推力型彈性聯(lián)軸器研究

褚洪森 劉國(guó)花 譚曉星 孔曼軍

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108)

1 引言

彈性聯(lián)軸器具有傳遞轉(zhuǎn)矩、補(bǔ)償軸系位移和減小振動(dòng)噪聲的作用，廣泛應(yīng)用于船舶推進(jìn)軸系中。推力型彈性聯(lián)軸器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)聯(lián)軸器)是一種新型彈性聯(lián)軸器，被安裝在螺旋槳軸之前，除滿(mǎn)足彈性聯(lián)軸器所具有的基本功能之外，還具有承受軸向推力的能力。

該型聯(lián)軸器因其將傳扭和承推功能復(fù)合、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于快艇、巡邏艇、游艇等高速船舶推進(jìn)軸系中，目前該型產(chǎn)品還依賴(lài)于進(jìn)口。為了滿(mǎn)足高速船舶市場(chǎng)的需求，打破國(guó)外產(chǎn)品的壟斷，提高我國(guó)傳動(dòng)產(chǎn)品的自主研發(fā)能力，我們開(kāi)展了對(duì)該型聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)研究。

2 設(shè)計(jì)方法研究

2.1 工作原理及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

聯(lián)軸器的主要結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，件1為過(guò)渡盤(pán)、件2為推力塊、件3為橡膠彈性組件、件4為法蘭軸，這幾個(gè)主要部件組合起來(lái)既能傳遞轉(zhuǎn)矩，又能承受軸向的推力。

圖1 推力型彈性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖

過(guò)渡盤(pán)(件1)、推力塊(件2)和法蘭軸(件4)依次軸向布置，用于承受軸向推力。軸向推力的傳遞路徑是：法蘭軸(件4)至推力塊(件2)至過(guò)渡盤(pán)(件1)。

將橡膠彈性組件(件3)、過(guò)渡盤(pán)(件1)和法蘭軸(件4)用螺栓連接，用于傳遞轉(zhuǎn)矩，補(bǔ)償軸向、徑向和角向位移，并可承受反向推力。轉(zhuǎn)矩的傳遞路徑是：法蘭軸(件4)至橡膠彈性組件(件3)至過(guò)渡盤(pán)(件1)。

2.2 關(guān)鍵件的設(shè)計(jì)及計(jì)算

推力塊和橡膠彈性組件是整個(gè)聯(lián)軸器的關(guān)鍵部件。

推力塊的核心在于推力塊材料的選擇。推力塊的材料需要具有耐熱、耐磨性能，又具有較好的力學(xué)性能和一定的機(jī)械強(qiáng)度。酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料可以為磨具、耐火材料、摩擦材料以及電木粉提供所需要的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性能和電性能，尤其在宇航工業(yè)方面作為瞬時(shí)耐高溫和燒蝕的結(jié)構(gòu)材料有著非常重要的作用。鑒于酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料以上的優(yōu)點(diǎn)，可以作為推力塊的理想材料。

橡膠彈性組件可設(shè)計(jì)成具有通用性和模塊化的部件，以避免反復(fù)設(shè)計(jì)橡膠彈性組件的麻煩。橡膠彈性組件擬采用皮碗式結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模塊化、通用性、拆裝方便。在聯(lián)軸器選配過(guò)程中只需要調(diào)橡膠彈性組件的數(shù)量和分度圓的直徑，就可以滿(mǎn)足不同大小傳遞轉(zhuǎn)矩和補(bǔ)償能力的要求。

2.2.1 推力塊強(qiáng)度計(jì)算

推力塊用于承受軸向推力，其強(qiáng)度按照擠壓應(yīng)力公式計(jì)算，

(1)

式中：

Tmax-最大推力值，N；

S-接觸面積，mm2；

D-推力塊外徑，mm；

d-推力塊內(nèi)徑，mm；

σjy-擠壓應(yīng)力，MPa；

計(jì)算得到擠壓應(yīng)力σjy=5.2 Mpa，[σ]jy=18.5 Mpa。σjy<[σ]jy，故推力塊強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。

2.2.2 橡膠彈性組件的設(shè)計(jì)計(jì)算

橡膠彈性組件在工作過(guò)程中，靠橡膠承受的切向力傳遞轉(zhuǎn)矩，承受徑向載荷。橡膠彈性組件的強(qiáng)度是否足夠，直接影響到聯(lián)軸器的質(zhì)量。

2.2.2.1 橡膠彈性組件剛度計(jì)算

橡膠彈性組件剛度按照徑向剛度計(jì)算公式計(jì)算，

(2)

Kd=n×R2k

(3)

