船用重載萬向聯(lián)軸器多排傳扭軸承均載性能優(yōu)化研究

孫丹婷 俞翔棟 丁 蓉 何 柳

(1.中船重工第七一一所動力裝置事業(yè)部，上海 201108；2.船舶與海洋工程動力系統(tǒng)國家工程實驗室，上海 201108)

0 前言

萬向聯(lián)軸器可為不在同一軸線上的兩軸傳遞動力，具有較大的角度補償和軸向位移補償能力，并且結(jié)構(gòu)緊湊、動力傳遞效率高，已被廣泛應(yīng)用于冶金、電力、重型機械、工程運輸?shù)阮I(lǐng)域[1-2]，而萬向聯(lián)軸器也是船舶動力傳動系統(tǒng)的重要組成部分，除傳遞主機功率外，還能夠滿足動力傳動系統(tǒng)布置以及造成的大位移量要求[3-4]。

船用萬向聯(lián)軸器主要由兩部分組成，如圖1所示，一是叉頭關(guān)節(jié)組件，包含外法蘭叉頭、內(nèi)法蘭叉頭以及十字軸承組件等零部件，能夠滿足帶角度傳動的需求；二是軸向位移機構(gòu)，包括主軸、傳扭軸承組件以及中間滑槽等零部件，如圖2所示。其中，主軸與一端叉頭組件固連，中間滑槽與另一端叉頭組件固連，傳扭軸承固連在主軸上，能夠在中間滑槽內(nèi)沿軸向方向伸縮滾動，從而實現(xiàn)軸向位移補償能力。該形式軸向位移補償機構(gòu)被稱為滾動花鍵式，與傳統(tǒng)的滑動花鍵式結(jié)構(gòu)相比，其滾動摩擦力更小，可顯著降低萬向聯(lián)軸器兩端設(shè)備的軸向附加力，滿足船舶動力傳動系統(tǒng)的要求。

1.叉頭關(guān)節(jié)組件;2.軸向位移機構(gòu)圖1 萬向聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of universal coupling

1.主軸;2.傳扭軸承;3.中間滑槽圖2 軸向位移機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of axial displacement mechanism

對于船用重載萬向聯(lián)軸器，國內(nèi)外的研究主要集中在叉頭組件[5-8]，對于軸向位移機構(gòu)的研究相對較少。船用萬向聯(lián)軸器通常布置于動力傳動系統(tǒng)的高速輕載端，因此軸向位移機構(gòu)多采用單排傳扭軸承式結(jié)構(gòu)，工程上一般通過增大其回轉(zhuǎn)直徑來提高承載能力，然而萬向聯(lián)軸器尺寸又受船艙空間和載重量限制。本文基于ANSYS Workbench有限元分析軟件建立了軸向位移機構(gòu)CAE模型，針對重載工況下單排傳扭軸承結(jié)構(gòu)尺寸與承載能力矛盾的問題，設(shè)計了一種雙排均載傳扭軸承結(jié)構(gòu)，合理地控制了回轉(zhuǎn)直徑，并有效地提高了萬向聯(lián)軸器的均載性能和承載力，為研制多排均載傳扭軸承式船用重載萬向聯(lián)軸器提供了技術(shù)支持。

1 有限元分析

1.1 建立軸向位移機構(gòu)模型

單排三個傳扭軸承的軸線在同一平面上，并且呈120°均勻裝配在主軸上。中間滑槽內(nèi)部加工有與之配合的滑槽面，用以與軸承表面相接觸形成滾動副，實現(xiàn)扭矩傳遞和軸向滑移。在CAD軟件中將其他與接觸分析無關(guān)的結(jié)構(gòu)壓縮，簡化模型以提高運算速度。

在ANSYS Workbench軟件中進行有限元分析，定義傳扭軸承與中間滑槽的接觸類型為摩擦接觸[9-10]，設(shè)定摩擦系數(shù)且為對稱接觸。為進一步提高計算精度且控制總計算成本，細化了摩擦接觸面的網(wǎng)格尺寸。

