彭磊

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

同步帶傳動(dòng)在全墊升氣墊船上的應(yīng)用

彭磊

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

同步帶傳動(dòng)是一種比較高效的傳動(dòng)方式。以同步帶作為著眼點(diǎn)，對(duì)其發(fā)展、優(yōu)缺點(diǎn)、分類進(jìn)行總結(jié)，介紹其在氣墊船上的應(yīng)用與選型計(jì)算方法，并與其他傳動(dòng)方式作比較，展示了該產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)及克服其缺點(diǎn)的方法，對(duì)從事船舶設(shè)計(jì)，尤其是高性能船設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

同步帶傳動(dòng)；全墊升氣墊船；應(yīng)用

0 引言

同步帶傳動(dòng)是一種比較高效的機(jī)械傳動(dòng)。由于它具有傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)比恒定、耗能少、傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)，近年來在各種機(jī)械領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，也是高速船和小型船舶常用的一種傳動(dòng)形式。目前，國內(nèi)設(shè)計(jì)研制的中小型氣墊船上就是以同步帶作為主要的傳動(dòng)方式來代替常規(guī)的齒輪傳動(dòng)，完全滿足了氣墊船大功率、高速度、長壽命、小變形、占據(jù)空間小、重量輕等需要。本文僅就同步帶傳動(dòng)在全墊升氣墊船上的應(yīng)用作簡單介紹。

1 同步帶傳動(dòng)

1.1 發(fā)展概況

有關(guān)文獻(xiàn)記載，同步帶傳動(dòng)早在1900年已有人研究并多次提出專利，但其實(shí)用化是在二戰(zhàn)以后［1］。由于同步帶兼具鏈、齒輪、三角膠帶的優(yōu)點(diǎn)，故在二戰(zhàn)后受到重視。1940年美國尤尼羅爾橡膠公司首先對(duì)其加以開發(fā)，1946年辛加公司把同步帶用于縫紉機(jī)針和纏線管的同步傳動(dòng)上，取得了顯著效益。后期，又逐步應(yīng)用到其他機(jī)械傳動(dòng)上。

在亞洲，日本1957年從美國引進(jìn)了同步帶專利，并先后由UNITTA、三星、阪東等多家橡膠公司制造，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品商品化。

同步帶傳動(dòng)在20世紀(jì)60年代初引入我國，60年代中期開始試制。由于技術(shù)及理論研究水平不足，目前國產(chǎn)的同步帶傳動(dòng)存在許多問題，如產(chǎn)品質(zhì)量差、帶與輪配合欠缺等。因此，同步帶的發(fā)展首先需要解決上述問題。目前，蓋茨優(yōu)霓塔傳動(dòng)系統(tǒng)（蘇州）有限公司是國內(nèi)領(lǐng)先的同步帶生產(chǎn)企業(yè)。公司以美國蓋茨公司技術(shù)為基礎(chǔ)，生產(chǎn)出一系列滿足機(jī)械、汽車、造船等工業(yè)需求的同步帶［2］。

1.2 同步帶傳動(dòng)的特點(diǎn)

1.2.1 優(yōu)點(diǎn)

同步帶傳動(dòng)由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒的封閉環(huán)行膠帶和具有相應(yīng)齒的帶輪組成，如圖1所示。

圖1 同步帶傳動(dòng)

傳遞動(dòng)力時(shí)，輪齒與帶齒嚙合，通過主動(dòng)輪齒對(duì)帶齒的擠壓，把圓周力傳給帶的承載繩。然后通過承載繩力的傳遞，再由帶齒對(duì)從動(dòng)齒的擠壓，帶動(dòng)從動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，完成主動(dòng)輪對(duì)從動(dòng)輪扭矩的傳遞。在梯形齒同步帶傳動(dòng)中，帶與帶輪嚙合時(shí)，帶的齒谷底面與輪齒頂部接觸將產(chǎn)生摩擦力，也起到傳遞動(dòng)力的作用。與其他傳動(dòng)相比，同步帶傳動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）工作時(shí)無滑動(dòng)，有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比；

（2）傳動(dòng)效率高，節(jié)能效果好；

（3）傳動(dòng)比范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊；

（4）維護(hù)保養(yǎng)方便，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低；

（5）惡劣的環(huán)境條件下也能正常工作。

1.2.2 缺點(diǎn)

