经常会想到飞机是否也像其他车辆一样有齿轮？

是的，飞机确实有齿轮。齿轮通过改变或匹配发动机速度与螺旋桨速度来帮助飞机螺旋桨高效运行。

在本文中，将对飞机齿轮进行彻底地排查，以了解它们在飞机发动机中的作用。为了绘制路线图，让我们检查一下我们拥有的变速箱类型。

在这里，“齿轮”和“齿轮箱”这两个词可以互换使用，因为齿轮是变速箱的组成部分。

飞机齿轮箱的类型

GE涡轮轴发动机中的变速箱

在飞机的发动机中可以找到不同类型的变速箱。这些变速箱具有特殊的用途。齿轮箱的类型可能包括附件、减速、驱动、尾桨、辅助动力装置 (APU)、传输和角齿轮箱。，我们将只考虑两种类型的变速箱。

1.附件齿轮箱

附件齿轮箱是飞机发动机内的齿轮箱，用于驱动对发动机或安装它的飞机的运行至关重要的附件。附件驱动从连接飞机发动机涡轮和压气机级的中心轴获得动力。

附件驱动齿轮箱为飞机附件（燃油控制单元、起动机/发电机、润滑油泵、转速计传感器驱动器和交流发电机）提供轴动力。同时，附件变速箱和分动变速箱的相似之处在于它们都是由高压阀芯驱动的，并且可以处理约500马力的功率。

2.减速箱

减速齿轮总成，也称为减速齿轮箱，由一组连接到动力源的旋转齿轮组成。减速齿轮箱中使用的齿轮数量取决于输出速度要求。

为什么要使用减速箱？

在飞机上使用减速箱的目的怎么强调都不为过。其部分功能列举如下：

达到所需的比功率（每磅飞机重量的马力数）。这是继可靠性之后飞机发动机的第二重要特性。通过提高螺旋桨转速来实现高效运行。在小排量发动机中实现较高的螺旋桨速度。这些类型的发动机通过以非常高的转速转动来产生更多的动力。

飞机发动机齿轮类型的考虑

每种齿轮类型都有其优点和缺点。因此，齿轮的选择取决于齿轮设计师想要实现的目标。偏置螺旋齿轮和直齿轮减速驱动器一直用于传动比小于 7:2 的活塞发动机。

活塞发动机中的斜齿轮和直齿轮

多年来，直齿轮已通过在运行无数小时的几种流行的飞机发动机中广泛使用，而显示出其可靠性。此外，许多增压发动机的附件驱动器都有直齿轮，特别是在增压器驱动单元的应用中，其升压比高达 12:1。这些相对较小的齿轮传动装置可承载数 100 马力的功率来驱动鼓风机，并承受若干加速负载。

除了在活塞发动机应用中广泛使用直齿轮外，它们还用于许多涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨减速装置。然而，直齿轮的主要问题是能量密度问题。

与直齿轮相比，斜齿轮有两个主要缺点。它们的效率较低（高螺旋角会导致过热）。其次，斜齿轮不能完全消除轴向推力。然而，双螺旋齿轮驱动器为这个推力控制问题提供了答案。但是，由于其较小的齿面宽度，双斜齿轮也存在低扭矩（功率）的问题。

一般来说，活塞发动机由于偶尔的过载和湍流引起的冲击而产生非常不均匀的输出。气缸数量、曲轴几何形状和点火顺序是满足不均匀程度的重要考虑因素。活塞（也称为往复式）发动机产生摇摆力矩、水平、垂直和扭转振动。输出的扭转分量加载螺旋桨减速单元 (PSRU) 齿轮。

活塞发动机面临的所有这些挑战促使弗兰克·惠特尔提出了一种激进的新设计方法，开创了喷气发动机时代。

喷气发动机中的齿轮

从那以后，喷气发动机演变成涡扇发动机，多年来它变得越来越大，以容纳更大更好的风扇。大多数现代飞机由喷气发动机提供动力。简而言之，喷气发动机将能量丰富的液体燃料转化为推力。涡轮轴、涡轮螺旋桨发动机、涡轮风扇、冲压发动机和超燃冲压发动机是我们今天拥有的喷气发动机类型。

