同步带传动在全垫升气垫船上的应用

彭磊

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

同步带传动在全垫升气垫船上的应用

彭磊

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

同步带传动是一种比较高效的传动方式。以同步带作为着眼点，对其发展、优缺点、分类进行总结，介绍其在气垫船上的应用与选型计算方法，并与其他传动方式作比较，展示了该产品的优点及克服其缺点的方法，对从事船舶设计，尤其是高性能船设计有一定的参考价值。

同步带传动；全垫升气垫船；应用

0 引言

同步带传动是一种比较高效的机械传动。由于它具有传动平稳、结构简单、传动比恒定、耗能少、传动效率高等特点，近年来在各种机械领域得到广泛应用，也是高速船和小型船舶常用的一种传动形式。目前，国内设计研制的中小型气垫船上就是以同步带作为主要的传动方式来代替常规的齿轮传动，完全满足了气垫船大功率、高速度、长寿命、小变形、占据空间小、重量轻等需要。本文仅就同步带传动在全垫升气垫船上的应用作简单介绍。

1 同步带传动

1.1 发展概况

有关文献记载，同步带传动早在1900年已有人研究并多次提出专利，但其实用化是在二战以后［1］。由于同步带兼具链、齿轮、三角胶带的优点，故在二战后受到重视。1940年美国尤尼罗尔橡胶公司首先对其加以开发，1946年辛加公司把同步带用于缝纫机针和缠线管的同步传动上，取得了显著效益。后期，又逐步应用到其他机械传动上。

在亚洲，日本1957年从美国引进了同步带专利，并先后由UNITTA、三星、阪东等多家橡胶公司制造，实现了产品商品化。

同步带传动在20世纪60年代初引入我国，60年代中期开始试制。由于技术及理论研究水平不足，目前国产的同步带传动存在许多问题，如产品质量差、带与轮配合欠缺等。因此，同步带的发展首先需要解决上述问题。目前，盖茨优霓塔传动系统（苏州）有限公司是国内领先的同步带生产企业。公司以美国盖茨公司技术为基础，生产出一系列满足机械、汽车、造船等工业需求的同步带［2］。

1.2 同步带传动的特点

1.2.1 优点

同步带传动由一根内周表面设有等间距齿的封闭环行胶带和具有相应齿的带轮组成，如图1所示。

图1 同步带传动

传递动力时，轮齿与带齿啮合，通过主动轮齿对带齿的挤压，把圆周力传给带的承载绳。然后通过承载绳力的传递，再由带齿对从动齿的挤压，带动从动带轮转动，完成主动轮对从动轮扭矩的传递。在梯形齿同步带传动中，带与带轮啮合时，带的齿谷底面与轮齿顶部接触将产生摩擦力，也起到传递动力的作用。与其他传动相比，同步带传动具有以下优点：

（1）工作时无滑动，有准确的传动比；

（2）传动效率高，节能效果好；

（3）传动比范围大，结构紧凑；

（4）维护保养方便，运转费用低；

（5）恶劣的环境条件下也能正常工作。

1.2.2 缺点

不过，同步带传动也存在以下缺点：

（1）安装要求高、中心距要求严格

与其他传动相比，同步带传动安装要求较高。它要求两带轮的轴线绝对平行，同步带应在与两带轮轴线垂直的平面内运转。任何偏斜将导致带齿上沿宽度方向的载荷分布不均匀，使带断裂损坏。传动的中心距要求也十分严格，中心距过大或过小，都会使带齿与轮齿不能很好啮合，产生干涉、爬齿滑动等现象，使同步带传动失效。

（2）制造工艺复杂、制造成本高

由于同步带传动属于啮合传动，带、轮均要求有精确的节距和节线长度，因此带的铸造模具及带、轮均需经过精确的齿形加工，制造费用较高。目前又出现了以碳纤维材料加工而成的同步带，其成本更加昂贵。

