某型大功率中速柴油机齿轮箱模块优化设计

秦立新，张艳军，李 帆

（1.海军装备部驻上海地区第十一军事代表室，上海200129；2.沪东重机有限公司，上海200129）

0 引言

大型中、高速柴油机是一种集成度非常高的专业设备，广泛用于各种大型水面船舶、陆用发电站和核电应急设备等。随着柴油机设计、制造技术的不断进步，用户也要求柴油机在功率密度更高、功能特性更强的同时，在功能、可靠性、维护操作方面也不断优化提高。然而，作为设计和生产这些机械设备的制造商，为了满足这些要求并降低生产成本，必定会不断改进设计、优化工艺路线[1]。某型大功率中速柴油机是一款由我国自主开发设计的柴油机，其关键技术指标均处于世界先进水平。柴油机齿轮箱模块就是其中一个非常关键的模块，为确保该型柴油机可靠性高、维护性强，沪东重机有限公司对其开展了一系列优化设计。

1 某型柴油机齿轮箱组件结构介绍与分析

1.1 齿轮箱组件结构介绍

某型大功率中速柴油机是一种V 型布置的柴油机，其齿轮箱模块组件布置于柴油机A列功率输出端，组件主要包括若干传动齿轮、齿轮轴、机带燃油输送泵、机带燃油微喷泵、调速器执行器。其主要功能为：通过齿轮机构传动，将柴油机曲轴动力传递到机带燃油输送泵、机带燃油微喷泵、调速器执行器这3个部件，使其发挥各自功效，为柴油机的正常运行输送燃油并执行油门控制指令。

图1为现有齿轮箱模块组件总体布置及安装效果图，图2 为齿轮箱模块组件装配图。由图2可以看出，燃油输送泵/微喷燃油泵（共轴）通过1个中间齿轮与柴油机正时中间齿轮传动，调速器执行器安装于模块组件上部，通过直角齿轮箱与柴油机凸轮轴齿轮传动，齿轮箱组件在总装安装后，与柴油机机架本体有2组齿轮装配关系。

图1 现有齿轮箱模块组件布置图

图2 齿轮箱组件装配图

1.2 齿轮箱组件结构分析

了解上述齿轮箱布置及传动方式，通过三维仿真装配工艺设计进行分析，发现现有齿轮箱组件有如下几点不足的之处：

1）结构布置不合理。齿轮箱模块中布置有1个直角齿轮箱，而直角齿轮箱单元在日常运行中需要检查其内部油位和定期加注齿轮油；一旦齿轮箱模块组件总转安装后，直角齿轮箱单元包裹在其内部，则无法进行日常维护。

2）工艺性要求过高。齿轮箱模块组件有2个齿轮需要分别与柴油机本体上正时齿轮进行啮合传动。因此，在齿轮箱模块总装时，需要同时保证2 组齿轮副的配合关系，这无疑增加了齿轮箱（特别是齿轮箱罩壳）各零部件的加工精度和总装装配难度。

3）运行可靠性低。直角齿轮箱为市场成品件，安装在齿轮箱模块中仅用4只M8螺栓固定，连接可靠性低；再者，齿轮传动时会有冲击振动，更加增加运行风险。同时，直角齿轮箱装配时，需同时保证两端的精密配合，也增加了装配难度，工艺性差。

1.3 试验验证

为验证上述设计是否可行，在该型柴油机样机上开展了负荷试验，柴油机进行启动准备运行100%负荷时发生故障，启动失败；经拆检发现，直角齿轮箱输入轴断裂。截止事故发生，柴油机样机总共运行不到5h 时间，该事故表明齿轮箱组件设计存在不足，齿轮箱模块需进行优化设计，以确保其可靠性。

2 齿轮箱模块优化设计

2.1 优化设计边界条件

齿轮箱模块组件的优化，主要是对现有方案的布置不足进行改进设计，同时需兼顾齿轮组件传递有效性。因此，方案设计阶段主要考虑以下几点设计边界条件：

1）齿轮箱（壳体）外形尺寸、组件数量

紧凑性、集成化是柴油机总体设计追求的目标。因此，为优化齿轮箱组件，要减小其外形，同时需减少其组件数量。

2）可靠性、维修性

齿轮箱各组件运行可靠、易于维护是优化设计的要求，也是最终的目的。为此，在设计优化时，理论上需进行力学校核，同时需从经验上，尽可能避免隐性的风险。

3）工艺性

现代机床设备技术逐渐提高，能加工出精度高、结构复杂的零部件。齿轮箱模块优化设计，需充分合理地利用现有科学技术，零部件设计精度既需满足现有齿轮箱使用要求，也需合理，保证零部件的加工精度，间接降低装配人为调整要求，提高装配精度和零部件的互换性。