圖3 軸向位移機構(gòu)CAE模型Fig.3 Finite element model of axial displacement mechanism

在中間滑槽端法蘭面設(shè)置固定約束，在主軸端法蘭面施加扭矩載荷；分析設(shè)置中打開大變形開關(guān)，計算結(jié)果更精確；在求解單元中利用接觸應(yīng)力工具對傳扭軸承外滾子面與中間滑槽面進行接觸應(yīng)力分析。

1.2 多排傳扭軸承接觸強度有限元分析

針對于重載工況下萬向聯(lián)軸器單排傳扭軸承強度不足的情況，同時受安裝空間限制，可考慮采用多排傳扭軸承式結(jié)構(gòu)來提高萬向聯(lián)軸器的承載能力，合理地控制萬向聯(lián)軸器的回轉(zhuǎn)直徑，本文以雙排傳扭軸承結(jié)構(gòu)為例進行說明，如圖4所示。

圖4 雙排傳扭軸承示意圖Fig.4 Schematic diagram of double-row torsion bearings

有限元仿真分析結(jié)果表明雙排傳扭軸承結(jié)構(gòu)式萬向聯(lián)軸器偏載現(xiàn)象明顯，由于扭矩傳遞至每排傳扭軸承的距離不同，靠近扭矩輸入端的一排承受載荷較大，約為遠離扭矩輸入端一排承受載荷的2倍。

圖5 遠離扭矩輸入端軸承滾子接觸應(yīng)力分布Fig.5 Contact stress distribution of bearings far away from the torque input

圖6 靠近扭矩輸入端軸承滾子接觸應(yīng)力分布Fig.6 Contact stress distribution of bearings near the torque input

用均載系數(shù)衡量多排傳扭軸承的均載性能，均載系數(shù)越接近1，均載性能越好。定義單個傳扭軸承外圈與中間滑槽接觸應(yīng)力最大應(yīng)力值為pi(i=1,2,…,6)，均載系數(shù)的計算公式為：

16kN·m和30kN·m載荷下各傳扭軸承與中間滑槽之間的接觸應(yīng)力最大值和均載系數(shù)如表1所示，則雙排傳扭軸承均載系數(shù)約為1.465。

表1 雙排傳扭軸承的均載系數(shù)Tab.1 Load-average coefficient of double-row torsion bearings

1.3 多排均載傳扭軸承接觸強度有限元分析

本文開展的多排均載傳扭軸承式軸向位移機構(gòu)的設(shè)計，采用一個過渡凸臺零件將傳扭軸承與主軸間接相連，如圖7所示，過渡凸臺伸出軸連接主軸傳遞其扭矩，軸承孔承接傳扭軸承并將扭矩等距地傳遞至軸承，則萬向聯(lián)軸器扭矩傳遞至軸承的路徑等長，如圖8所示。

圖7 過渡凸臺結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure chart of transition lug boss

圖8 雙排均載傳扭軸承式結(jié)構(gòu)扭矩傳遞路徑圖Fig.8 Torque transmission path of double-row equal-load torsion bearings

在相同載荷工況先對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的軸向位移機構(gòu)進行有限元仿真，其結(jié)果如圖9、圖10所示。增加過渡凸臺之后，接觸應(yīng)力最大值在外滾子根部，接觸線上應(yīng)力分布為單調(diào)變化。

圖9 優(yōu)化后遠離扭矩輸入端軸承滾子接觸應(yīng)力分布Fig.9 Contact stress distribution of optimized bearings far away from the torque input

圖10 優(yōu)化后靠近扭矩輸入端軸承滾子接觸應(yīng)力分布Fig.10 Contact stress distribution of bearings near the torque input

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的傳扭軸承與中間滑槽的接觸應(yīng)力和均載系數(shù)計算結(jié)果如表2所示，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的均載系數(shù)約為1.116，比優(yōu)化前的均載性能提高了23.8%。

表2 帶過渡凸臺的雙排傳扭軸承的均載系數(shù)Tab.2 Load-average coefficient of double-row torsion bearings with transition lug boss

2 試驗驗證

通過開展靜扭試驗，驗證結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案對提升萬向聯(lián)軸器均載性能的效果。

