
[6]	盛方怡, 杨国林, 孟凡通, 董志刚, 康仁科. 沉头孔螺旋铣削加工有限元仿真分析[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 428690-428690.
[7]	黄永杰, 倪章松, 潘捷. 考虑冰层断裂与界面脱粘的电脉冲除冰仿真[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729306-729306.
[8]	王震宇, 王计真, 杨婧艺, 何鹏远, 潘成浩, 周凌波, 何成, 何欢. 基于新型粒子群算法的结构动力学热振模型修正[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 226559-226559.
[9]	程旋, 赵亦希, 尤舒曼. 机器人柔性翻边成形轨迹优化[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 426886-426886.
[10]	刘礼平, 齐雨阳, 蔺越国, 鲍蕊, 徐建新, 冯振宇, 卿光辉. 碳纤维复合材料胶铆混合修理结构静载拉伸失效[J]. 航空学报, 2023, 44(24): 428676-428676.
[11]	麻震宇, 邓小龙, 杨希祥, 朱炳杰. 平流层飞艇驻空过程热结构耦合特性[J]. 航空学报, 2023, 44(19): 228337-228337.
[12]	邹田春, 巨乐章, 管玉玺, 李泽钢, 陈红呈. 铺层方式对CFRP⁃Al胶接接头疲劳行为的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(18): 428264-428264.
[13]	陈江波, 曾凯, 邢保英, 张洪申, 丁燕芳, 何晓聪. 铝合金-胶膜压印/粘接复合连接工艺及接头失效分析[J]. 航空学报, 2023, 44(14): 428029-428029.
[14]	王秀锐, 李凯尚, 谷行行, 张勇, 陆体文, 王润梓, 张显程. 基于晶体塑性理论的高-低周疲劳寿命预测统一准则[J]. 航空学报, 2023, 44(10): 427300-427300.
[15]	路来骁, 徐长官, 刘建华, 秦美镇, 吕英波, 阎玉芹. 初始应力状态对薄壁件双侧滚压影响规律[J]. 航空学报, 2023, 44(10): 427415-427415.