推力型彈性聯軸器研究

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。推力型彈性聯軸器(以下簡稱聯軸器)是一種新型彈性聯軸器，被安裝在螺旋槳軸之前，除滿足彈性聯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，打破國外產品的壟斷，提高我國傳動產品的自主研發能力，我們開展了對該型聯軸器的設計研究。

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。在聯軸器選配過程中只需要調橡膠彈性組件的數量和分度圓的直徑，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-動態扭轉剛度，N/mm；

G-橡膠的剪切模數，N/mm2；

l-橡膠承載長度，mm；

r1、r2-橡膠元件的內、外半徑，mm；

n-橡膠彈性組件數量；

R-橡膠彈性組件中心距，mm；

由公式(2)計算得到聯軸器的徑向剛度k=2.6 kN/mm。

由公式(3)計算得到聯軸器的動態扭轉剛度Kd=591 kN/mm。

由于橡膠彈性組件的動態剪切彈性模數與產品形狀膠料的配方、硫化工藝、產品形狀等多種因素相關，聯軸器的動態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，此聯軸器的動態扭轉剛度理論計算方法需要進行動態性能試驗進行驗證，理論計算值在試驗值×(±15%)的范圍內即可。

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壓力計算公式計算得到,

(4)

式中：

E-楊氏彈性模數，N/mm2；

n-形狀系數，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公式(5)計算得到。

(5)

式中：

G-剪切模數，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

通過對聯軸器的結構、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設定如下：

額定轉矩：5 kN·m

最大轉矩：7.5 kN·m

動態扭轉剛度：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，對聯軸器樣機(圖2)進行了靜態特性試驗、動態特性試驗、角向位移試驗和軸向位移試驗等性能試驗。

圖2 推力型彈性聯軸器樣機

該聯軸器在靜態扭轉試驗中達到了最大傳扭能力的設計要求。在動態特性試驗中動態扭轉剛度為532 kN·m/rad，該聯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，動態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 靜態和動態性能試驗

圖4 角向位移試驗

圖5 軸向位移試驗

圖6 靜態扭轉曲線

圖7 動態特性曲線

圖8 角向位移試驗曲線

各項性能指標達到研發設計要求，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軸器的設計方法和試驗驗證方法進行了研究，實現了聯軸器的多種功能：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生的軸向推力。目前該型聯軸器已經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，實現了通用性；設計計算和試驗方法的研究，可應用到同系列產品的研制中，為完善該型聯軸器的系列化設計制造提供了依據，為建立設計和試驗規范提供數據支撐。