船舶动力装置 原理与设计课件 （第3章 第1~6节）（计划学时8h）吕庭豪 设计2004年12月第3章 船舶后传动设备一、后传动设备的含义船舶主推进装置中，从发动机到螺旋桨之间除了传动 轴系之外，还配备各种传动设备，这些传动设备为完成各 种传动功能而形成的有机组合体，总称之为后传动设备 通过这些后传动设备不仅能组成大功率的多机组（双机、 三机、四机）推进装置，同时还能完成特殊的多种功能 它的主要组成有：齿轮变速器、离合器、弹性联轴器及挠 性联轴器等等此外，可调螺距螺旋桨是推进装置传动系 统中常用的一种推进器它们尚有润滑系统、冷却系统、 自身的传动和操纵控制机构系统及相应的有关附件它们 在轮机中是一个独立的，有着重要功能部件§ 3-1 概述二、后传动设备的基本任务不同的船舶有其不同的特点，所以后传动设备的配置 与组成也不一要根据船舶的需要起到组合或分配推进主 机的功率、减速或变速、离合、倒顺、自动同步、减振与 抗冲击以及满足其它布置上的特殊要求1、减速及变速传动1）减速传动一般除了大型货船、油船常采用低速柴油机直接驱动 螺旋桨外，不少船舶都采用中、高速柴油机其转速较高 ，较高的转速将使螺旋桨的推进效率大大降低。
为了获得 螺旋桨的高效率，进一步减少能源消耗，主机采用中、高 速柴油机必须配备齿轮减速器来减速以适应主机的高效率 与螺旋桨的高效率有些采用低速主机的船舶，为进一步 降低能耗，在螺旋桨直径能扩大的前提下，也采用齿轮减 速箱2）变速传动那些多工况船舶，如渔船、作业船为了充分利用装置 功率，提高推进装置经济性以节省燃料，近年来都提出使 用双速螺旋桨推进，要求配备多档速比的齿轮减速器来实 现变速传动测量船、考察船等特种船舶，其传动设备还 要考虑微速航行时的减速要求2、用以并车和分车组合或分配推进功率渡船、客船和中小型船舶都要求具有足够大的推进功 率，而机舱的容积尺寸和机械设备的重量指标又受到限制 ，因此选用多台尺寸、重量较小的中、高速柴油机，利用 并车传动设备组合并到一根桨轴上，组成大功率推进装置 常用的有双机、三机或四机并车还有一些船舶，其吃水较浅，螺旋桨的直径无法增大 ，为了充分利用主机的功率，常将其分车，驱动两个螺旋 桨，使其充分发挥效益也有采用功率分支传动用于轴带 负荷，或实现一机两桨互为备用等3、离合与倒顺离合器是推进装置中的主要设备，大多数主机组中都 配备之利用离合器能使主机和螺旋桨之间的功率传递随 时脱离和接合，这对提高推进装置的机动性是十分必要的 ，利用离合器可使主机无载启动、多机并车时可实现部分 主机工作、提高低速航行时装置的经济性；各台主机之间 可实现相互之间切换工作；在没有微速装置的场合，可利 用离合器滑摩或时离时合操作以满足船舶微速航行的功率 要求。
为了简化柴油机的结构和延长使用寿命、部分中速柴 油机和绝大部分高速柴油机，通常都设计成非反转式的 采用这类发动机作主机时，就要求配置担负倒顺任务的传 动设备，以便在主机不变转向的情况下，使螺旋桨反转， 以实现船舶倒航离合器可以大大改善船舶的操纵性能4、抗振与抗冲击整个推进装置是一个弹性系统，在系统的两端（主机 与螺旋桨端）都有不均匀的干扰力矩输入，整个弹性系统 很容易产生强烈的振动在主机突然启动和桨受冲击的情 况下，就会对系统产生较大的冲击这些振动和冲击都是 不希望产生的，尤其对大功率传动齿轮就更为敏感，甚至 会引起齿间敲击，造成事故因此，要考虑抗振与抗冲击 的性能，通常在发动机和齿轮传动设备间装配弹性元件和 挠性元件（如高弹性联轴器、板簧联轴器、挠性簧片联轴 器等）；也有些大功率传动机组，在输出端装有弹性元件 可见，弹性联轴器象离合器一样，也是传动设备中必不 可少的重要设备5、布置中的调节作用后传动设备中可以满足主推进装置在船舶中的合理布 置通常通过传动设备的组合，可满足左、右转向不同的 要求；双轴线、多轴线的轴线布置的距离和轴线高低的调 整；轴线的α、β角的布置合理性；主机中心线的轴线位 置高低的合理组合等。