2.1 試驗設(shè)備及臺架安裝

試驗臺設(shè)備包含電動機、減速機、轉(zhuǎn)矩傳感器、主動端接盤和從動端接盤，如圖11所示。萬向聯(lián)軸器樣機接在主動端接盤和從動端接盤之間。

圖11 試驗臺架示意圖Fig.11 Schematic diagram of test bench frame

因傳扭軸承與中間滑槽的接觸區(qū)域在軸向位移機構(gòu)內(nèi)部，直接安裝傳感器勢必會在一定程度破壞萬向聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)，會對測量結(jié)果造成影響；而且均載系數(shù)為比值，與接觸應(yīng)力的絕對值無關(guān)，因此將應(yīng)力貼片測點置于中間滑槽外表面?zhèn)髋ぽS承對應(yīng)位置處，間接反映兩者的接觸應(yīng)力大小。共設(shè)置6個測點，分別對應(yīng)6個軸承位置，其測點分布情況如圖12所示。

圖12 樣機應(yīng)力測點分布Fig.12 Prototype stress measurement points distribution

2.2 試驗內(nèi)容及方法

試驗內(nèi)容為對比結(jié)構(gòu)優(yōu)化前和優(yōu)化后的多排傳扭軸承的均載系數(shù)。

試驗按照以下步驟進行：

(1)將萬向聯(lián)軸器樣機整機安裝在試驗臺上，控制安裝長度，確保試驗過程中萬向聯(lián)軸器能軸向移動。

(2)調(diào)試試驗臺控制系統(tǒng)的參數(shù)。

(3)確認電機打開，使萬向聯(lián)軸器按6 °/min～7 °/min的扭轉(zhuǎn)速度進行試驗。萬向聯(lián)軸器輸入扭矩按照梯形曲線加載，扭矩值按照4 kN·m、8 kN·m、12 kN·m、16 kN·m、20 kN·m、24 kN·m、30 kN·m逐步增加，保證金屬件線性穩(wěn)定變形，每組加載總時長為40 s～50 s，其中扭矩值恒定加載時間約為20 s。

(4)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會自動保存應(yīng)力數(shù)據(jù)并形成曲線。

(5)整理數(shù)據(jù)，形成結(jié)論。

2.3 試驗結(jié)果分析

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可自動將傳感器測量出的應(yīng)變值計算轉(zhuǎn)化為應(yīng)力值，并繪制出每個測點應(yīng)力曲線，如圖13所示，每個扭矩工況下，取水平趨勢線中一點作為該測點該工況下的應(yīng)力值。

圖13 單個測點應(yīng)力曲線圖Fig.13 Stress curve of single measurement point

則優(yōu)化前與優(yōu)化后的測點應(yīng)力值與均載系數(shù)計算結(jié)果見表3。試驗結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的雙排傳扭軸承均載系數(shù)約為1.469，優(yōu)化后的均載系數(shù)約為1.035，均載性能提升了約29.5%。此數(shù)值高于仿真分析的23.8%，原因在于仿真分析中，為保證扭矩傳遞路徑等長將過渡凸臺作為剛性體處理，而實際金屬件為彈性體，能發(fā)揮彈性補償作用，有利于進一步提高萬向聯(lián)軸器的均載性能。

表3 基于試驗結(jié)果計算的均載系數(shù)Tab.3 Load average coefficient based on the test results

3 結(jié)論

(1)針對于重載工況下萬向聯(lián)軸器單排傳扭軸承強度不足的情況，提出了一種多排傳扭軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，通過有限元仿真分析，揭示了多排傳扭軸承出現(xiàn)偏載現(xiàn)象的原因，即扭矩載荷傳遞至軸承的路徑長度越短，此排傳扭軸承承受載荷越大。

(2)首次提出一種多排均載傳扭軸承式萬向聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案。仿真結(jié)果表明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)能夠明顯改善偏載現(xiàn)象，能夠提升萬向聯(lián)軸器的均載性能至少20%。

(3)通過靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗驗證了多排均載傳扭軸承式結(jié)構(gòu)能夠提升萬向聯(lián)軸器的均載性能約30%，對于重載艦用萬向聯(lián)軸器的研制具有一定的指導(dǎo)意義。