1.2.3 同步带传动与其他传动的性能比较

如表1所示，同步带传动与其他传动相比，在性能上具有一定的优势。

表1 同步带传动与其他传动的性能比较

续表

1.3 同步带分类

同步带按基体材料分为聚氯胺脂橡胶—钢丝组合的聚氨脂橡胶同步带，以及氯丁橡胶—玻璃纤维承载绳—锦纶包布组合的氯丁橡胶同步带两种。近年来，国外又开发了新材料用于制作同步带，即碳纤维同步带。这种材料制成的同步带具有更优越的传动性能、更高的强度、更柔韧的屈挠性能和更长的使用寿命。

同步带按齿形可分为梯形齿同步带和圆弧齿同步带。梯形齿同步带是一般工业用的同步带，它存在以下缺陷：

（1）承载能力低，使用寿命短；

（2）传动不够平稳，在高转速时有较大的振动和噪声；

（3）在传动过程中产生爬齿及跳齿现象；

（4）梯形齿断面材料没有充分利用。

随着同步带传动的研究和制造水平的发展，现已出现了一种新型的圆弧齿同步带传动。

圆弧齿同步带传动在国外又称为高转矩同步带传动（High Torgue Drive，简称HTD）或称为超扭矩强制传动（Super Torgue Positive Drive，简称STPD），UNITTA公司称之为保力强皮带（The Poly Chain GT）。事实证明，圆弧齿同步带传动比梯形齿具有更大的承载能力，振动和噪声以及使用寿命都优于梯形齿同步带传动。因此，在高速大功率同步带传动中，已普遍采用圆弧齿形同步带。目前同步带传动的标准已有相应的ISO标准。

2 在全垫升气垫船上的应用

在我国自行研制的全垫升气垫船上，同步带已有20多年的实船应用经验。

在最早设计的气垫船上，国内采用的都是直接传动方式来驱动空气螺旋桨。由于空气螺旋桨的特殊性，导致在气垫船总体布置上不得不将主机轴线安置在较高的位置，这对于船的稳性有一定的影响。后来引进了同步带，主机轴线与空气螺旋桨轴线间距可大幅度增大。这样不仅便于优化轴系布置，提高气垫船的总体性能，且传动速比可按需通过调节带轮齿数随意改变。同步带的出现在很大程度上推动了气垫船的发展。

2.1 同步带选型计算

图2是某全垫升气垫船一舷的推进轴系简图。

图2 推进轴系简图

该艇是双机、双桨模式。采用具有前后输出能力的道依茨风冷柴油机以及可调距的空气螺旋桨，由柴油机的飞轮端输出轴通过同步齿形带驱动空气螺旋桨来实现全艇的推进功能。

同步带的选型方法：首先，根据柴油机的转速2 300 r/min，空气螺旋桨的转速1 894 r/min，确定同步带的减速比为2 300/1 894=1.214；然后，根据该船设计的传递功率130 kW及运行工况对应的功率因子1.8，计算出所选用同步带的传递能力至少应该达到130×1.8=234 kW；再根据同步带传递能力及高速轴的转速查相关文献［2］中的皮带节距选择指南（Belt Pitch Selection Guide）图，如图3所示。

图3 皮带节距选择指南

由该图查得，当最高转速为2 300 r/min时，节距为8的同步带能传递的功率低于147 kW，所以应该选用节距为14 mm的同步带。然后可根据节距、功率以及带轮中心距查选型表，确定该船同步带的型号为14MGTC-2240，齿数为160，主动端齿数28、直径124.765mm（4.912 in），被动端齿数34、直径151.511 mm（5.965 in），中心距902.970 mm（35.550 in），修正因子0.99。

同步带带宽是根据功率和使用寿命期来确定的。由“（额定功率+附加功率）×修正因子”计算得出的数据去查功率评估表，可以确定同步带带宽定为90mm。为保障其使用寿命，本艇最终选择的同步带带宽为95mm。至此，同步齿形带的型号参数基本确定。

2.2 与其他传动方式的实船应用比较

同步带传动的优势是在实船上得到验证的。以20世纪90年代先后研制的两型全垫升气垫船为例，该两型艇的推进动力与额定转速完全相同（均为335 kW、2 300 r/min）。A型艇的推进轴系采用长轴系直接传动，如图4所示。B型艇的推进轴系采用同步带传动，减速比i=1.607，如图5所示。

