新型脉动无级变速器在船舶上的应用探讨

王树春

哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

1 引 言

从提高效率，减小振动和噪声，避免空泡的角度来说，螺旋桨转速以低为好，而对主机来说，功率大，螺旋桨转速必然高，因减速器无法使两者同时高效率工作，由此，便出现了机、桨配合难的问题。螺旋桨转速可用改变供油量进行控制，使其高效率工作，但发动机的功率是变的，耗油量也不是最低，经济性较差，因此，本文提出用新型脉动无级变速器代替减速器，以实现恒功率无级变速。

2 新型无级变速器的基本结构

如图1所示，将变偏心曲柄摇杆机构的B转动副扩大到包容A转动副，便成偏心轮机构，当偏心半径AB可变时，便为变偏心曲柄摇杆机构。在D转动副上装上面接触超越离合器，便成曲柄摇杆组合机构，再把两组组合机构的变偏心半径按180°相角差并联在A轴（输入轴）及D轴（输出轴）上，当B点绕A点转动时C点摆动，当A、B、C三点在一直线上时C点的运动速度为零，两组合机构交替自锁或超越，便成新型脉动无级变速器（图 2）。

如图2所示，变速杆2在输入轴1中，其可轴向移动或与输入轴1同步转动。在变速杆2的圆柱面上，有与其轴向夹角相比，小于等于自锁角的4个圆头普通平键形斜键槽，每侧两个，在斜键槽内有滑块13，在滑块上面有一个孔，孔装在圆轮12及变偏心配重4的轴上。在输入轴1的圆柱面上，每侧有两个半圆键形槽，对称分布在侧视图的垂直坐标两侧，再把同一组的圆轮12及其变偏心配重4放在同一对槽中。在槽底平面上，有圆头普通平键形透孔，该孔并不影响圆轮12以及在变偏心配重4上插入滑块13的轴在透孔中移动。圆轮12和变偏心配重4的形状类似于圆饼，在前者的外圆柱面上有止口与连杆11连接，在两者的平面圆心上，有类似于圆头普通平键形状的透孔，透孔两侧的平行面卡在输入轴1的半圆键形槽底平面上，透孔的两个圆头面与输入轴1的外圆面有适当的间隙，但这并不影响圆轮12及变偏心配重4在槽中的移动。在主视图中，变速杆2所在位置的变偏心半径为零，圆轮12及变偏心配重4的质心均在变速杆2的中心线上，输入轴1转动时输出轴3不转动。向右连续拉动变速杆2至变偏心半径最大值位置，由于斜键槽的斜向不同，推动滑块13使圆轮12及变偏心配重4分别沿输入轴1的半圆键形槽沿径向向外散开移动，各质心的移动距离为变偏心半径，两者大小相等，方向相反，输出轴3的转速由零逐渐增大至最大值。再向左连续推动变速杆2时，其运动正好相反，输出轴3按侧视图的反时针方向转动。与变偏心半径最大值相比，外环8的内半径R要大得多，因而使得角速度波动幅度变小。由于圆轮12、连杆11和变偏心配重4的质量起到了飞轮的作用，特别是在用燃气轮机做动力时，速度不均匀系数δ变小。

3 面接触超越离合器的自锁与解锁

现有的滚柱式超越离合器为线接触，变形大，效率低，只能用于一般场合［1-6］。而如图2所示，在滚柱10上面安装一个弧块7，下面安装一个下滑块9，板簧6被铆钉14铆在内星轮3上的螺纹盲孔中。板簧6的弹力会推动下滑块9并带动滚柱10及弧块7左移，同时与外环8及内星轮3接触并形成一定的起始摩擦力，便成为面接触超越离合器。实践证明，在弧块7的R弧面上有平行的细密排油沟通向接触面外，沟边与沟边之间有适当的距离（图上未绘出），在超越时，无法形成动压油膜，外环8与弧块7总是接触的，属边界润滑，自锁灵敏。