2016 年，欧洲最大的航空航天集团空中客车公司推出了一款名为 A320neo 的新产品，配备了齿轮传动涡扇发动机。齿轮传动涡轮风扇使用行星减速齿轮箱，从而提高效率并减轻重量。然而，一些能量会在齿轮机构中以热量的形式损失掉。

其他类型的齿轮可能包括：

人字齿轮（类似于双螺旋齿轮，只是它们没有将两个螺旋面分开的间隙）。锥齿轮（在以直角相交的轴之间传输动力）。蜗轮（通过非相交轴上的直角传递动力）和准双曲面齿轮。

接下来，我们将齿轮视为螺旋桨。

齿轮作为螺旋桨

螺旋桨的剖视图

作为螺旋桨的齿轮有助于确保最有效的功率吸收，以将动力和旋转运动从曲轴传递到另一个轴。齿轮帮助飞机在部分克服其重量和借助其螺旋桨作用在其上的阻力后产生推力。

我们将考虑两种飞机螺旋桨；定速螺旋桨和定距螺旋桨。

等速螺旋桨与定距螺旋桨

恒速螺旋桨 (CSP) 是一种可变螺距螺旋桨，无论空速或飞行高度或产生的发动机扭矩如何，它都可以通过自动改变其桨距来保持恒定的转速。

恒速螺旋桨相对于固定螺距螺旋桨的优势在于，从起飞到着陆，恒速螺旋桨在每个飞行阶段都能提供最佳性能。这是因为固定螺距螺旋桨必须在高起飞和高巡航设置之间做出不可避免的妥协。

此外，恒速螺旋桨可提供更高的燃油效率、更好的减速平稳性、全功率时的噪音更小，并减少发动机的压力。

恒速螺旋桨通过其沿叶片最长轴的部分旋转能够吸入更大的空气，以保持其周围气流的最有效方向。这种操作更适合现代喷气发动机和高性能螺旋桨驱动的飞机。

相反，固定螺距螺旋桨 (FPP) 的叶片螺距是固定的。对于较小的发动机，FPP 是更好的选择，因为 CSP 中的额外重量会降低承载能力。此外，由于零件更少，FPP 维护成本更低，重量更轻。

制造飞机齿轮的过程

在制造齿轮时，润滑剂的流动和减轻重量（不影响耐用性）至关重要。生产精密齿轮的关键是最大限度地减少变形，以便获得复杂、精致的齿轮形状。

制造过程需要以下内容：

齿轮首先由所谓的齿轮毛坯加工而成。为了获得高精度齿轮，制造商使用高质量的齿轮毛坯。然后齿轮钢通过吸收碳进行热处理过程，同时钢在一氧化碳的存在下改变状态。这个过程称为渗碳。淬火过程随后用于表面硬化。然后将齿轮加工到一微米的精度。最后，使用特殊设备检查齿轮的精加工精度，以确定隐藏区域中没有未被发现的缺陷。齿轮啮合和清洁度在组装齿轮箱前的检查过程中也进行了彻底检查。近年来，航空业一直在寻求实现 60 分钟的“LOL（失去润滑）”操作。这意味着飞机在变速箱失去润滑后应该能够继续飞行，特别是对于商用飞机和执行特殊领域任务的飞机。实现这种持续时间（60 分钟）的关键是高效冷却。

用于制造齿轮的材料

渗碳钢是飞机齿轮的首选材料。之所以做出这种选择，是因为与其他车辆发动机中使用的许多其他齿轮相比，飞机中的齿轮必须在更高的速度、更高的负载和更高的表面温度下发挥最大性能。然而，AISI 9310 钢在今天的飞机齿轮制造中获得了更多的关注。

结论

在航空领域，人们一直在努力减少燃料消耗和碳排放。要实现这一点，必须在齿轮的优化和效率方面取得进展。

逐渐地，我们越来越接近先进齿轮传动涡扇发动机和开式转子发动机的出现。当此类发明流行时，齿轮仍将是飞机技术的核心。事实上，没有齿轮，可能就没有下一代发动机！