褚洪森 劉國花 譚曉星 孔曼軍

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108)

1 引言

彈性聯(lián)軸器具有傳遞轉矩、補償軸系位移和減小振動噪聲的作用，廣泛應用于船舶推進軸系中。推力型彈性聯(lián)軸器(以下簡稱聯(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合、結構緊湊等特點廣泛應用于快艇、巡邏艇、游艇等高速船舶推進軸系中，目前該型產(chǎn)品還依賴于進口。為了滿足高速船舶市場的需求，打破國外產(chǎn)品的壟斷，提高我國傳動產(chǎn)品的自主研發(fā)能力，我們開展了對該型聯(lián)軸器的設計研究。

2 設計方法研究

2.1 工作原理及總體結構設計

聯(lián)軸器的主要結構形式如圖1所示，件1為過渡盤、件2為推力塊、件3為橡膠彈性組件、件4為法蘭軸，這幾個主要部件組合起來既能傳遞轉矩，又能承受軸向的推力。

圖1 推力型彈性聯(lián)軸器結構圖

過渡盤(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)至過渡盤(件1)。

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

2.2 關鍵件的設計及計算

推力塊和橡膠彈性組件是整個聯(lián)軸器的關鍵部件。

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，又具有較好的力學性能和一定的機械強度。酚醛樹脂復合材料可以為磨具、耐火材料、摩擦材料以及電木粉提供所需要的機械強度、耐熱性能和電性能，尤其在宇航工業(yè)方面作為瞬時耐高溫和燒蝕的結構材料有著非常重要的作用。鑒于酚醛樹脂復合材料以上的優(yōu)點，可以作為推力塊的理想材料。

橡膠彈性組件可設計成具有通用性和模塊化的部件，以避免反復設計橡膠彈性組件的麻煩。橡膠彈性組件擬采用皮碗式結構，其特點是結構簡單，模塊化、通用性、拆裝方便。在聯(lián)軸器選配過程中只需要調(diào)橡膠彈性組件的數(shù)量和分度圓的直徑，就可以滿足不同大小傳遞轉矩和補償能力的要求。

2.2.1 推力塊強度計算

推力塊用于承受軸向推力，其強度按照擠壓應力公式計算，

(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-擠壓應力，MPa；

計算得到擠壓應力σjy=5.2 Mpa，[σ]jy=18.5 Mpa。σjy<[σ]jy，故推力塊強度設計滿足要求。

2.2.2 橡膠彈性組件的設計計算

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

2.2.2.1 橡膠彈性組件剛度計算

橡膠彈性組件剛度按照徑向剛度計算公式計算，

(2)

Kd=n×R2k

(3)

式中：

k-徑向剛度，N/mm；

Kd-動態(tài)扭轉剛度，N/mm；

G-橡膠的剪切模數(shù)，N/mm2；

l-橡膠承載長度，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)計算得到聯(lián)軸器的徑向剛度k=2.6 kN/mm。

由公式(3)計算得到聯(lián)軸器的動態(tài)扭轉剛度Kd=591 kN/mm。

由于橡膠彈性組件的動態(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，聯(lián)軸器的動態(tài)扭轉剛度的估算只能作為計算參考，與實際情況會存在一定的誤差，此聯(lián)軸器的動態(tài)扭轉剛度理論計算方法需要進行動態(tài)性能試驗進行驗證，理論計算值在試驗值×(±15%)的范圍內(nèi)即可。

2.2.2.2 橡膠彈性組件壓應力計算

橡膠所承受的壓應力可根據(jù)壓力計算公式計算得到,

(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-壓應力，MPa；

由公式(4)計算得到壓應力σ=2.81 MPa，[σ]=4 MPa～5 MPa。σ<[σ]，橡膠彈性組件壓應力設計滿足要求。

2.2.2.3 橡膠彈性組件剪應力計算

橡膠所承受的剪應力可根據(jù)公式(5)計算得到。

(5)

式中：

G-剪切模數(shù)，N/mm2；

τ-剪應力，MPa；

由公式(5)計算得到剪應力τ=0.14 MPa，[τ]=2 MPa。τ<[τ]，橡膠彈性組件剪應力滿足設計要求。

2.3 樣機技術參數(shù)

通過對聯(lián)軸器的結構、工作原理的研究，進行了理論設計計算，將研究對象的主要技術參數(shù)設定如下：

額定轉矩：5 kN·m

最大轉矩：7.5 kN·m

動態(tài)扭轉剛度：591 kN·m/rad

最大角向位移：0.5°

承受最大推力：75 kN

3 樣機性能試驗驗證

為了驗證設計計算方法，對聯(lián)軸器樣機(圖2)進行了靜態(tài)特性試驗、動態(tài)特性試驗、角向位移試驗和軸向位移試驗等性能試驗。

圖2 推力型彈性聯(lián)軸器樣機

該聯(lián)軸器在靜態(tài)扭轉試驗中達到了最大傳扭能力的設計要求。在動態(tài)特性試驗中動態(tài)扭轉剛度為532 kN·m/rad，該聯(lián)軸器理論計算的剛度為591 kN·m/rad，在532(1%±15%)kN·m/rad的范圍內(nèi)，動態(tài)扭轉剛度的理論計算方法可行；在角向位移試驗中角向位移為0.93°時，滿足最大角向位移為0.5°的要求；在軸向位移試驗中最大軸向推力75 kN時，軸向位移3.8 mm，滿足最大推力的要求。各個性能試驗臺、試驗曲線分別見圖3～圖9。

圖3 靜態(tài)和動態(tài)性能試驗

圖4 角向位移試驗

圖5 軸向位移試驗

圖6 靜態(tài)扭轉曲線

圖7 動態(tài)特性曲線

圖8 角向位移試驗曲線

各項性能指標達到研發(fā)設計要求，驗證了設計方法和試驗方法是合理可行的。

4 結論

本文對推力型彈性聯(lián)軸器的設計方法和試驗驗證方法進行了研究，實現(xiàn)了聯(lián)軸器的多種功能：1)補償軸向、徑向和角向的位移；2)減小振動噪聲的傳遞；3)承受螺旋槳對船舶產(chǎn)生的軸向推力。目前該型聯(lián)軸器已經(jīng)成功應用與船舶傳動軸系中，運行良好。

橡膠彈性組件模塊化皮碗式的結構設計，實現(xiàn)了通用性；設計計算和試驗方法的研究，可應用到同系列產(chǎn)品的研制中，為完善該型聯(lián)軸器的系列化設計制造提供了依據(jù)，為建立設計和試驗規(guī)范提供數(shù)據(jù)支撐。