經常會想到飛機是否也像其他車輛一樣有齒輪？

是的，飛機確實有齒輪。齒輪通過改變或匹配發動機速度與螺旋槳速度來幫助飛機螺旋槳高效運行。

在本文中，將對飛機齒輪進行徹底地排查，以了解它們在飛機發動機中的作用。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”這兩個詞可以互換使用，因為齒輪是變速箱的組成部分。

飛機齒輪箱的類型

GE渦輪軸發動機中的變速箱

在飛機的發動機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、驅動、尾槳、輔助動力裝置 (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

附件齒輪箱是飛機發動機內的齒輪箱，用于驅動對發動機或安裝它的飛機的運行至關重要的附件。附件驅動從連接飛機發動機渦輪和壓氣機級的中心軸獲得動力。

附件驅動齒輪箱為飛機附件（燃油控制單元、起動機/發電機、潤滑油泵、轉速計傳感器驅動器和交流發電機）提供軸動力。同時，附件變速箱和分動變速箱的相似之處在于它們都是由高壓閥芯驅動的，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，由一組連接到動力源的旋轉齒輪組成。減速齒輪箱中使用的齒輪數量取決于輸出速度要求。

為什么要使用減速箱？

在飛機上使用減速箱的目的怎么強調都不為過。其部分功能列舉如下：

達到所需的比功率（每磅飛機重量的馬力數）。這是繼可靠性之后飛機發動機的第二重要特性。通過提高螺旋槳轉速來實現高效運行。在小排量發動機中實現較高的螺旋槳速度。這些類型的發動機通過以非常高的轉速轉動來產生更多的動力。

飛機發動機齒輪類型的考慮

每種齒輪類型都有其優點和缺點。因此，齒輪的選擇取決于齒輪設計師想要實現的目標。偏置螺旋齒輪和直齒輪減速驅動器一直用于傳動比小于 7:2 的活塞發動機。

活塞發動機中的斜齒輪和直齒輪

多年來，直齒輪已通過在運行無數小時的幾種流行的飛機發動機中廣泛使用，而顯示出其可靠性。此外，許多增壓發動機的附件驅動器都有直齒輪，特別是在增壓器驅動單元的應用中，其升壓比高達 12:1。這些相對較小的齒輪傳動裝置可承載數 100 馬力的功率來驅動鼓風機，并承受若干加速負載。

除了在活塞發動機應用中廣泛使用直齒輪外，它們還用于許多渦輪螺旋槳發動機的螺旋槳減速裝置。然而，直齒輪的主要問題是能量密度問題。

與直齒輪相比，斜齒輪有兩個主要缺點。它們的效率較低（高螺旋角會導致過熱）。其次，斜齒輪不能完全消除軸向推力。然而，雙螺旋齒輪驅動器為這個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，活塞發動機由于偶爾的過載和湍流引起的沖擊而產生非常不均勻的輸出。氣缸數量、曲軸幾何形狀和點火順序是滿足不均勻程度的重要考慮因素。活塞（也稱為往復式）發動機產生搖擺力矩、水平、垂直和扭轉振動。輸出的扭轉分量加載螺旋槳減速單元 (PSRU) 齒輪。

活塞發動機面臨的所有這些挑戰促使弗蘭克·惠特爾提出了一種激進的新設計方法，開創了噴氣發動機時代。

噴氣發動機中的齒輪

從那以后，噴氣發動機演變成渦扇發動機，多年來它變得越來越大，以容納更大更好的風扇。大多數現代飛機由噴氣發動機提供動力。簡而言之，噴氣發動機將能量豐富的液體燃料轉化為推力。渦輪軸、渦輪螺旋槳發動機、渦輪風扇、沖壓發動機和超燃沖壓發動機是我們今天擁有的噴氣發動機類型。

2016 年，歐洲最大的航空航天集團空中客車公司推出了一款名為 A320neo 的新產品，配備了齒輪傳動渦扇發動機。齒輪傳動渦輪風扇使用行星減速齒輪箱，從而提高效率并減輕重量。然而，一些能量會在齒輪機構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螺旋面分開的間隙）。錐齒輪（在以直角相交的軸之間傳輸動力）。蝸輪（通過非相交軸上的直角傳遞動力）和準雙曲面齒輪。

接下來，我們將齒輪視為螺旋槳。

齒輪作為螺旋槳

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，以將動力和旋轉運動從曲軸傳遞到另一個軸。齒輪幫助飛機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生推力。

我們將考慮兩種飛機螺旋槳；定速螺旋槳和定距螺旋槳。

等速螺旋槳與定距螺旋槳

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生的發動機扭矩如何，它都可以通過自動改變其槳距來保持恒定的轉速。

恒速螺旋槳相對于固定螺距螺旋槳的優勢在于，從起飛到著陸，恒速螺旋槳在每個飛行階段都能提供最佳性能。這是因為固定螺距螺旋槳必須在高起飛和高巡航設置之間做出不可避免的妥協。

此外，恒速螺旋槳可提供更高的燃油效率、更好的減速平穩性、全功率時的噪音更小，并減少發動機的壓力。

恒速螺旋槳通過其沿葉片最長軸的部分旋轉能夠吸入更大的空氣，以保持其周圍氣流的最有效方向。這種操作更適合現代噴氣發動機和高性能螺旋槳驅動的飛機。

相反，固定螺距螺旋槳 (FPP) 的葉片螺距是固定的。對于較小的發動機，FPP 是更好的選擇，因為 CSP 中的額外重量會降低承載能力。此外，由于零件更少，FPP 維護成本更低，重量更輕。

制造飛機齒輪的過程

在制造齒輪時，潤滑劑的流動和減輕重量（不影響耐用性）至關重要。生產精密齒輪的關鍵是最大限度地減少變形，以便獲得復雜、精致的齒輪形狀。

制造過程需要以下內容：

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，制造商使用高質量的齒輪毛坯。然后齒輪鋼通過吸收碳進行熱處理過程，同時鋼在一氧化碳的存在下改變狀態。這個過程稱為滲碳。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，使用特殊設備檢查齒輪的精加工精度，以確定隱藏區域中沒有未被發現的缺陷。齒輪嚙合和清潔度在組裝齒輪箱前的檢查過程中也進行了徹底檢查。近年來，航空業一直在尋求實現 60 分鐘的“LOL（失去潤滑）”操作。這意味著飛機在變速箱失去潤滑后應該能夠繼續飛行，特別是對于商用飛機和執行特殊領域任務的飛機。實現這種持續時間（60 分鐘）的關鍵是高效冷卻。

用于制造齒輪的材料

滲碳鋼是飛機齒輪的首選材料。之所以做出這種選擇，是因為與其他車輛發動機中使用的許多其他齒輪相比，飛機中的齒輪必須在更高的速度、更高的負載和更高的表面溫度下發揮最大性能。然而，AISI 9310 鋼在今天的飛機齒輪制造中獲得了更多的關注。

結論

在航空領域，人們一直在努力減少燃料消耗和碳排放。要實現這一點，必須在齒輪的優化和效率方面取得進展。

逐漸地，我們越來越接近先進齒輪傳動渦扇發動機和開式轉子發動機的出現。當此類發明流行時，齒輪仍將是飛機技術的核心。事實上，沒有齒輪，可能就沒有下一代發動機！