面接触超越离合器的自锁原理与滚柱式超越离合器相同，取楔角φ＝6°，小于摩擦角，不同的是，其运动副均为滑动摩擦，因此要求下滑块9与滚柱10及内星轮3的滑动摩擦系数值低于滚动摩擦系数值，但用提高尺寸和形状精度，降低表面粗糙度值或更换材料等方法还尚未见到成功的先例。本文采用液体静压润滑原理［7］，使滑动副被承载油膜分开，以液体摩擦状态工作，其摩擦系数只有万分之几，与滚动摩擦系数相比要小得多，且自锁可靠，解锁阻力矩非常小，磨损小，寿命长。

该机不工作时，变速杆2在变偏心半径为零的位置，没有压力油注入时，封油间隙为零。工作时，先开动主机，驱动输入轴1及定压油泵，注入压力为P的高压油，经输出轴3左端进入小孔节流器15以及相连很近的两个油腔。在高压油的作用下，零件会发生弹性变形而形成封油间隙，再向右拉变速杆2后，变偏心半径便不再为零。设此时组合机构1组外环8的转速由零开始反时针转动时为开始自锁。外环8与弧块7的滑动摩擦力使两者同步转动，其驱动转矩使各零件在发生弹性变形，在空转一个溜滑角α后才与内星轮3同步转动并完成自锁，自锁后，同步转角为β。此时，输出轴3有动力输出，增大转矩时封油间隙会变小，在最大转矩时，封油间隙达到最小，弧块7对外环8的压力达到最大。假设最小封油间隙为0.005 mm，两个最小封油间隙之和为0.01 mm，小孔节流器的压力降为 0.1P、流量为 1 L／min，则油腔的油压为0.9P。当第1组组合机构的外环8开始自锁时，第2组组合机构外环8的转速由零开始顺时针转动并开始解锁，外环8与弧块7的滑动摩擦力使两者顺时针同步转动，带动滚柱10及下滑块9右移，由此，封油间隙便逐渐增大。油的流量与进入封油间隙入口处的截面积成正比，当两个封油间隙之和接近0.031 mm时，油的流量也由1 L／min 达到 3.1 L／min，增大了 3.1 倍。 小孔节流器15的压力降与小孔直径有关，与流量的平方成正比，因压力降在由0.1P增大到其3.1的平方倍后接近于 P（0.1P×3.12＝P），因而此时油腔中的油压接近于零，弧块7对外环8的压力非常小，当外环8空转了α角后，各零件的弹性变形消失，在板簧6的弹力作用下，弧块7便对外环8开始滑动，完成解锁。解锁后，外环8对弧块7超越β角，没有动力输出。离合器的α角在面接触时比线接触时小得多，它对输出轴3的脉动波形的连续性影响不大。在驱动力矩过大、封油间隙达到零时，由于没有液体润滑，便不自锁，外环8对弧块7滑动。

油腔的厚度比封油间隙大得多，其周围有一定宽度的封油面，若要求两油腔的封油间隙相同，则两油腔的面积不等。

为减小推、拉变速杆2的阻力，对变速杆2和滑块13采用液体静压润滑技术。采用用钢丝纺织的橡胶软管将压力为P的高压油从变速杆2的右端引入至中心进油孔中，其中一路经节流器15流入其表面上的4个油腔中，然后再经封油间隙、回油沟流回油箱；另一路经节流阀15进入滑块13的两个油腔中，然后再经封油间隙、回油孔和回油沟流回油箱。

4 新型脉动无级变速器的效率及寿命

4.1 面接触超越离合器的效率

机构由运动副组成，一般运动副确定后，其效率是不变的。下面，将用求功率法来计算效率。

设转矩为M，弹性变形角α（又称溜滑角）属损耗功Wf，同步转角β属有用功Wr，输入功为Wa，则效率为：

假设 β＝1°，η＝0.98，可求出 α＝0.04°。 以 α为依据，用虎克定律计算出各零件的许用截面面积，它应满足无限寿命设计N-S曲线最小应力值的要求，其寿命需比齿轮长。

4.2 对于新型脉动无级变速器效率的估算

组合机构有4个转动副，由于是并联，因此只按一个组合机构计算。脉动无级变速机构的效率为 （0.98）4＝0.92，换向机构的正转效率 η换正=0.98，新型脉动无级变速器的正转效率为η脉正＝0.92 × （0.98）2＝0.88。