4）齿轮传动有效

齿轮箱组件上主要有燃油输送泵、微喷燃油泵、调速器执行器3个柴油机零部件。为使3个零部件有效运行并发挥功效，须在齿轮箱模块优化设计时，布置好齿轮传动的转速比和传递力矩。

2.2 总体方案设计

基于以上优化设计条件，优化齿轮箱组件方案设计图如图3所示，相较于原齿轮箱模块组件，新优化方案外形尺寸高度与原设计基本不变，长度缩短了120 mm。在齿轮总体传递布置上，齿轮箱模块组件与柴油机本体间仅有1组燃油输送泵齿轮啮合。调速器运行需要的动力，可通过增加1组直齿轮啮合传动来实现，由燃油输泵传动齿轮轴提供，进而简化传动。燃油输送泵齿轮及其中间齿轮的齿形参数保持原有设计不变，但燃油输送泵齿轮中心位置越靠近柴油机，传动会越紧凑。

图3 齿轮箱组件优化设计布置图

图3 齿轮箱组件优化设计布置图

从内部传动结构布置看，优化齿轮箱组件取消了直角齿轮箱单元，改用传统可靠的锥齿轮和传动轴布置。齿轮箱壳体上各轴系固定加工孔，通过机加工保证其位置精度，简化了装配工艺的同时保证了精密配合，又保证了运行可靠性。同时，原直角齿轮箱单元取消，避免了其加注油的困难，优化齿轮箱组件的日常检查维护，仅仅通过齿轮箱壳体的观察窗进行，齿轮箱模块维护方便。

通过建立齿轮箱传动组件模型，进行各齿轮传动安全校核[2,3]。其结果表明，各齿轮安全系数大于要求的最小许用值，齿轮设计安全。各新设计齿轮安全系数见下表1。

增加的调速器传动中间齿轮轴采用传统固定方法，通过力学计算，强度远高于安全许用值。因此，齿轮箱模块组件总体设计校核能满足使用要求。

2.3 详细设计

1）齿轮箱壳体

齿轮箱组件多个轴系、齿轮的运行需要有滑油提供，而新齿轮箱壳体延续了原壳体的优点，利用壳体上加工的腔道输送滑油，因此，齿轮箱模块组件总装后，无需外接滑油管系，简化了布置，提高了润滑可靠性。见图4。

表1 齿轮安全系数表

图4 齿轮箱壳体油道布置图

2）齿轮传动轴

原燃油输送泵中间齿轮传动轴为“中间轴＋轴承盖”设计，为了设计集成、简化结构，优化时，对此传动轴和新设计的调速器中间齿轮传动轴与“轴承盖”一体化设计，利用齿轮箱壳体上的传动轴中心孔进行固定。见图5。

图5 齿轮传动轴设计效果图

2齿轮传动轴一端依托壳体上一体化浇铸轴承孔固定，模块组件零部件数量减少，结构简化，也间接提高了运行可靠性。

3）齿轮

对于燃油输送泵中间齿轮，原设计齿轮轮毂部分宽度大于齿宽，此设计不利于齿轮的批量化生产；新设计中，也对此进行了优化。调速器执行器传动锥齿轮与花键集成化设计，使齿轮箱上部占据空间更小，布置紧凑。

图6 原燃油中间齿轮设计效果图

图7 优化后燃油中间齿轮设计效果图

图8 锥齿轮轴设计效果图

3 结论

通过对该型大功率中速柴油机齿轮箱模块组件开展优化设计，解决了设计中可靠性、集成化不高、不便于维护的不足，并经过设计评审、工艺评审对局部进行微小调整，使整个齿轮箱模块组件装配工艺性更强。后续将持续跟踪实际装机使用运行效果。

为避免受制于人，掌握产品核心技术和设计主动权，我国已经意识到必须走自主设计道路，才能研发出属于自己知识产权的产品。完成一个个类似上述部件的自主优化设计，不断积累设计实践经验，相信不久的将来定会设计出不论外观还是性能都优于国际上同时期的产品。