深海集成油壓動力源的傳動不對中研究

陸鈞成，柯堅，劉桓龍，王國志，蔣超猛

(西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031)

0 前言

(1)聯軸器傳動方式如圖1所示。

不對中是機械傳動時的正常現象，引起不對中的原因有二，一是安裝不對中，二是傳動不對中。安裝不對中主要是因為系統各零件加工精度不高造成的。傳動不對中主要是因為系統在運轉過程中的摩擦和撞擊等原因造成的。摩擦和撞擊會加劇各零件嚙合處的磨損，使得各零件嚙合處精度變低，不對中量增大，所以在系統運轉過程中，不對中量會慢慢變大直到最終系統失效［1-2］。系統起始的工作狀態就非常重要，只要控制好系統起始的工作狀態，就能保證系統的可靠性和壽命。系統一開始的工作狀態主要看安裝精度和應力大小，文中著重考慮系統傳動部分的嚙合應力，以盡量減小傳動應力為目的，對傳動載體進行優化，從而改善系統的起始工作狀態。

1 傳動模型

1．1 傳動方式

圖1 聯軸器傳動方式

動力源的動力傳動方式有聯軸器傳動和直接傳動兩種。

液壓泵軸與電機軸和聯軸器的嚙合長度都為l。聯軸器通過液壓泵軸與電機軸的支撐實現徑向定位，聯軸器中間裝有圓形擋圈，通過圓形擋圈與左右兩軸的配合阻止其左右竄動，從而實現聯軸器軸向定位［2］。

(2)直接傳動方式如圖2所示。

圖2 直接傳動方式

與聯軸器傳動方式不同，直接傳動采用直接在液壓泵軸上加工外花鍵，同時在電機軸上加工內花鍵的方式來傳遞動力。在連接橫向尺寸上比聯軸器縮短了一半。

2 不對中

動力源在實際工作時，很難保證液壓泵軸與電機軸絕對的對中安裝，即使初始安裝對中良好，在系統工作一段時間后，由于振動、磨損、安裝松動等原因也會使得傳動載體與傳動軸之間的不對中量變大，從而降低系統的工作性能。

2．1 平行不對中

(1)花鍵聯軸器傳動方式的平行不對中如圖3所示。

圖3 平行不對中

液壓泵軸與電機軸的不對中量為e，液壓泵軸與聯軸器軸的不對中量為e1，電機軸與聯軸器軸的不對中量為e2。由圖3可以看出e=e1+e2。由于安裝條件的限制，聯軸器只能由兩軸定位，在實際工作時，不對中將不可避免，并且各齒的最大應力會隨不對中量的變化發生周期性變化。

(2)花鍵直接傳動方式的平行不對中情況如圖4所示。

圖4 平行不對中

相對于花鍵聯軸器傳動方式，花鍵直接傳動方式的平行不對中不管是在結構上還是在不對中機制上都要簡單得多。液壓泵軸與電機軸的不對中量為e，液壓泵軸與電機軸的自由度都為1，所以動力傳動相對平穩，各齒最大應力在動力傳動時的變化較小［3-6］。

2．2 角度不對中

(1)花鍵聯軸器傳動方式的角度不對中如圖5所示。

圖5 角度不對中

液壓泵軸與聯軸器軸的角度不對中值為θ1，電機軸與聯軸器軸的角度不對中值為θ2。角度不對中有兩種主要形式，分別為兩軸偏向同一方向，如圖5a所示(θ=θ1+θ2);以及兩軸偏向不同方向，如圖5b所示，此時兩軸近似平行(θ1≈θ2)。

(2)花鍵直接傳動方式的角度不對中情況如圖6所示。

圖6 角度不對中

同樣，相對于花鍵聯軸器傳動方式，花鍵直接傳動方式的結構就要簡單得多，角度不對中值為θ，傳動過程中各齒的最大應力會隨不對中量的變化發生周期性變化［3-6］。

2．3 對比

花鍵聯軸器傳動方式與花鍵直接傳動方式在動力傳動時各有優缺點，分4個方面進行比較:

(1)采用花鍵聯軸器傳動的動力的整體尺寸較花鍵直接傳動大，不符合動力源的輕量化要求;

(2)花鍵聯軸器結構較為復雜，自由度較多，安裝精度不易控制［7］;而花鍵直接傳動方式的結構簡單，自由度少，安裝方便且安裝精度容易控制;

(3)花鍵聯軸器的各齒最大應力在動力傳動過程中會發生周期性變化，能夠有效避免應力集中，減小傳動載體的失效率［8］;而花鍵直接傳動方式因為各齒最大應力在動力傳動過程中變化較小，應力集中，失效率較大;

(4)花鍵直接傳動方式的兩軸嚙合為剛性嚙合，花鍵齒在動力傳動過程中容易發生剛性脆斷;而花鍵聯軸器方式在動力傳動過程中，花鍵能夠起到緩沖保護作用。

通過以上4點對比，權衡利弊，動力源選用直接傳動方式來傳遞動力。

3 對中仿真

對中安裝時，花鍵嚙合寬度越大，最大應力越小;花鍵嚙合寬度越小，最大應力越大。但動力源有功率密度的限制，花鍵嚙合寬度必須控制在一定范圍內。也就是說，從花鍵強度角度考慮的話，花鍵嚙合寬度越大越好，從動力源功率密度限制方面考慮的話，花鍵嚙合寬度越小越好。對于不同大小的l，對對中安裝的花鍵嚙合應力進行仿真，仿真結果如圖9所示。

圖9 對中安裝應力仿真結果

由圖9可以看出，花鍵的最大應力隨嚙合寬度的增大整體呈近乎一條直線的趨勢下降。

4 不對中仿真

4．1 平行不對中仿真

直接傳動方式的平行不對中仿真結果如圖10所示。

圖10 直接傳動平行不對中仿真結果

由圖10的仿真結果可以看出，隨著平行不對中量的增大，相同嚙合寬度的花鍵齒的最大應力也增大，且增大的幅度隨嚙合寬度的增大越來越小。

4．2 角度不對中仿真

直接傳動方式的角度不對中仿真結果如圖11所示。

圖11 直接傳動角度不對中仿真結果

由圖11的仿真結果可以看出，隨著角度不對中量的增大，相同嚙合寬度的花鍵齒的最大應力會增大，且增大的幅度越來越大;角度不對中量不變，花鍵齒的最大應力隨嚙合寬度的增大先減小后增大，這期間有一個拐點，角度不對中值為0．5°、1°、1．5°時，拐點大概出現在嚙合寬度為23、21、19 mm的這些點上，由此可見，隨著角度不對中值的逐漸增大，花鍵嚙合寬度的最優值會相應地減小。

5 結論

(1)雖然花鍵聯軸器在系統動力傳動過程中能夠起到壓力緩沖的作用，但由于動力源功率密度的限制，動力源選用花鍵直接傳動方式傳遞動力。

(2)平行不對中應力沒有拐點，其對系統應力的影響不大。因此，如果不對中不可避免，可盡量調整將角度不對中轉化為平行不對中。

(3)對中傳動時，嚙合寬度越大越好，但實際情況是不可能保證完全的對中，特別當傳動存在較大角度不對中量時，太大的嚙合寬度反而會縮短傳動壽命。

(4)對于一開始安裝對中的傳動，可能工作一段時間后會出現不對中情況。所以動力源必須定期對傳動部分進行檢查，發現不對中，特別是角度不對中情況時要立馬進行調整。

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