船用燃?xì)廨啓C(jī)傳動系統(tǒng)中3S離合器工作原理與模型

葛仁超

● （海軍裝備部 沈陽軍事代表局，遼寧沈陽 110031）

船用燃?xì)廨啓C(jī)傳動系統(tǒng)中3S離合器工作原理與模型

葛仁超

● （海軍裝備部 沈陽軍事代表局，遼寧沈陽 110031）

3S（Synchro-Self-Shifting）離合器作為柴—燃聯(lián)合動力裝置（CODOG）中的關(guān)鍵部件，其性能直接影響著推進(jìn)系統(tǒng)的整體性能，進(jìn)而影響艦船的總體性能。闡述了 3S離合器的原理與結(jié)構(gòu)以及數(shù)學(xué)模型，這研究CODOG動力裝置切換過程有重要意義。

燃?xì)廨啓C(jī)；傳動；離合器；模型

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)[1]與螺旋槳之間需用恰當(dāng)?shù)膫鲃釉O(shè)備來實(shí)現(xiàn)功率的傳遞。首先是兩者轉(zhuǎn)速相差很大，例如大型艦船的螺旋槳轉(zhuǎn)速僅每分鐘數(shù)百轉(zhuǎn)，而燃?xì)廨啓C(jī)輸出轉(zhuǎn)速每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)，必須通過大減速比的齒輪箱來傳動給螺旋槳。而聯(lián)合動力裝置，齒輪箱還兼有將兩臺機(jī)組實(shí)現(xiàn)交替?zhèn)鲃踊虿④噦鲃拥墓δ埽丛邶X輪箱中要加裝離合器。離合器是傳動系統(tǒng)中的重要部件，現(xiàn)用的有3S離合器和液力偶合器，其中3S離合器在運(yùn)行中能自動實(shí)現(xiàn)嚙合與分離，工作平穩(wěn)，無傳動損失，得到了廣泛的應(yīng)用。

1 3S離合器結(jié)構(gòu)與工作原理

3S離合器為自動同步離合器(Synchro-Self-Shifting Clutch)，在主動件與從動件之間轉(zhuǎn)速同步時(shí)，離合器能實(shí)現(xiàn)自動嚙合與分離來滿足運(yùn)行的需要。圖1為3S離合器簡圖，它在主動件與從動件之間有一滑動件，并有棘輪和棘爪。滑動件與從動件之間以螺旋花鍵傳遞扭矩，并靠傳扭方向的變化使滑動件左移或右移，實(shí)現(xiàn)離合器的分離和嚙合。棘爪在滑動件上，棘輪在從動件上。

圖1 3S離合器

動力裝置在靜止時(shí)，離合器處于圖1中上半位置。當(dāng)主動件開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，棘輪對棘齒產(chǎn)生作用力，使滑動件相對于主動件旋轉(zhuǎn)，受螺旋花鍵的導(dǎo)向作用，滑動件向右側(cè)移動，變?yōu)閳D中下半部所示的離合器齒嚙合的狀態(tài)，主動件帶動從動件一起旋轉(zhuǎn)。這就是動力裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)機(jī)組開始起動投運(yùn)的工況。

動力裝置運(yùn)行時(shí)，處于主動件端的機(jī)組若要停機(jī)，而從動件端仍要繼續(xù)工作時(shí)，隨著主動件端轉(zhuǎn)速下降，螺旋花鍵傳遞的力矩反向，使滑動件向左側(cè)移動，離合器齒就分離，變?yōu)閳D1的上半部位置，于是主動件端機(jī)組停機(jī)。這相當(dāng)于動力裝置中一臺機(jī)組需繼續(xù)運(yùn)行而另一臺機(jī)組要脫開而停機(jī)的工況。

