船用功率二分支齿轮传动系统均载特性研究

栾圣罡，岳彦炯，汤 鱼

(中国船舶重工集团公司第七〇三研究所，黑龙江 哈尔滨 150078)

0 引 言

功率分支并车齿轮传动装置，因其自身结构特点，使得该种传动形式在船舶动力传动系统中得到广泛应用[1–2]。船舶功率分支齿轮传动系统对传动的平稳性及接触载荷分布的均匀性提出很高的要求，所谓功率分支载荷分布均匀（或称均载），是指主动轮传递给各分支轮的啮合作用力的大小相等，均载性不佳会导致载荷集中、运转不平稳、冲击、振动、噪声大等负面影响[3–4]。功率二分支齿轮传动系统采用功率二分支结构，同样存在每一分支啮合齿对的载荷分配均匀性问题，如果载荷分配不均匀，就会造成以上负面影响，所以必需保证功率二分支传动系统中各分支之间的载荷均布。在功率分支齿轮传动系统中，扭力轴作为弹性构件能够起到调整各分支之间的载荷均布的作用，因此文中将扭力轴对功率分支齿轮传动系统均载特性的影响作为研究重点。本文首先研究功率二分支齿轮传动系统均载系数计算方法，进而通过理论分析研究功率分支系统中扭力轴的安装状态对系统均载特性的影响以及扭力轴扭转刚度对系统均载特性的影响，通过理论研究归纳扭力轴对系统均载特性影响规律，为该种齿轮传动结构的均载提供理论依据。

1 功率二分支齿轮传动系统工作原理及均载机理

功率二分支齿轮传动结构如图1所示。

功率二分支齿轮传动系统工作原理为：Ⅰ级小齿轮将功率分成2支传递到2个Ⅰ级大齿轮，由Ⅰ级大齿轮和Ⅱ级小齿轮之间的扭力轴将功率传递到Ⅱ级小齿轮，其传动结构如图2所示，Ⅱ级小齿轮将功率传递到Ⅱ级大齿轮，最终由Ⅱ级大齿轮将功率传递到输出轴上输出。这样每对啮合齿轮承受的载荷将大大降低，从而实现功率的分流。

图1 功率二分支齿轮传动结构图Fig.1 Structure drawing of power two branches gear transmission

图2 功率分支扭力轴传动示意图Fig.2 Transmission sketch figure of power branches

功率二分支齿轮传动系统的均载机理：在载荷加载的过程中，功率二分支结构中先有一分支的Ⅰ级大齿轮与Ⅰ级小齿轮进入啮合，该分支的Ⅱ级小齿轮与Ⅱ级大齿轮也同时进入啮合状态，这时由于制造和安装等误差的影响，另一分支中的Ⅰ级齿轮副、Ⅱ级齿轮副并没有进入啮合状态，但随着输入载荷增加，通过先进入啮合状态分支的扭力轴的弹性变形，消除了另一分支的齿侧间隙，使2个分支的所有齿轮都进入啮合状态。

2 功率二分支齿轮传动系统均载系数计算方法

根据功率二分支齿轮传动系统力学方程，通过推导，能够给出该传动类型的均载系数计算方法，图3为传动系统均载系数计算模型。具体计算过程如下：

1）计算扭力轴满负荷时的扭转角

图3 功率分支系统均载系数计算模型Fig.3 Computational model of load sharing coefficient in power branches

式中：Mkp为扭矩；L为扭力轴长；G为剪切模量 ；Jp为极惯矩

2）Ⅰ级大齿轮圆周方向的位移计算

式中：Ψ为扭力轴转角；dⅠ大为Ⅰ级大齿轮直径；zⅠ大为Ⅰ级大齿轮齿数；mⅠ为Ⅰ级齿轮副模数；β为Ⅰ级大齿轮螺旋角。

3）当左右侧齿隙差为Δl时，载荷不均匀系数计算

由功率二分支齿轮传动结构均载机理可知，载荷不均匀的主要影响因素是由于分支齿轮副啮合存在侧隙差Δl。在齿轮传动系统中，齿轮副的侧隙包括法向侧隙jn和齿轮副的圆周侧隙jt。法向侧隙jn是指齿轮副的工作齿面接触时，两基圆柱公切面与非工作齿面交线之间的最近距离，即是沿啮合线方向计量的侧隙。圆周侧隙jt是指齿轮副中的一个齿轮固定时，另一个齿轮的圆周晃动量，以分度圆上弧长计。由均载机理分析圆周侧隙jt是影响均载的主要因素。

3 扭力轴对功率二分支齿轮传动系统均载影响

本文以表1中的齿轮传动系统参数为研究对象，探讨齿轮传动系统中扭力轴在不同安装状态下对传动系统均载特性的影响规律，同时研究扭力轴自身扭转刚度变化对系统均载特性的影响情况，充分掌握扭力轴在该种齿轮传动结构中对均载特性的优化作用。

表1 功率分支齿轮传动系统主要参数Tab.1 Main parameters of power branches gear transmission

3.1 扭力轴安装状态对功率二分支系统均载影响

功率分支齿轮传动系统中扭力轴的安装状态分为自由安装与加载安装2种，自由安装指扭力轴在传动系统安装过程中按照扭力轴的自然状态直接与传动系统相配部件进行安装，加载安装则是指在安装扭力轴的过程中，对扭力轴预加一定的扭矩，使得扭力轴在弹性变形条件下具有一定的形变，该作法的目的是为了通过扭力轴弹性变形消除功率二分支齿轮传动系统中各啮合齿对之间的侧隙，使得各啮合齿对全部进入啮合状态，实现齿轮传动系统中各分支之间的载荷均布，该种安装方法一般只适用于单一转向的传动系统，不适合用于双转向传动系统。

