王樹春

哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150001

1 引 言

從提高效率，減小振動和噪聲，避免空泡的角度來說，螺旋槳轉(zhuǎn)速以低為好，而對主機來說，功率大，螺旋槳轉(zhuǎn)速必然高，因減速器無法使兩者同時高效率工作，由此，便出現(xiàn)了機、槳配合難的問題。螺旋槳轉(zhuǎn)速可用改變供油量進行控制，使其高效率工作，但發(fā)動機的功率是變的，耗油量也不是最低，經(jīng)濟性較差，因此，本文提出用新型脈動無級變速器代替減速器，以實現(xiàn)恒功率無級變速。

2 新型無級變速器的基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，將變偏心曲柄搖桿機構(gòu)的B轉(zhuǎn)動副擴大到包容A轉(zhuǎn)動副，便成偏心輪機構(gòu)，當偏心半徑AB可變時，便為變偏心曲柄搖桿機構(gòu)。在D轉(zhuǎn)動副上裝上面接觸超越離合器，便成曲柄搖桿組合機構(gòu)，再把兩組組合機構(gòu)的變偏心半徑按180°相角差并聯(lián)在A軸（輸入軸）及D軸（輸出軸）上，當B點繞A點轉(zhuǎn)動時C點擺動，當A、B、C三點在一直線上時C點的運動速度為零，兩組合機構(gòu)交替自鎖或超越，便成新型脈動無級變速器（圖 2）。

如圖2所示，變速桿2在輸入軸1中，其可軸向移動或與輸入軸1同步轉(zhuǎn)動。在變速桿2的圓柱面上，有與其軸向夾角相比，小于等于自鎖角的4個圓頭普通平鍵形斜鍵槽，每側(cè)兩個，在斜鍵槽內(nèi)有滑塊13，在滑塊上面有一個孔，孔裝在圓輪12及變偏心配重4的軸上。在輸入軸1的圓柱面上，每側(cè)有兩個半圓鍵形槽，對稱分布在側(cè)視圖的垂直坐標兩側(cè)，再把同一組的圓輪12及其變偏心配重4放在同一對槽中。在槽底平面上，有圓頭普通平鍵形透孔，該孔并不影響圓輪12以及在變偏心配重4上插入滑塊13的軸在透孔中移動。圓輪12和變偏心配重4的形狀類似于圓餅，在前者的外圓柱面上有止口與連桿11連接，在兩者的平面圓心上，有類似于圓頭普通平鍵形狀的透孔，透孔兩側(cè)的平行面卡在輸入軸1的半圓鍵形槽底平面上，透孔的兩個圓頭面與輸入軸1的外圓面有適當?shù)拈g隙，但這并不影響圓輪12及變偏心配重4在槽中的移動。在主視圖中，變速桿2所在位置的變偏心半徑為零，圓輪12及變偏心配重4的質(zhì)心均在變速桿2的中心線上，輸入軸1轉(zhuǎn)動時輸出軸3不轉(zhuǎn)動。向右連續(xù)拉動變速桿2至變偏心半徑最大值位置，由于斜鍵槽的斜向不同，推動滑塊13使圓輪12及變偏心配重4分別沿輸入軸1的半圓鍵形槽沿徑向向外散開移動，各質(zhì)心的移動距離為變偏心半徑，兩者大小相等，方向相反，輸出軸3的轉(zhuǎn)速由零逐漸增大至最大值。再向左連續(xù)推動變速桿2時，其運動正好相反，輸出軸3按側(cè)視圖的反時針方向轉(zhuǎn)動。與變偏心半徑最大值相比，外環(huán)8的內(nèi)半徑R要大得多，因而使得角速度波動幅度變小。由于圓輪12、連桿11和變偏心配重4的質(zhì)量起到了飛輪的作用，特別是在用燃氣輪機做動力時，速度不均勻系數(shù)δ變小。

3 面接觸超越離合器的自鎖與解鎖

現(xiàn)有的滾柱式超越離合器為線接觸，變形大，效率低，只能用于一般場合［1-6］。而如圖2所示，在滾柱10上面安裝一個弧塊7，下面安裝一個下滑塊9，板簧6被鉚釘14鉚在內(nèi)星輪3上的螺紋盲孔中。板簧6的彈力會推動下滑塊9并帶動滾柱10及弧塊7左移，同時與外環(huán)8及內(nèi)星輪3接觸并形成一定的起始摩擦力，便成為面接觸超越離合器。實踐證明，在弧塊7的R弧面上有平行的細密排油溝通向接觸面外，溝邊與溝邊之間有適當?shù)木嚯x（圖上未繪出），在超越時，無法形成動壓油膜，外環(huán)8與弧塊7總是接觸的，屬邊界潤滑，自鎖靈敏。