當(dāng)從動件端在工作，而主動件端由靜止?fàn)顟B(tài)投運(yùn)時(shí)，主動件端機(jī)組開始起動加速到轉(zhuǎn)速同步并略為超過從動件的轉(zhuǎn)速，棘輪就會對棘齒產(chǎn)生作用力，使滑動件右移，離合器齒嚙合，機(jī)組的功率由主動件傳給從動件。這相當(dāng)于動力裝置中原有一臺機(jī)組工作時(shí)，另一臺機(jī)組起動投運(yùn)實(shí)現(xiàn)兩臺機(jī)組并車轉(zhuǎn)動螺旋槳的工況。

因此，3S離合器可在運(yùn)行中自動實(shí)現(xiàn)離合，良好地滿足聯(lián)合動力裝置工作的需求。

2 3S離合器模型

考慮到3S離合器的工作原理，建立如圖2所示的3S離合器模型[2]。圖2中3S離合器的輸入為主動軸和從動軸的轉(zhuǎn)速以及主動軸的扭矩，輸出則為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和 3S離合器狀態(tài)信號。當(dāng)主動軸和從動軸之間的轉(zhuǎn)速差大于一定值時(shí)，3S離合器嚙合；反之，3S離合器脫開。模型中對離合器的完全嚙合或脫開需要一個(gè)時(shí)間延遲，同時(shí)，模型中對離合器所能傳遞的最大和最小扭矩作了限制，這里認(rèn)為所能傳遞的最大扭矩為110%，最小扭矩為10%，這兩個(gè)數(shù)值也是可調(diào)的。

圖2 3S離合器模型

2.1 嚙合過程

處于脫開狀態(tài)的3S離合器，主動件靜止或低于從動件的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，棘輪和棘爪處于脫離狀態(tài)，此時(shí)若主動件加速超過從動件的速度，3S離合器即發(fā)生嚙合。

主動件的受力情況如圖3所示。主動件上有主動力距M1；螺旋齒上的阻力距Mz；與Mz相應(yīng)的軸向力Fa；軸承反力Fb；結(jié)合面A、B、C(C’)、D 和E處的摩擦力總和Ff’；與之相應(yīng)的力矩Mf’；齒面摩擦力Ff和與之相應(yīng)的摩擦力矩Mf。

圖3 3S離合器模型

對Ff和Mf，選定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)f，把摩擦力當(dāng)作一個(gè)常數(shù)來處理，令摩擦角θ=tan-1(f /cosα)，系數(shù)Cβ=Dt/(2tanβ)，則摩擦力及摩擦力矩為：

式中：Ffa為Ff的軸向分力；Fa為與Mz相應(yīng)的軸向分力；Dt為螺旋齒分度圓直徑；β為螺旋角；α為螺旋齒法面壓力角。從流體潤滑的角度分析，摩擦力Ff’即為克服油膜粘性的剪切應(yīng)力。考慮其工作狀態(tài)與滑動軸承的工作狀態(tài)極其相似，按短軸承的相關(guān)計(jì)算理論計(jì)算摩擦力：F=(2π ·η · ν · R · L · C-1)/(1-ε2)-1/2。

式中：η為動力粘度；ν為相對速度；R為軸頸半徑；L為軸承寬度（結(jié)合面的軸向?qū)挾龋籆為結(jié)合面概率上的半徑差。以下給出結(jié)合面的基本尺寸及公差（單位：㎜）：

與Ff’相應(yīng)的摩擦力矩：

1）對主動件有力矩方程：

式中：J1、ω1分別為主動件的轉(zhuǎn)動慣量和角加速度。

2）中間件相對主動件有相對運(yùn)動，設(shè)中間件相對主動件在圓周方向轉(zhuǎn)角 φr，軸向移動 Lr，有幾何關(guān)系：tanβ=(-Dt/2)φr/Lr，可得 Lr=-Cβ·φr，則：d2Lr/dt2=-Cβ·(d2φr/dt2)。

式中：Dt為螺旋齒分度圓直徑；β為螺旋角。即：

式中：Vz為中間件軸向速度；ωz、εz分別為中間件的相對角速度和角加速度。中間件的行程為：

式中：a、b分別為仿真開始及結(jié)束時(shí)間（位移始點(diǎn)和終點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)間）。