图4 A型艇推进轴系简图

图5 B型艇推进轴系简图

由图4、图5的比较分析不难看出：A型艇因采用直接传动的方式，推进发动机必须布置得较高，发动机不可避免会影响空气螺旋桨进气流场。而且，此状态下空气螺旋桨的转速必然和发动机转速同步，空气螺旋桨的工作点无法达到最佳状态。并且由于设备重心抬高，因此也不利于艇的稳性。B型艇采用同步带传动。一方面，推进发动机可以布置得较低，大大降低了艇的重量重心（中小型气垫艇上发动机重量占全艇重量比重较大）；另一方面，同步带能实现减速（主动轮和被动轮的齿数可任意搭配），减速后的空气螺旋桨更容易满足总体性能需求，使其发挥最佳功效。

同一时期，国外某些中小型气垫艇的推进设计普遍采用螺旋锥齿轮传动方案，其推进传动简图如图6所示。

图6 国外气垫艇推进轴系简图

这种传动方式，需要特别研制一台重量轻、尺寸紧凑的直角传动螺旋锥齿轮箱。其缺点在于一旦速比和中心距确定后，齿轮箱也就确定了，此后任何微小改动都必须重新制模，成本昂贵。另外，与同步带相比，齿轮箱不仅在重量与尺寸上毫无优势，而且齿轮箱还需要考虑散热、润滑、密封等因素，在维护保障方面要求较高。对于中小型全垫升气垫船来说，实用价值不如同步带传动。

综上对比分析，对于中小功率档的全垫升气垫船，采用同步带来传递功率不仅传动比准确、运转稳定可靠，且维护保养便利、运转费用较低，能较好地配合其他传动装置发挥系统性能。

2.3在全垫升气垫船上的安装

同步带的安装要求比较高。安装如果不到位，就会影响同步带的性能和使用寿命，进而影响整船的总体性能。其正确安装方法如下：

（1）在带轮安装前应该去除带轮上的铁锈、尘埃及油污，以免同步带过早磨损。

（2）带轮安装时，应保证各带轮轴线的平行度，并使各带轮的传动中心平面位于同一平面内。以前主要依靠测量两轴线的中心距离来判断轴线是否平行，但这种方式精度太低。现在不少公司都开发出了新的工具来测量轴系平行度。如FAG公司开发的“Top-Laser SMARTY”皮带轮对中仪，可大大简化操作程序，提高轴系对中的精度。

（3）同步带安装时，必须加上适当的张紧力。带的张紧可通过改变传动装置的中心距来实现。在气垫船上，一般通过调整支承轴承的安装高度来改变两轴线中心距，从而调节带的张紧。判断带的张紧合适程度，过去常常采用在两个带轮间跨度中点上加重量来检验。现在大多采用先进的张力仪直接测量带的张紧度，其方法是利用测量带的振动频率来判断带的张紧度。

3 结论

本文以国内全垫升气垫船发展史上几艘典型的气垫船为例，对其传动方式进行对比分析，整理出同步带选型计算方法。同时，结合同期国外的中小功率档全垫升气垫船齿轮传动方式，充分论证了同步带传动方式的优点。

［1］方文中.同步带传动设计·制造·使用［M］.上海：上海科学普及出版社，1993.

［2］盖茨公司.The Driving Force in Power Transmission［M］.美国：2006.

Application of synchronous belt drive on air cushion craft

PENG Lei
（Marine Design&Research Institute of China，Shanghai 200011，China）

Synchronous belt drive is one of the most efficient driving modes.This paper summarizes the development，disadvantages and advantages，and categories of the synchronous belt，introduces its application on air cushion craft and the selection method，and displays the advantages of the product and the method to overcome its shortcomings by comparison with other driving modes.It is valuable for ship design，especially for the design of high-performance ships.

synchronous belt drive；air cushion craft；application

TH132.3+2

A

1001-9855（2012）03-0045-05

2011-12-07；

2011-12-15

彭磊（1985-），男，汉族，助理工程师，研究方向：轮机设计。