不過，同步帶傳動(dòng)也存在以下缺點(diǎn)：

（1）安裝要求高、中心距要求嚴(yán)格

與其他傳動(dòng)相比，同步帶傳動(dòng)安裝要求較高。它要求兩帶輪的軸線絕對(duì)平行，同步帶應(yīng)在與兩帶輪軸線垂直的平面內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。任何偏斜將導(dǎo)致帶齒上沿寬度方向的載荷分布不均勻，使帶斷裂損壞。傳動(dòng)的中心距要求也十分嚴(yán)格，中心距過大或過小，都會(huì)使帶齒與輪齒不能很好嚙合，產(chǎn)生干涉、爬齒滑動(dòng)等現(xiàn)象，使同步帶傳動(dòng)失效。

（2）制造工藝復(fù)雜、制造成本高

由于同步帶傳動(dòng)屬于嚙合傳動(dòng)，帶、輪均要求有精確的節(jié)距和節(jié)線長度，因此帶的鑄造模具及帶、輪均需經(jīng)過精確的齒形加工，制造費(fèi)用較高。目前又出現(xiàn)了以碳纖維材料加工而成的同步帶，其成本更加昂貴。

1.2.3 同步帶傳動(dòng)與其他傳動(dòng)的性能比較

如表1所示，同步帶傳動(dòng)與其他傳動(dòng)相比，在性能上具有一定的優(yōu)勢(shì)。

表1 同步帶傳動(dòng)與其他傳動(dòng)的性能比較

續(xù)表

1.3 同步帶分類

同步帶按基體材料分為聚氯胺脂橡膠—鋼絲組合的聚氨脂橡膠同步帶，以及氯丁橡膠—玻璃纖維承載繩—錦綸包布組合的氯丁橡膠同步帶兩種。近年來，國外又開發(fā)了新材料用于制作同步帶，即碳纖維同步帶。這種材料制成的同步帶具有更優(yōu)越的傳動(dòng)性能、更高的強(qiáng)度、更柔韌的屈撓性能和更長的使用壽命。

同步帶按齒形可分為梯形齒同步帶和圓弧齒同步帶。梯形齒同步帶是一般工業(yè)用的同步帶，它存在以下缺陷：

（1）承載能力低，使用壽命短；

（2）傳動(dòng)不夠平穩(wěn)，在高轉(zhuǎn)速時(shí)有較大的振動(dòng)和噪聲；

（3）在傳動(dòng)過程中產(chǎn)生爬齒及跳齒現(xiàn)象；

（4）梯形齒斷面材料沒有充分利用。

隨著同步帶傳動(dòng)的研究和制造水平的發(fā)展，現(xiàn)已出現(xiàn)了一種新型的圓弧齒同步帶傳動(dòng)。

圓弧齒同步帶傳動(dòng)在國外又稱為高轉(zhuǎn)矩同步帶傳動(dòng)（High Torgue Drive，簡稱HTD）或稱為超扭矩強(qiáng)制傳動(dòng)（Super Torgue Positive Drive，簡稱STPD），UNITTA公司稱之為保力強(qiáng)皮帶（The Poly Chain GT）。事實(shí)證明，圓弧齒同步帶傳動(dòng)比梯形齒具有更大的承載能力，振動(dòng)和噪聲以及使用壽命都優(yōu)于梯形齒同步帶傳動(dòng)。因此，在高速大功率同步帶傳動(dòng)中，已普遍采用圓弧齒形同步帶。目前同步帶傳動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)已有相應(yīng)的ISO標(biāo)準(zhǔn)。

2 在全墊升氣墊船上的應(yīng)用

在我國自行研制的全墊升氣墊船上，同步帶已有20多年的實(shí)船應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

在最早設(shè)計(jì)的氣墊船上，國內(nèi)采用的都是直接傳動(dòng)方式來驅(qū)動(dòng)空氣螺旋槳。由于空氣螺旋槳的特殊性，導(dǎo)致在氣墊船總體布置上不得不將主機(jī)軸線安置在較高的位置，這對(duì)于船的穩(wěn)性有一定的影響。后來引進(jìn)了同步帶，主機(jī)軸線與空氣螺旋槳軸線間距可大幅度增大。這樣不僅便于優(yōu)化軸系布置，提高氣墊船的總體性能，且傳動(dòng)速比可按需通過調(diào)節(jié)帶輪齒數(shù)隨意改變。同步帶的出現(xiàn)在很大程度上推動(dòng)了氣墊船的發(fā)展。

