船用功率二分支齒輪傳動系統(tǒng)均載特性研究

欒圣罡，岳彥炯，湯 魚

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

0 引 言

功率分支并車齒輪傳動裝置，因其自身結(jié)構(gòu)特點，使得該種傳動形式在船舶動力傳動系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1–2]。船舶功率分支齒輪傳動系統(tǒng)對傳動的平穩(wěn)性及接觸載荷分布的均勻性提出很高的要求，所謂功率分支載荷分布均勻（或稱均載），是指主動輪傳遞給各分支輪的嚙合作用力的大小相等，均載性不佳會導(dǎo)致載荷集中、運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)、沖擊、振動、噪聲大等負(fù)面影響[3–4]。功率二分支齒輪傳動系統(tǒng)采用功率二分支結(jié)構(gòu)，同樣存在每一分支嚙合齒對的載荷分配均勻性問題，如果載荷分配不均勻，就會造成以上負(fù)面影響，所以必需保證功率二分支傳動系統(tǒng)中各分支之間的載荷均布。在功率分支齒輪傳動系統(tǒng)中，扭力軸作為彈性構(gòu)件能夠起到調(diào)整各分支之間的載荷均布的作用，因此文中將扭力軸對功率分支齒輪傳動系統(tǒng)均載特性的影響作為研究重點。本文首先研究功率二分支齒輪傳動系統(tǒng)均載系數(shù)計算方法，進(jìn)而通過理論分析研究功率分支系統(tǒng)中扭力軸的安裝狀態(tài)對系統(tǒng)均載特性的影響以及扭力軸扭轉(zhuǎn)剛度對系統(tǒng)均載特性的影響，通過理論研究歸納扭力軸對系統(tǒng)均載特性影響規(guī)律，為該種齒輪傳動結(jié)構(gòu)的均載提供理論依據(jù)。

1 功率二分支齒輪傳動系統(tǒng)工作原理及均載機(jī)理

功率二分支齒輪傳動結(jié)構(gòu)如圖1所示。

功率二分支齒輪傳動系統(tǒng)工作原理為：Ⅰ級小齒輪將功率分成2支傳遞到2個Ⅰ級大齒輪，由Ⅰ級大齒輪和Ⅱ級小齒輪之間的扭力軸將功率傳遞到Ⅱ級小齒輪，其傳動結(jié)構(gòu)如圖2所示，Ⅱ級小齒輪將功率傳遞到Ⅱ級大齒輪，最終由Ⅱ級大齒輪將功率傳遞到輸出軸上輸出。這樣每對嚙合齒輪承受的載荷將大大降低，從而實現(xiàn)功率的分流。

圖1 功率二分支齒輪傳動結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure drawing of power two branches gear transmission

圖2 功率分支扭力軸傳動示意圖Fig.2 Transmission sketch figure of power branches

功率二分支齒輪傳動系統(tǒng)的均載機(jī)理：在載荷加載的過程中，功率二分支結(jié)構(gòu)中先有一分支的Ⅰ級大齒輪與Ⅰ級小齒輪進(jìn)入嚙合，該分支的Ⅱ級小齒輪與Ⅱ級大齒輪也同時進(jìn)入嚙合狀態(tài)，這時由于制造和安裝等誤差的影響，另一分支中的Ⅰ級齒輪副、Ⅱ級齒輪副并沒有進(jìn)入嚙合狀態(tài)，但隨著輸入載荷增加，通過先進(jìn)入嚙合狀態(tài)分支的扭力軸的彈性變形，消除了另一分支的齒側(cè)間隙，使2個分支的所有齒輪都進(jìn)入嚙合狀態(tài)。

2 功率二分支齒輪傳動系統(tǒng)均載系數(shù)計算方法

根據(jù)功率二分支齒輪傳動系統(tǒng)力學(xué)方程，通過推導(dǎo)，能夠給出該傳動類型的均載系數(shù)計算方法，圖3為傳動系統(tǒng)均載系數(shù)計算模型。具體計算過程如下：

1）計算扭力軸滿負(fù)荷時的扭轉(zhuǎn)角

圖3 功率分支系統(tǒng)均載系數(shù)計算模型Fig.3 Computational model of load sharing coefficient in power branches

式中：Mkp為扭矩；L為扭力軸長；G為剪切模量 ；Jp為極慣矩

2）Ⅰ級大齒輪圓周方向的位移計算

式中：Ψ為扭力軸轉(zhuǎn)角；dⅠ大為Ⅰ級大齒輪直徑；zⅠ大為Ⅰ級大齒輪齒數(shù)；mⅠ為Ⅰ級齒輪副模數(shù)；β為Ⅰ級大齒輪螺旋角。

3）當(dāng)左右側(cè)齒隙差為Δl時，載荷不均勻系數(shù)計算

由功率二分支齒輪傳動結(jié)構(gòu)均載機(jī)理可知，載荷不均勻的主要影響因素是由于分支齒輪副嚙合存在側(cè)隙差Δl。在齒輪傳動系統(tǒng)中，齒輪副的側(cè)隙包括法向側(cè)隙jn和齒輪副的圓周側(cè)隙jt。法向側(cè)隙jn是指齒輪副的工作齒面接觸時，兩基圓柱公切面與非工作齒面交線之間的最近距離，即是沿嚙合線方向計量的側(cè)隙。圓周側(cè)隙jt是指齒輪副中的一個齒輪固定時，另一個齒輪的圓周晃動量，以分度圓上弧長計。由均載機(jī)理分析圓周側(cè)隙jt是影響均載的主要因素。