面接觸超越離合器的自鎖原理與滾柱式超越離合器相同，取楔角φ＝6°，小于摩擦角，不同的是，其運動副均為滑動摩擦，因此要求下滑塊9與滾柱10及內(nèi)星輪3的滑動摩擦系數(shù)值低于滾動摩擦系數(shù)值，但用提高尺寸和形狀精度，降低表面粗糙度值或更換材料等方法還尚未見到成功的先例。本文采用液體靜壓潤滑原理［7］，使滑動副被承載油膜分開，以液體摩擦狀態(tài)工作，其摩擦系數(shù)只有萬分之幾，與滾動摩擦系數(shù)相比要小得多，且自鎖可靠，解鎖阻力矩非常小，磨損小，壽命長。

該機不工作時，變速桿2在變偏心半徑為零的位置，沒有壓力油注入時，封油間隙為零。工作時，先開動主機，驅(qū)動輸入軸1及定壓油泵，注入壓力為P的高壓油，經(jīng)輸出軸3左端進入小孔節(jié)流器15以及相連很近的兩個油腔。在高壓油的作用下，零件會發(fā)生彈性變形而形成封油間隙，再向右拉變速桿2后，變偏心半徑便不再為零。設此時組合機構(gòu)1組外環(huán)8的轉(zhuǎn)速由零開始反時針轉(zhuǎn)動時為開始自鎖。外環(huán)8與弧塊7的滑動摩擦力使兩者同步轉(zhuǎn)動，其驅(qū)動轉(zhuǎn)矩使各零件在發(fā)生彈性變形，在空轉(zhuǎn)一個溜滑角α后才與內(nèi)星輪3同步轉(zhuǎn)動并完成自鎖，自鎖后，同步轉(zhuǎn)角為β。此時，輸出軸3有動力輸出，增大轉(zhuǎn)矩時封油間隙會變小，在最大轉(zhuǎn)矩時，封油間隙達到最小，弧塊7對外環(huán)8的壓力達到最大。假設最小封油間隙為0.005 mm，兩個最小封油間隙之和為0.01 mm，小孔節(jié)流器的壓力降為 0.1P、流量為 1 L／min，則油腔的油壓為0.9P。當?shù)?組組合機構(gòu)的外環(huán)8開始自鎖時，第2組組合機構(gòu)外環(huán)8的轉(zhuǎn)速由零開始順時針轉(zhuǎn)動并開始解鎖，外環(huán)8與弧塊7的滑動摩擦力使兩者順時針同步轉(zhuǎn)動，帶動滾柱10及下滑塊9右移，由此，封油間隙便逐漸增大。油的流量與進入封油間隙入口處的截面積成正比，當兩個封油間隙之和接近0.031 mm時，油的流量也由1 L／min 達到 3.1 L／min，增大了 3.1 倍。 小孔節(jié)流器15的壓力降與小孔直徑有關，與流量的平方成正比，因壓力降在由0.1P增大到其3.1的平方倍后接近于 P（0.1P×3.12＝P），因而此時油腔中的油壓接近于零，弧塊7對外環(huán)8的壓力非常小，當外環(huán)8空轉(zhuǎn)了α角后，各零件的彈性變形消失，在板簧6的彈力作用下，弧塊7便對外環(huán)8開始滑動，完成解鎖。解鎖后，外環(huán)8對弧塊7超越β角，沒有動力輸出。離合器的α角在面接觸時比線接觸時小得多，它對輸出軸3的脈動波形的連續(xù)性影響不大。在驅(qū)動力矩過大、封油間隙達到零時，由于沒有液體潤滑，便不自鎖，外環(huán)8對弧塊7滑動。

油腔的厚度比封油間隙大得多，其周圍有一定寬度的封油面，若要求兩油腔的封油間隙相同，則兩油腔的面積不等。

為減小推、拉變速桿2的阻力，對變速桿2和滑塊13采用液體靜壓潤滑技術(shù)。采用用鋼絲紡織的橡膠軟管將壓力為P的高壓油從變速桿2的右端引入至中心進油孔中，其中一路經(jīng)節(jié)流器15流入其表面上的4個油腔中，然后再經(jīng)封油間隙、回油溝流回油箱；另一路經(jīng)節(jié)流閥15進入滑塊13的兩個油腔中，然后再經(jīng)封油間隙、回油孔和回油溝流回油箱。

4 新型脈動無級變速器的效率及壽命

4.1 面接觸超越離合器的效率

機構(gòu)由運動副組成，一般運動副確定后，其效率是不變的。下面，將用求功率法來計算效率。

設轉(zhuǎn)矩為M，彈性變形角α（又稱溜滑角）屬損耗功Wf，同步轉(zhuǎn)角β屬有用功Wr，輸入功為Wa，則效率為：

假設 β＝1°，η＝0.98，可求出 α＝0.04°。 以 α為依據(jù)，用虎克定律計算出各零件的許用截面面積，它應滿足無限壽命設計N-S曲線最小應力值的要求，其壽命需比齒輪長。