2.1 同步帶選型計(jì)算

圖2是某全墊升氣墊船一舷的推進(jìn)軸系簡圖。

圖2 推進(jìn)軸系簡圖

該艇是雙機(jī)、雙槳模式。采用具有前后輸出能力的道依茨風(fēng)冷柴油機(jī)以及可調(diào)距的空氣螺旋槳，由柴油機(jī)的飛輪端輸出軸通過同步齒形帶驅(qū)動(dòng)空氣螺旋槳來實(shí)現(xiàn)全艇的推進(jìn)功能。

同步帶的選型方法：首先，根據(jù)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速2 300 r/min，空氣螺旋槳的轉(zhuǎn)速1 894 r/min，確定同步帶的減速比為2 300/1 894=1.214；然后，根據(jù)該船設(shè)計(jì)的傳遞功率130 kW及運(yùn)行工況對(duì)應(yīng)的功率因子1.8，計(jì)算出所選用同步帶的傳遞能力至少應(yīng)該達(dá)到130×1.8=234 kW；再根據(jù)同步帶傳遞能力及高速軸的轉(zhuǎn)速查相關(guān)文獻(xiàn)［2］中的皮帶節(jié)距選擇指南（Belt Pitch Selection Guide）圖，如圖3所示。

圖3 皮帶節(jié)距選擇指南

由該圖查得，當(dāng)最高轉(zhuǎn)速為2 300 r/min時(shí)，節(jié)距為8的同步帶能傳遞的功率低于147 kW，所以應(yīng)該選用節(jié)距為14 mm的同步帶。然后可根據(jù)節(jié)距、功率以及帶輪中心距查選型表，確定該船同步帶的型號(hào)為14MGTC-2240，齒數(shù)為160，主動(dòng)端齒數(shù)28、直徑124.765mm（4.912 in），被動(dòng)端齒數(shù)34、直徑151.511 mm（5.965 in），中心距902.970 mm（35.550 in），修正因子0.99。

同步帶帶寬是根據(jù)功率和使用壽命期來確定的。由“（額定功率+附加功率）×修正因子”計(jì)算得出的數(shù)據(jù)去查功率評(píng)估表，可以確定同步帶帶寬定為90mm。為保障其使用壽命，本艇最終選擇的同步帶帶寬為95mm。至此，同步齒形帶的型號(hào)參數(shù)基本確定。

2.2 與其他傳動(dòng)方式的實(shí)船應(yīng)用比較

同步帶傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)是在實(shí)船上得到驗(yàn)證的。以20世紀(jì)90年代先后研制的兩型全墊升氣墊船為例，該兩型艇的推進(jìn)動(dòng)力與額定轉(zhuǎn)速完全相同（均為335 kW、2 300 r/min）。A型艇的推進(jìn)軸系采用長軸系直接傳動(dòng)，如圖4所示。B型艇的推進(jìn)軸系采用同步帶傳動(dòng)，減速比i=1.607，如圖5所示。

圖4 A型艇推進(jìn)軸系簡圖

圖5 B型艇推進(jìn)軸系簡圖

由圖4、圖5的比較分析不難看出：A型艇因采用直接傳動(dòng)的方式，推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)必須布置得較高，發(fā)動(dòng)機(jī)不可避免會(huì)影響空氣螺旋槳進(jìn)氣流場(chǎng)。而且，此狀態(tài)下空氣螺旋槳的轉(zhuǎn)速必然和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速同步，空氣螺旋槳的工作點(diǎn)無法達(dá)到最佳狀態(tài)。并且由于設(shè)備重心抬高，因此也不利于艇的穩(wěn)性。B型艇采用同步帶傳動(dòng)。一方面，推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)可以布置得較低，大大降低了艇的重量重心（中小型氣墊艇上發(fā)動(dòng)機(jī)重量占全艇重量比重較大）；另一方面，同步帶能實(shí)現(xiàn)減速（主動(dòng)輪和被動(dòng)輪的齒數(shù)可任意搭配），減速后的空氣螺旋槳更容易滿足總體性能需求，使其發(fā)揮最佳功效。