3 扭力軸對功率二分支齒輪傳動系統(tǒng)均載影響

本文以表1中的齒輪傳動系統(tǒng)參數(shù)為研究對象，探討齒輪傳動系統(tǒng)中扭力軸在不同安裝狀態(tài)下對傳動系統(tǒng)均載特性的影響規(guī)律，同時研究扭力軸自身扭轉(zhuǎn)剛度變化對系統(tǒng)均載特性的影響情況，充分掌握扭力軸在該種齒輪傳動結(jié)構(gòu)中對均載特性的優(yōu)化作用。

表1 功率分支齒輪傳動系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of power branches gear transmission

3.1 扭力軸安裝狀態(tài)對功率二分支系統(tǒng)均載影響

功率分支齒輪傳動系統(tǒng)中扭力軸的安裝狀態(tài)分為自由安裝與加載安裝2種，自由安裝指扭力軸在傳動系統(tǒng)安裝過程中按照扭力軸的自然狀態(tài)直接與傳動系統(tǒng)相配部件進(jìn)行安裝，加載安裝則是指在安裝扭力軸的過程中，對扭力軸預(yù)加一定的扭矩，使得扭力軸在彈性變形條件下具有一定的形變，該作法的目的是為了通過扭力軸彈性變形消除功率二分支齒輪傳動系統(tǒng)中各嚙合齒對之間的側(cè)隙，使得各嚙合齒對全部進(jìn)入嚙合狀態(tài)，實現(xiàn)齒輪傳動系統(tǒng)中各分支之間的載荷均布，該種安裝方法一般只適用于單一轉(zhuǎn)向的傳動系統(tǒng)，不適合用于雙轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)。

本文分別在恒定扭矩及恒定轉(zhuǎn)速的條件下，研究扭力軸安裝狀態(tài)對系統(tǒng)均載系數(shù)的影響。通過上文給出的功率分支齒輪傳動系統(tǒng)均載系數(shù)計算方法，能夠計算得到扭力軸在自由安裝及加載安裝條件下功率二分支齒輪傳動系統(tǒng)均載系數(shù)。通過理論分析能夠得到下面結(jié)論：

在恒定扭矩條件下，扭力軸自由安裝狀態(tài)下，功率二分支齒輪傳動系統(tǒng)的均載系數(shù)要明顯高于扭力軸加載安裝的狀態(tài)，其理論分析趨勢如圖4所示。圖4表明，在恒扭矩的運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，扭力軸自由安裝與加載安裝狀體下，傳動系統(tǒng)均載系數(shù)隨著功率轉(zhuǎn)速的變化而變化，但其變化幅值較小，基本穩(wěn)定。

扭力軸在自由安裝狀態(tài)下，功率二分支齒輪傳動系統(tǒng)中的2個分支中嚙合齒對沒有進(jìn)入全部嚙合狀態(tài)，使得嚙合齒對承載齒面間存在間隙，在此情況下，隨功率轉(zhuǎn)速的變化，各分支嚙合齒對之間載荷存在振蕩的情況，導(dǎo)致各分支之間載荷分布不均。

扭力軸在加載安裝狀態(tài)下，通過扭力軸彈性變形產(chǎn)生的恢復(fù)力，能夠使得各分支嚙合齒對全部進(jìn)入嚙合狀態(tài)，使得嚙合齒對承載齒面間的間隙消除，加載運(yùn)轉(zhuǎn)過程中能夠有效改善各分支之間的載荷均布，提高傳動系統(tǒng)的平穩(wěn)性，降低系統(tǒng)振動噪聲。

圖4 恒定扭矩下扭力軸安裝方式對系統(tǒng)均載系數(shù)影響Fig.4 Influence of the installation of torsion shaft on the load sharing under constant torque

在恒定轉(zhuǎn)速條件下，扭力軸自由安裝狀態(tài)下，功率二分支齒輪傳動系統(tǒng)的均載系數(shù)同樣高于扭力軸加載安裝的狀態(tài)，其理論分析趨勢如圖5所示。圖5表明，在恒定轉(zhuǎn)速條件下，扭力軸自由安裝與加載安裝情況下，傳動系統(tǒng)均載系數(shù)隨著功率的增多而降低，說明隨著扭力軸傳遞扭矩的增大，能夠改善傳動系統(tǒng)的均載系數(shù)。