圖4 中間件的受力分析

3）中間件的受力分析如圖4所示，對中間件來說，Mz、Mf、Mf’是主動力矩，Mr是從動件給中間件的阻力矩，F(xiàn)r、Mr’是在軸向位移經(jīng)過2mm后齒面嚙合產(chǎn)生的摩擦力及力矩。

由于從動件的角速度ω2和角加速度ε2分別等于中間件的絕對角速度和角加速度，即：ω2=ω1+ωz，ε2=ε1+εz，則 ωz=-(ω1-ω2)，εz=-(ε1-ε2)。

式中：FR為駐退阻尼力（在我們的實(shí)驗(yàn)臺上，駐退阻尼力主要發(fā)生在嚙合的后5mm，而前10mm阻尼力很小，這樣才能使離合器順利脫開）；J為考慮了摩擦力的中間當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量；mz為中間件的質(zhì)量；Jz為中間件的轉(zhuǎn)動慣量。

摩擦力：Fr’=Mr· f /(Ds/2)

式中：Ds為G處齒輪分度圓直徑(Ds=0.17m)。

力矩方程：

4）從動件的受力分析如圖5所示，從動件的受力較為簡單：中間件施加的動力距Mr，阻力距Mr＇，負(fù)載M2。

力矩方程：

式中：J2、ε2分別為從動件的轉(zhuǎn)動慣量和角加速度。

圖5 從動件的受力分析

2.2 脫開過程

嚙合狀態(tài)的3S離合器，若主動件減速，或從動件加速，或兩者兼而有之，離合器發(fā)生脫開，當(dāng)離合器一端是正扭矩，一端是反扭矩，并且反扭矩的作用大時(shí)，離合器也能脫開。其計(jì)算過程只要在上述嚙合的基礎(chǔ)上，改變一些量的方向即可。其計(jì)算過程只要在上述嚙合的基礎(chǔ)上，改變一些量的方向即可。

根據(jù)式（1）～（19）用Matlab/Simulink圖形化流程圖式編程語言可建立起3S離合器的仿真模塊，將這些模塊連接起來形成如圖6所示的3S離合器模型。

圖6 3S離合器模型

3S離合器主動件、中間件和從動件模型分別如圖7～9所示。

圖7 3S離合器主動件模型

圖8 3S離合器中間件模型

圖9 3S離合器中間件模型

3 應(yīng)用及結(jié)果

3S離合器模型是組成柴—燃聯(lián)合動力裝置實(shí)驗(yàn)臺模型的一部分，與柴油機(jī)模型、燃?xì)廨啓C(jī)模型等配合，可進(jìn)行CODOG系統(tǒng)各種工作過程的動態(tài)仿真，還可進(jìn)行其它多種方案下切換控制模式的仿真，甚至可以進(jìn)行一些可能發(fā)生破壞性結(jié)果而在物理實(shí)驗(yàn)臺上無法進(jìn)行的工作的仿真。

[1]姜 偉. 燃?xì)廨啓C(jī)原理、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2002.

[2]勞爾（美）. 仿真建模與分析[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2009.

Principle and Model of 3S Clutch in Marine Gas Turbine Drivetrain System

GE Ren-chao(Naval Armaments Department, Bureau of Shenyang Military Representative, Shenyang 110031, China)

3S (Synchro-Self-Shifting) clutch is a critical component of CODOG (Combined Diesel on Gas Turbine) power plant. Its performance directly affects the overall performance of the propulsion system, thus affects the overall performance of the ship. The principle, structure and mathematical model of 3S clutch are described, which is significant to study the CODOG power device switching process.

gas turbine; drive train; clutch; model

U664.131

A

葛仁超（1981-），男，工程師。主要從事蒸汽、燃?xì)鈩恿ρb置建造和質(zhì)量監(jiān)督工作。