本文分别在恒定扭矩及恒定转速的条件下，研究扭力轴安装状态对系统均载系数的影响。通过上文给出的功率分支齿轮传动系统均载系数计算方法，能够计算得到扭力轴在自由安装及加载安装条件下功率二分支齿轮传动系统均载系数。通过理论分析能够得到下面结论：

在恒定扭矩条件下，扭力轴自由安装状态下，功率二分支齿轮传动系统的均载系数要明显高于扭力轴加载安装的状态，其理论分析趋势如图4所示。图4表明，在恒扭矩的运转情况下，扭力轴自由安装与加载安装状体下，传动系统均载系数随着功率转速的变化而变化，但其变化幅值较小，基本稳定。

扭力轴在自由安装状态下，功率二分支齿轮传动系统中的2个分支中啮合齿对没有进入全部啮合状态，使得啮合齿对承载齿面间存在间隙，在此情况下，随功率转速的变化，各分支啮合齿对之间载荷存在振荡的情况，导致各分支之间载荷分布不均。

扭力轴在加载安装状态下，通过扭力轴弹性变形产生的恢复力，能够使得各分支啮合齿对全部进入啮合状态，使得啮合齿对承载齿面间的间隙消除，加载运转过程中能够有效改善各分支之间的载荷均布，提高传动系统的平稳性，降低系统振动噪声。

图4 恒定扭矩下扭力轴安装方式对系统均载系数影响Fig.4 Influence of the installation of torsion shaft on the load sharing under constant torque

在恒定转速条件下，扭力轴自由安装状态下，功率二分支齿轮传动系统的均载系数同样高于扭力轴加载安装的状态，其理论分析趋势如图5所示。图5表明，在恒定转速条件下，扭力轴自由安装与加载安装情况下，传动系统均载系数随着功率的增多而降低，说明随着扭力轴传递扭矩的增大，能够改善传动系统的均载系数。

扭力轴在自由安装状态下，由于没有消除各啮合齿对之间的间隙，导致在传动系统加载过程中出现各分支之间载荷波动，从而导致系统出现不均载现象。

图5 恒定转速下扭力轴安装方式对系统均载系数影响Fig.5 Influence of the installation of torsion shaft on the load sharing under constant rotate speed

扭力轴在加载安装状态下，由于扭力轴的变形，使得各啮合齿对之间的间隙消除，进而在系统运转过程中，不会出现各分支之间的载荷大幅值波动，进而能够提高系统的均载效果。

3.2 扭力轴扭转刚度对功率二分支系统均载影响

在扭力轴上施加相同安装扭矩条件下，本文研究了扭力轴扭转刚度变化对系统均载系数的影响，其理论分析结果如图6所示，图中显示传动系统均载系数随着均载扭力轴刚度的增大而随之增大，表明传动系统的各分支之间的载荷均等效果不好。这是因为随着扭力轴扭转刚度的增加，能够导致扭力轴的变形更加艰难，由扭力轴在分支传动系统中对于系统均载的调整机理可知，就是通过扭力轴的变形，来调整各啮合齿之间的间隙，当将全部啮合齿轮之间的间隙消除时，分支系统均载，扭力轴的刚度增加，导致其上述补偿效果变差，进而使得系统均载效果不佳。

4 结 语

本文以功率二分支齿轮传动系统为研究对象，分析该种结构传动系统均载系数的计算方法，在此基础上，归纳扭力轴对该种传动结构均载特性影响规律，为该型传动系统的均载优化提供依据。本文研究得到下面结论：

1）在功率分支齿轮传动系统中，扭力轴的安装方式对系统均载性能具有重要影响，当扭力轴采用加载安装时，系统均载效果明显好于扭力轴自由安装的情况，因此在功率分支齿轮传动系统中，扭力轴的安装一般采用加载安装的方式。

2）在传动系统恒定扭矩条件下，传动系统的均载系数变化幅值较小；在系统恒定转速条件下，系统均载系数随着功率的增加而变小，上述分析显示，在大扭矩运行条件下，传动系统的均载特性会向好的方向发展，说明功率分支齿轮传动系统在加载运行的均载效果要好于空载运行情况。

3）在扭力轴安装扭矩恒定的情况下，齿轮传动系统的均载系数随着扭力轴扭转刚度的增加而增大，依据此结果，在设计功率分支传动系统扭力轴时，可以在安全强度条件下，降低扭力轴直径，提高系统均载特性。

[1]常山.船舶大功率齿轮传动装置的技术发展现状与展望[J].舰船科学技术, 2010, 32(7): 17–22.CHANG Shan.Progress and development trends in heavy duty marine propulsion gearing [J].Ship Science and Technology,2010, 32(7): 17–22.

[2]李杰, 王乐勤.国内基于功率分支技术齿轮箱的发展现状[J].机械传动, 2007 (4): 106–110.LI Jie, WANG Le-qin.The present status and development of reducer based on the split power technology [J].Mechanical Transmission, 2007 (4): 106–110.

[3]戴蓓芳.齿轮箱功率分支传动型式及其均载机构的安装调整[J].机械制造与研究, 2008, 37(3): 90–91.DAI Bei-fang.Adjustment of power multiple-branching transmission of gear box [J].Machine Building and Automation,2008, 37(3): 90–91.

[4]刘琳辉, 张超, 况季孙.船舶传动装置双重功率分支机构研究[J].舰船科学技术, 2010, 32(8): 151–153.LIU Lin-hui, Zhang Chao, KUANG Ji-sun.Double power embranchment gear train for marine power transmission [J].Ship Science and Technology, 2010, 32(8): 151–153.