扭力軸在自由安裝狀態(tài)下，由于沒有消除各嚙合齒對之間的間隙，導(dǎo)致在傳動系統(tǒng)加載過程中出現(xiàn)各分支之間載荷波動，從而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)不均載現(xiàn)象。

圖5 恒定轉(zhuǎn)速下扭力軸安裝方式對系統(tǒng)均載系數(shù)影響Fig.5 Influence of the installation of torsion shaft on the load sharing under constant rotate speed

扭力軸在加載安裝狀態(tài)下，由于扭力軸的變形，使得各嚙合齒對之間的間隙消除，進(jìn)而在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，不會出現(xiàn)各分支之間的載荷大幅值波動，進(jìn)而能夠提高系統(tǒng)的均載效果。

3.2 扭力軸扭轉(zhuǎn)剛度對功率二分支系統(tǒng)均載影響

在扭力軸上施加相同安裝扭矩條件下，本文研究了扭力軸扭轉(zhuǎn)剛度變化對系統(tǒng)均載系數(shù)的影響，其理論分析結(jié)果如圖6所示，圖中顯示傳動系統(tǒng)均載系數(shù)隨著均載扭力軸剛度的增大而隨之增大，表明傳動系統(tǒng)的各分支之間的載荷均等效果不好。這是因為隨著扭力軸扭轉(zhuǎn)剛度的增加，能夠?qū)е屡ちS的變形更加艱難，由扭力軸在分支傳動系統(tǒng)中對于系統(tǒng)均載的調(diào)整機(jī)理可知，就是通過扭力軸的變形，來調(diào)整各嚙合齒之間的間隙，當(dāng)將全部嚙合齒輪之間的間隙消除時，分支系統(tǒng)均載，扭力軸的剛度增加，導(dǎo)致其上述補(bǔ)償效果變差，進(jìn)而使得系統(tǒng)均載效果不佳。

4 結(jié) 語

本文以功率二分支齒輪傳動系統(tǒng)為研究對象，分析該種結(jié)構(gòu)傳動系統(tǒng)均載系數(shù)的計算方法，在此基礎(chǔ)上，歸納扭力軸對該種傳動結(jié)構(gòu)均載特性影響規(guī)律，為該型傳動系統(tǒng)的均載優(yōu)化提供依據(jù)。本文研究得到下面結(jié)論：

1）在功率分支齒輪傳動系統(tǒng)中，扭力軸的安裝方式對系統(tǒng)均載性能具有重要影響，當(dāng)扭力軸采用加載安裝時，系統(tǒng)均載效果明顯好于扭力軸自由安裝的情況，因此在功率分支齒輪傳動系統(tǒng)中，扭力軸的安裝一般采用加載安裝的方式。

2）在傳動系統(tǒng)恒定扭矩條件下，傳動系統(tǒng)的均載系數(shù)變化幅值較小；在系統(tǒng)恒定轉(zhuǎn)速條件下，系統(tǒng)均載系數(shù)隨著功率的增加而變小，上述分析顯示，在大扭矩運(yùn)行條件下，傳動系統(tǒng)的均載特性會向好的方向發(fā)展，說明功率分支齒輪傳動系統(tǒng)在加載運(yùn)行的均載效果要好于空載運(yùn)行情況。

3）在扭力軸安裝扭矩恒定的情況下，齒輪傳動系統(tǒng)的均載系數(shù)隨著扭力軸扭轉(zhuǎn)剛度的增加而增大，依據(jù)此結(jié)果，在設(shè)計功率分支傳動系統(tǒng)扭力軸時，可以在安全強(qiáng)度條件下，降低扭力軸直徑，提高系統(tǒng)均載特性。

[1]常山.船舶大功率齒輪傳動裝置的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].艦船科學(xué)技術(shù), 2010, 32(7): 17–22.CHANG Shan.Progress and development trends in heavy duty marine propulsion gearing [J].Ship Science and Technology,2010, 32(7): 17–22.

[2]李杰, 王樂勤.國內(nèi)基于功率分支技術(shù)齒輪箱的發(fā)展現(xiàn)狀[J].機(jī)械傳動, 2007 (4): 106–110.LI Jie, WANG Le-qin.The present status and development of reducer based on the split power technology [J].Mechanical Transmission, 2007 (4): 106–110.

[3]戴蓓芳.齒輪箱功率分支傳動型式及其均載機(jī)構(gòu)的安裝調(diào)整[J].機(jī)械制造與研究, 2008, 37(3): 90–91.DAI Bei-fang.Adjustment of power multiple-branching transmission of gear box [J].Machine Building and Automation,2008, 37(3): 90–91.

[4]劉琳輝, 張超, 況季孫.船舶傳動裝置雙重功率分支機(jī)構(gòu)研究[J].艦船科學(xué)技術(shù), 2010, 32(8): 151–153.LIU Lin-hui, Zhang Chao, KUANG Ji-sun.Double power embranchment gear train for marine power transmission [J].Ship Science and Technology, 2010, 32(8): 151–153.