式中：

k-徑向剛度，N/mm；

Kd-動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度，N/mm；

G-橡膠的剪切模數(shù)，N/mm2；

l-橡膠承載長(zhǎng)度，mm；

r1、r2-橡膠元件的內(nèi)、外半徑，mm；

n-橡膠彈性組件數(shù)量；

R-橡膠彈性組件中心距，mm；

由公式(2)計(jì)算得到聯(lián)軸器的徑向剛度k=2.6 kN/mm。

由公式(3)計(jì)算得到聯(lián)軸器的動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度Kd=591 kN/mm。

由于橡膠彈性組件的動(dòng)態(tài)剪切彈性模數(shù)與產(chǎn)品形狀膠料的配方、硫化工藝、產(chǎn)品形狀等多種因素相關(guān)，聯(lián)軸器的動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度的估算只能作為計(jì)算參考，與實(shí)際情況會(huì)存在一定的誤差，此聯(lián)軸器的動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度理論計(jì)算方法需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，理論計(jì)算值在試驗(yàn)值×(±15%)的范圍內(nèi)即可。

2.2.2.2 橡膠彈性組件壓應(yīng)力計(jì)算

橡膠所承受的壓應(yīng)力可根據(jù)壓力計(jì)算公式計(jì)算得到,

(4)

式中：

E-楊氏彈性模數(shù)，N/mm2；

n-形狀系數(shù)，mm；

δ-橡膠厚度，mm；

y0-徑向撓度，mm；

σ-壓應(yīng)力，MPa；

由公式(4)計(jì)算得到壓應(yīng)力σ=2.81 MPa，[σ]=4 MPa～5 MPa。σ<[σ]，橡膠彈性組件壓應(yīng)力設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。

2.2.2.3 橡膠彈性組件剪應(yīng)力計(jì)算

橡膠所承受的剪應(yīng)力可根據(jù)公式(5)計(jì)算得到。

(5)

式中：

G-剪切模數(shù)，N/mm2；

τ-剪應(yīng)力，MPa；

由公式(5)計(jì)算得到剪應(yīng)力τ=0.14 MPa，[τ]=2 MPa。τ<[τ]，橡膠彈性組件剪應(yīng)力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.3 樣機(jī)技術(shù)參數(shù)

通過(guò)對(duì)聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)、工作原理的研究，進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)計(jì)算，將研究對(duì)象的主要技術(shù)參數(shù)設(shè)定如下：

額定轉(zhuǎn)矩：5 kN·m

最大轉(zhuǎn)矩：7.5 kN·m

動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度：591 kN·m/rad

最大角向位移：0.5°

承受最大推力：75 kN

3 樣機(jī)性能試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算方法，對(duì)聯(lián)軸器樣機(jī)(圖2)進(jìn)行了靜態(tài)特性試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)、角向位移試驗(yàn)和軸向位移試驗(yàn)等性能試驗(yàn)。

圖2 推力型彈性聯(lián)軸器樣機(jī)

該聯(lián)軸器在靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中達(dá)到了最大傳扭能力的設(shè)計(jì)要求。在動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)中動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度為532 kN·m/rad，該聯(lián)軸器理論計(jì)算的剛度為591 kN·m/rad，在532(1%±15%)kN·m/rad的范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度的理論計(jì)算方法可行；在角向位移試驗(yàn)中角向位移為0.93°時(shí)，滿(mǎn)足最大角向位移為0.5°的要求；在軸向位移試驗(yàn)中最大軸向推力75 kN時(shí)，軸向位移3.8 mm，滿(mǎn)足最大推力的要求。各個(gè)性能試驗(yàn)臺(tái)、試驗(yàn)曲線分別見(jiàn)圖3～圖9。

圖3 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)

圖4 角向位移試驗(yàn)

圖5 軸向位移試驗(yàn)

圖6 靜態(tài)扭轉(zhuǎn)曲線

圖7 動(dòng)態(tài)特性曲線

圖8 角向位移試驗(yàn)曲線

各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到研發(fā)設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法和試驗(yàn)方法是合理可行的。

4 結(jié)論

本文對(duì)推力型彈性聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)方法和試驗(yàn)驗(yàn)證方法進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)軸器的多種功能：1)補(bǔ)償軸向、徑向和角向的位移；2)減小振動(dòng)噪聲的傳遞；3)承受螺旋槳對(duì)船舶產(chǎn)生的軸向推力。目前該型聯(lián)軸器已經(jīng)成功應(yīng)用與船舶傳動(dòng)軸系中，運(yùn)行良好。

橡膠彈性組件模塊化皮碗式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了通用性；設(shè)計(jì)計(jì)算和試驗(yàn)方法的研究，可應(yīng)用到同系列產(chǎn)品的研制中，為完善該型聯(lián)軸器的系列化設(shè)計(jì)制造提供了依據(jù)，為建立設(shè)計(jì)和試驗(yàn)規(guī)范提供數(shù)據(jù)支撐。