总之，后传动设备的使用，对机舱 主推进装置的布置有利，便于船体稳心的调整，使船舶具 有良好的机动性与操纵性§3-2 船用摩擦离合器摩擦离合器是船舶推进装置中的重要部件之一，它利 用摩擦面之间的机械摩擦力把转矩由主动轴传到从动轴， 并根据工作需要使主机与从动轴接合或脱离摩擦离合器 的种类，按摩擦面工作状态分，有干式的、半干式的和湿 式摩擦离合器；按产生接合力的来源分，有机械式的、液 压式的、气动式的和电磁式的摩擦离合器；按摩擦面的形 状分，则有盘（平面）形的、圆锥形的和圆柱形的摩擦离 合器，参见图3-2-1图3-2-1 盘式、单片式摩擦离合器图3-2-1（续） 圆锥形和圆柱形摩擦离合器一、摩擦离合器的传扭能力与主要参数选择1、片（盘）式摩擦离合器1）摩擦面的摩擦力矩如图3-2-2所示，摩擦片外半径为rmax，摩擦片内半径 为rmin假设接合力Q均匀地作用在摩擦片整个环形面积上 ，则单位面积上的法向载荷q 可由式（3-2-1）求得因为 Q = qF = q · π(rmax 2- rmin2)所以 q =Q/F = Q/ [π(rmax 2- rmin2)] （3-2-1） 今取任意半径r处的环带，其环带周长为2πr，宽度为 dr，在该微分环带上正压力引起的摩擦力矩为：dm = 2πrdr·q·f·r 式中：q ——为摩擦面所承受的压力，N/cm2；f ——为摩擦系数；rmax、rmin——分别为摩擦工作面外半径和内半径， cm。
在一个摩擦工作表面上的摩擦力矩为：MT= = π·r·q·f· r·dr = 2π·f·q· r2·drMT= 2π·f·q (rmax3- rmin3) /3 N·cm当离合器中有Z个摩擦面时，摩擦力矩为：MT = 2Z·π·f·q (rmax3- rmin3) /3 N·cm (3-2-2)令m为主动摩擦片数，n为从动摩擦片数，则Z = m + n – 1若令C = rmin/rmax ，称为摩擦片尺寸系数，则MT = 2Z·π·f·q · rmax3(1- C3) /3 N·cm将式（3-2-1）代入（3-2-2），得：MT = 2Z·f·Q(rmax3- rmin3) /[3 (rmax2- rmin2)] N·cm若令RT=2(rmax3- rmin3) /[3 (rmax2- rmin2)]为摩擦半径，则 摩擦力矩计算式为：MT = Z·f·Q · RT N·cm2）主要参数的关系当离合器主动轴上的转矩为标定转矩Meb，应使离合 器摩擦力矩为：MT = K· Meb N·cm 式中：K——转矩储备系数或传扭余度系数。
MT = K· Meb = 2Z·π·f·q · rmax3(1- C3) /3 由上式可见，摩擦面的尺寸主要决定于f、q、K、Z、 C以及传递的标定转矩Meb，而各参数间又相互影响在上 述诸参数中，摩擦系数f和比压值q主要取决于材料的摩擦 性质和强度下面讨论K、C、Z三个参数传扭余度系数K：离合器要确保推进装置正常运转， 必须考虑余度系数因为主机输出转矩不均匀，并且当发 生过载时要保证摩擦片不打滑而离合器仍能可靠地传递转 矩另外，考虑摩擦表面经过磨合，或介质性质、温度发 生变化等因素引起摩擦系数f值下降，造成打滑从这两 方面考虑，K值取得越大越安全，越不会产生打滑现象 但K值取得过大，会使离合器尺寸过大，当离合器离合时 可使动作过猛，冲击大，对传动系统不利当发生意外时 ，如发生严重超负荷或螺旋桨被卡住等情况，就不能对主 机和传动设备起有效的保护作用因此，必须根据不同情 况、不同要求，K值选取某一合理的范围通常对多缸高 速柴油机，K值在1.5~2.5范围内选取，少数取2.8如杭州齿轮箱厂生产的小功率摩擦离合器K值取1.8~2.5柴油机 气缸数少，K值应取大值，反之应取小值对于燃气轮机 ，转速高、运转平稳，K值可取1.5。