同一時(shí)期，國外某些中小型氣墊艇的推進(jìn)設(shè)計(jì)普遍采用螺旋錐齒輪傳動(dòng)方案，其推進(jìn)傳動(dòng)簡圖如圖6所示。

圖6 國外氣墊艇推進(jìn)軸系簡圖

這種傳動(dòng)方式，需要特別研制一臺(tái)重量輕、尺寸緊湊的直角傳動(dòng)螺旋錐齒輪箱。其缺點(diǎn)在于一旦速比和中心距確定后，齒輪箱也就確定了，此后任何微小改動(dòng)都必須重新制模，成本昂貴。另外，與同步帶相比，齒輪箱不僅在重量與尺寸上毫無優(yōu)勢(shì)，而且齒輪箱還需要考慮散熱、潤滑、密封等因素，在維護(hù)保障方面要求較高。對(duì)于中小型全墊升氣墊船來說，實(shí)用價(jià)值不如同步帶傳動(dòng)。

綜上對(duì)比分析，對(duì)于中小功率檔的全墊升氣墊船，采用同步帶來傳遞功率不僅傳動(dòng)比準(zhǔn)確、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠，且維護(hù)保養(yǎng)便利、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用較低，能較好地配合其他傳動(dòng)裝置發(fā)揮系統(tǒng)性能。

2.3在全墊升氣墊船上的安裝

同步帶的安裝要求比較高。安裝如果不到位，就會(huì)影響同步帶的性能和使用壽命，進(jìn)而影響整船的總體性能。其正確安裝方法如下：

（1）在帶輪安裝前應(yīng)該去除帶輪上的鐵銹、塵埃及油污，以免同步帶過早磨損。

（2）帶輪安裝時(shí)，應(yīng)保證各帶輪軸線的平行度，并使各帶輪的傳動(dòng)中心平面位于同一平面內(nèi)。以前主要依靠測(cè)量兩軸線的中心距離來判斷軸線是否平行，但這種方式精度太低?，F(xiàn)在不少公司都開發(fā)出了新的工具來測(cè)量軸系平行度。如FAG公司開發(fā)的“Top-Laser SMARTY”皮帶輪對(duì)中儀，可大大簡化操作程序，提高軸系對(duì)中的精度。

（3）同步帶安裝時(shí)，必須加上適當(dāng)?shù)膹埦o力。帶的張緊可通過改變傳動(dòng)裝置的中心距來實(shí)現(xiàn)。在氣墊船上，一般通過調(diào)整支承軸承的安裝高度來改變兩軸線中心距，從而調(diào)節(jié)帶的張緊。判斷帶的張緊合適程度，過去常常采用在兩個(gè)帶輪間跨度中點(diǎn)上加重量來檢驗(yàn)?，F(xiàn)在大多采用先進(jìn)的張力儀直接測(cè)量帶的張緊度，其方法是利用測(cè)量帶的振動(dòng)頻率來判斷帶的張緊度。

3 結(jié)論

本文以國內(nèi)全墊升氣墊船發(fā)展史上幾艘典型的氣墊船為例，對(duì)其傳動(dòng)方式進(jìn)行對(duì)比分析，整理出同步帶選型計(jì)算方法。同時(shí)，結(jié)合同期國外的中小功率檔全墊升氣墊船齒輪傳動(dòng)方式，充分論證了同步帶傳動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)。

［1］方文中.同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)·制造·使用［M］.上海：上?？茖W(xué)普及出版社，1993.

［2］蓋茨公司.The Driving Force in Power Transmission［M］.美國：2006.

Application of synchronous belt drive on air cushion craft

PENG Lei
（Marine Design&Research Institute of China，Shanghai 200011，China）

Synchronous belt drive is one of the most efficient driving modes.This paper summarizes the development，disadvantages and advantages，and categories of the synchronous belt，introduces its application on air cushion craft and the selection method，and displays the advantages of the product and the method to overcome its shortcomings by comparison with other driving modes.It is valuable for ship design，especially for the design of high-performance ships.

synchronous belt drive；air cushion craft；application

TH132.3+2

A

1001-9855（2012）03-0045-05

2011-12-07；

2011-12-15

彭磊（1985-），男，漢族，助理工程師，研究方向：輪機(jī)設(shè)計(jì)。