4.2 對于新型脈動無級變速器效率的估算

組合機構(gòu)有4個轉(zhuǎn)動副，由于是并聯(lián)，因此只按一個組合機構(gòu)計算。脈動無級變速機構(gòu)的效率為 （0.98）4＝0.92，換向機構(gòu)的正轉(zhuǎn)效率 η換正=0.98，新型脈動無級變速器的正轉(zhuǎn)效率為η脈正＝0.92 × （0.98）2＝0.88。

5 新型無級變速器的完全平衡

在圖1中，A點為輸入軸，與燃氣輪機主軸相連，圓輪的幾何中心是變偏心半徑的質(zhì)心。假設圓輪、連桿、外環(huán)（搖桿）的質(zhì)量分別為 m1、m2、m3，其質(zhì)心分別在B、E、D點處。為平衡，用集中于B、C兩點的兩個質(zhì)量m2B和m2C代換，用質(zhì)量代換法便可求出：

在 AB 延長線上，B′（AB＝AB′）處變偏心配重的重量為（m1＋m2B）·g，即變偏心配重的重量比圓輪的重量大m2B·g。同理，在CD延長線上，C′處（取CD＝DC′）配重的重量為 m2C·g。安裝上變偏心配重及配重，可以認為A、D點分別集中了兩個質(zhì)量 mA=2（m1＋ m2B）及 mD=m3＋2m2C，便可求出 AD線上的機構(gòu)總質(zhì)心點F。由于F是定點，即aF＝0，與變偏心半徑大小無關，因而認為機構(gòu)的慣性力已得到平衡［8］。

在圖2中，向右拉變速桿2時，其左端第1個實線斜鍵槽及第2個虛線斜鍵槽中的滑塊13會推動第1組圓輪12向下移動，而其變偏心配重4則向上移動，由于兩者不在同一平面內(nèi)，便形成了反時針力偶矩。第3個實線斜鍵槽和第4個虛線斜鍵槽中的滑塊13用于推動第2組圓輪12及其變偏心配重4移動，其運動方向及形成的力偶矩與前者相反，達到了完全平衡。

6 恒功率無級變速

船舶均速直線航行時的速度為ν，船舶受到的阻力為R，燃氣輪機的額定功率供油量轉(zhuǎn)速分別為N額、Q額和N機額。R為變量，與外界條件有關。用新型脈動無級變速器控制槳轉(zhuǎn)速n槳，改變v，使三者呈R·v＝N額關系才是恒功率無級變速、燃氣輪機在額定工作點上的工作。當外界條件發(fā)生變化，如頂風行駛R增大、n機轉(zhuǎn)速下降、燃氣輪機額定工作點下移發(fā)不出N額時，向左推變速桿2，曲柄搖桿機構(gòu)的變偏心半徑便變小，n槳下降時，n機升至n機額，額定工作點回到原處。當艦船在輕載狀態(tài)下航行時，R變小，n機增大，發(fā)動機過載，額定工作點上移，向右拉變速桿2，曲柄搖桿機構(gòu)的變偏心半徑便增大，n槳增大時n機會回落到n機額，工作點回落到原處，便可實現(xiàn)恒功率無級變速，耗油量也可達到最低。

圖3所示為燃氣輪機轉(zhuǎn)速和耗油量特性曲線。在曲線最低點，為額定供油量Q額及燃氣輪機的額定轉(zhuǎn)速n機額。

7 換向機構(gòu)

倒車時，先將變速桿2向左推至零位，用動力幫助轉(zhuǎn)動換向手柄，牙嵌離合器1左移，牙嵌離合器2右移，在離合器2的牙進入嵌槽前，離合器1的牙已全部脫開嵌槽，此時，讓輸出軸3慢慢轉(zhuǎn)動。當離合器2的牙全部進入嵌槽后，鎖住手柄即可。無論是在航行狀態(tài)還是停泊狀態(tài)，均可換向，動力經(jīng) Z1、Z2、Z3、Z4、Z5 傳到螺旋槳，其與用磨擦離合及齒輪組成的換向機構(gòu)相比，不僅操作簡單，而且傳遞轉(zhuǎn)矩大。當螺旋槳被卡住時，安全離合器打滑，保護主機。

8 結(jié) 語

減速器在內(nèi)燃機船舶上的應用已近百年，但在當今世界以低碳節(jié)能為主流的情形下，其已經(jīng)是提高船舶性能的障礙。液體靜壓潤滑技術(shù)早已得到應用，它是應用面接觸超越離合器的必備條件，因此，本文提出的用新型脈動無級變速器代替減速器是可行的。

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