尺寸系数C：其值选取大小直接影响摩擦片面积有效 利用的程度以及离合器能否正常、可靠地工作C值大， 意味着摩擦片工作环带狭窄，有效摩擦半径增大，以及沿 摩擦片宽度方向上的滑摩线速度差小，故磨损与发热均匀 ，摩擦片不会因为内、外圈温差太大而引起翘曲C值大 也存在一定问题，如有效工作面积减少，单位面积的比压 q 值和热负荷相应升高，以及摩擦片太狭窄，使得刚度下 降，容易变形等C值过小，情况相反因此，C值要有 一定的范围，一般取C=0.65~0.8摩擦面数Z：摩擦面数取多些，可使传递转矩能力成 比例提高，或在相同的传递转矩能力下减小离合器的尺寸 ，但是摩擦片数太多将使离合器不易脱排，使得操纵失灵 ，引起事故此外，Z值大还会增加离合器的轴向尺寸， 液压推动活塞的行程相应增大一般限制Zmax=8，设计 时应尽量取Z≤Zmax 在实际设计中，当Z>8时，一般要 采取相应的措施解决带排问题为了避免片数过多，而又要传递较大的转矩，故出现 了双向作用的液压缸结构，虽然每组摩擦面ZN′·f· cosα就可以避免自锁， 其不自锁条件为:Sinα/ cosα > f即 f 1000 r/min；螺旋桨允许的最大推力 112.776kN>103kN，满足要求。
再者，主机不可逆转为左 旋，要求双桨正车为外旋，还需按图3－3－8GW系列与主 机匹配型式来选择，故最后所选的是倒顺、离合、减速齿 轮箱，型号为：GWC32.35－03C3与GWC32.35－01C32）已知主机型号为6300，Peb＝1100Kw.，neb＝ 600r/min，减速比i=3.5,双机输入，单轴输出，主机宽度 为1120mm要求选配GV系列齿轮减速箱由于Peb/neb＝1100/600=1.83kW(r/min),可在图3－3 －9中找出Peb/neb＝1.83与i=3.5水平线与垂线的交点，落 在1000与1120之间，故以选用GV1120为宜两台主机之间 的档距2240－1120＝1120mm，适合于一般的维修位置，满 足“船规“的要求其他的条件，如桨的推力、主机匹配 、旋向、型式等同上考虑，此处略图3－3－9 GV系列齿轮减速箱 传扭能力图图3－3－9 GV系列齿轮减速箱 传扭能力图§3-5 船用弹性联轴器 由于柴油机的间歇喷油与燃烧，输出转矩不均匀，船 舶推进装置中的轴系与传动设备会产生强烈的扭转振动， 使轴系及传动设备产生过大的附加应力由于传动齿轮对 柴油机不均匀转矩极为敏感，当齿轮箱主动轴上干扰转矩 幅值超过柴油机平均输出转矩时，会造成齿面“敲击”，严 重时会损坏齿轮，为改善这种情况，设置弹性联轴器是一 个可供选择的，也是经常被采用的办法。
一、弹性联轴器的作用与种类1．弹性联轴器的作用目前，大多数中速柴油机装置在发动机和齿轮箱之间 安装弹性联轴器其作用如下：1）弹性联轴器的柔度很大（刚度很小），可大大降 低轴系扭转的自振频率，可使柴油机在使用转速范围内不 出现危险的共振，是轴系调频、避振的有效措施之一1） 2）可以缓解由于船体变形所引起的柴油机、齿轮 箱和轴承增加的负荷3） 可允许轴线有微小倾角和位移，补偿安装中 的误差，使轴线校中容易，并能保护齿轮装置因此，弹性联轴器已成为中速柴油机装置中必不可 少的传动装置之一，以保证其传动装置安全、可靠的运行 2．弹性联轴器的种类弹性联轴器种类很多，归纳起来可分为两大类：橡 胶弹性联轴器和金属弹性联轴器。