5 新型无级变速器的完全平衡

在图1中，A点为输入轴，与燃气轮机主轴相连，圆轮的几何中心是变偏心半径的质心。假设圆轮、连杆、外环（摇杆）的质量分别为 m1、m2、m3，其质心分别在B、E、D点处。为平衡，用集中于B、C两点的两个质量m2B和m2C代换，用质量代换法便可求出：

在 AB 延长线上，B′（AB＝AB′）处变偏心配重的重量为（m1＋m2B）·g，即变偏心配重的重量比圆轮的重量大m2B·g。同理，在CD延长线上，C′处（取CD＝DC′）配重的重量为 m2C·g。安装上变偏心配重及配重，可以认为A、D点分别集中了两个质量 mA=2（m1＋ m2B）及 mD=m3＋2m2C，便可求出 AD线上的机构总质心点F。由于F是定点，即aF＝0，与变偏心半径大小无关，因而认为机构的惯性力已得到平衡［8］。

在图2中，向右拉变速杆2时，其左端第1个实线斜键槽及第2个虚线斜键槽中的滑块13会推动第1组圆轮12向下移动，而其变偏心配重4则向上移动，由于两者不在同一平面内，便形成了反时针力偶矩。第3个实线斜键槽和第4个虚线斜键槽中的滑块13用于推动第2组圆轮12及其变偏心配重4移动，其运动方向及形成的力偶矩与前者相反，达到了完全平衡。

6 恒功率无级变速

船舶均速直线航行时的速度为ν，船舶受到的阻力为R，燃气轮机的额定功率供油量转速分别为N额、Q额和N机额。R为变量，与外界条件有关。用新型脉动无级变速器控制桨转速n桨，改变v，使三者呈R·v＝N额关系才是恒功率无级变速、燃气轮机在额定工作点上的工作。当外界条件发生变化，如顶风行驶R增大、n机转速下降、燃气轮机额定工作点下移发不出N额时，向左推变速杆2，曲柄摇杆机构的变偏心半径便变小，n桨下降时，n机升至n机额，额定工作点回到原处。当舰船在轻载状态下航行时，R变小，n机增大，发动机过载，额定工作点上移，向右拉变速杆2，曲柄摇杆机构的变偏心半径便增大，n桨增大时n机会回落到n机额，工作点回落到原处，便可实现恒功率无级变速，耗油量也可达到最低。

图3所示为燃气轮机转速和耗油量特性曲线。在曲线最低点，为额定供油量Q额及燃气轮机的额定转速n机额。

7 换向机构

倒车时，先将变速杆2向左推至零位，用动力帮助转动换向手柄，牙嵌离合器1左移，牙嵌离合器2右移，在离合器2的牙进入嵌槽前，离合器1的牙已全部脱开嵌槽，此时，让输出轴3慢慢转动。当离合器2的牙全部进入嵌槽后，锁住手柄即可。无论是在航行状态还是停泊状态，均可换向，动力经 Z1、Z2、Z3、Z4、Z5 传到螺旋桨，其与用磨擦离合及齿轮组成的换向机构相比，不仅操作简单，而且传递转矩大。当螺旋桨被卡住时，安全离合器打滑，保护主机。

8 结 语

减速器在内燃机船舶上的应用已近百年，但在当今世界以低碳节能为主流的情形下，其已经是提高船舶性能的障碍。液体静压润滑技术早已得到应用，它是应用面接触超越离合器的必备条件，因此，本文提出的用新型脉动无级变速器代替减速器是可行的。

［1］阮忠唐，刘凯.机械无级变速器设计与选用指南［M］.北京：化学工业出版社，1999.

［2］周有强，崔学良，董志峰.机械无级变速器发展概述［J］.机械传动，2005，29（1）：65-68.

［3］牧野洋.自动机械机构学［M］.胡茂松，译.北京：科学出版社，1980.

［4］BEGGS J S.运动学［M］.耒虔，耒学嘉，译.西安：西安交通大学出版，1985：53-67.

［5］周有强.机械无级变速器［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［6］程乃士.减速器和变速器设计与选用手册［M］.北京：机械工业出版社，2007：972-976.

［7］濮良贵.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［8］孙桓.机械原理［M］.北京：高等教育出版社，2006.