同步帶傳動在全墊升氣墊船上的應用

彭磊

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

同步帶傳動在全墊升氣墊船上的應用

彭磊

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

同步帶傳動是一種比較高效的傳動方式。以同步帶作為著眼點，對其發(fā)展、優(yōu)缺點、分類進行總結(jié)，介紹其在氣墊船上的應用與選型計算方法，并與其他傳動方式作比較，展示了該產(chǎn)品的優(yōu)點及克服其缺點的方法，對從事船舶設計，尤其是高性能船設計有一定的參考價值。

同步帶傳動；全墊升氣墊船；應用

0 引言

同步帶傳動是一種比較高效的機械傳動。由于它具有傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、傳動比恒定、耗能少、傳動效率高等特點，近年來在各種機械領域得到廣泛應用，也是高速船和小型船舶常用的一種傳動形式。目前，國內(nèi)設計研制的中小型氣墊船上就是以同步帶作為主要的傳動方式來代替常規(guī)的齒輪傳動，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在全墊升氣墊船上的應用作簡單介紹。

1 同步帶傳動

1.1 發(fā)展概況

有關(guān)文獻記載，同步帶傳動早在1900年已有人研究并多次提出專利，但其實用化是在二戰(zhàn)以后［1］。由于同步帶兼具鏈、齒輪、三角膠帶的優(yōu)點，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其加以開發(fā)，1946年辛加公司把同步帶用于縫紉機針和纏線管的同步傳動上，取得了顯著效益。后期，又逐步應用到其他機械傳動上。

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

同步帶傳動在20世紀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)霓塔傳動系統(tǒng)（蘇州）有限公司是國內(nèi)領先的同步帶生產(chǎn)企業(yè)。公司以美國蓋茨公司技術(shù)為基礎，生產(chǎn)出一系列滿足機械、汽車、造船等工業(yè)需求的同步帶［2］。

1.2 同步帶傳動的特點

1.2.1 優(yōu)點

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

圖1 同步帶傳動

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

（1）工作時無滑動，有準確的傳動比；

（2）傳動效率高，節(jié)能效果好；

（3）傳動比范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊；

（4）維護保養(yǎng)方便，運轉(zhuǎn)費用低；

（5）惡劣的環(huán)境條件下也能正常工作。

1.2.2 缺點

不過，同步帶傳動也存在以下缺點：

（1）安裝要求高、中心距要求嚴格

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

（2）制造工藝復雜、制造成本高

由于同步帶傳動屬于嚙合傳動，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 同步帶傳動與其他傳動的性能比較

如表1所示，同步帶傳動與其他傳動相比，在性能上具有一定的優(yōu)勢。

表1 同步帶傳動與其他傳動的性能比較

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)越的傳動性能、更高的強度、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）傳動不夠平穩(wěn)，在高轉(zhuǎn)速時有較大的振動和噪聲；

（3）在傳動過程中產(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。

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

2 在全墊升氣墊船上的應用

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

在最早設計的氣墊船上，國內(nèi)采用的都是直接傳動方式來驅(qū)動空氣螺旋槳。由于空氣螺旋槳的特殊性，導致在氣墊船總體布置上不得不將主機軸線安置在較高的位置，這對于船的穩(wěn)性有一定的影響。后來引進了同步帶，主機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)在很大程度上推動了氣墊船的發(fā)展。

2.1 同步帶選型計算

圖2是某全墊升氣墊船一舷的推進軸系簡圖。

圖2 推進軸系簡圖

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

同步帶的選型方法：首先，根據(jù)柴油機的轉(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)該船設計的傳遞功率130 kW及運行工況對應的功率因子1.8，計算出所選用同步帶的傳遞能力至少應該達到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［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，當最高轉(zhuǎn)速為2 300 r/min時，節(jié)距為8的同步帶能傳遞的功率低于147 kW，所以應該選用節(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為14MGTC-2240，齒數(shù)為160，主動端齒數(shù)28、直徑124.765mm（4.912 in），被動端齒數(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”計算得出的數(shù)據(jù)去查功率評估表，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，同步齒形帶的型號參數(shù)基本確定。

2.2 與其他傳動方式的實船應用比較

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

圖4 A型艇推進軸系簡圖

圖5 B型艇推進軸系簡圖

由圖4、圖5的比較分析不難看出：A型艇因采用直接傳動的方式，推進發(fā)動機必須布置得較高，發(fā)動機不可避免會影響空氣螺旋槳進氣流場。而且，此狀態(tài)下空氣螺旋槳的轉(zhuǎn)速必然和發(fā)動機轉(zhuǎn)速同步，空氣螺旋槳的工作點無法達到最佳狀態(tài)。并且由于設備重心抬高，因此也不利于艇的穩(wěn)性。B型艇采用同步帶傳動。一方面，推進發(fā)動機可以布置得較低，大大降低了艇的重量重心（中小型氣墊艇上發(fā)動機重量占全艇重量比重較大）；另一方面，同步帶能實現(xiàn)減速（主動輪和被動輪的齒數(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。

同一時期，國外某些中小型氣墊艇的推進設計普遍采用螺旋錐齒輪傳動方案，其推進傳動簡圖如圖6所示。

圖6 國外氣墊艇推進軸系簡圖

這種傳動方式，需要特別研制一臺重量輕、尺寸緊湊的直角傳動螺旋錐齒輪箱。其缺點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，而且齒輪箱還需要考慮散熱、潤滑、密封等因素，在維護保障方面要求較高。對于中小型全墊升氣墊船來說，實用價值不如同步帶傳動。

綜上對比分析，對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比準確、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠，且維護保養(yǎng)便利、運轉(zhuǎn)費用較低，能較好地配合其他傳動裝置發(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，就會影響同步帶的性能和使用壽命，進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，應保證各帶輪軸線的平行度，并使各帶輪的傳動中心平面位于同一平面內(nèi)。以前主要依靠測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。現(xiàn)在不少公司都開發(fā)出了新的工具來測量軸系平行度。如FAG公司開發(fā)的“Top-Laser SMARTY”皮帶輪對中儀，可大大簡化操作程序，提高軸系對中的精度。

（3）同步帶安裝時，必須加上適當?shù)膹埦o力。帶的張緊可通過改變傳動裝置的中心距來實現(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帶輪間跨度中點上加重量來檢驗?，F(xiàn)在大多采用先進的張力儀直接測量帶的張緊度，其方法是利用測量帶的振動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，對其傳動方式進行對比分析，整理出同步帶選型計算方法。同時，結(jié)合同期國外的中小功率檔全墊升氣墊船齒輪傳動方式，充分論證了同步帶傳動方式的優(yōu)點。

［1］方文中.同步帶傳動設計·制造·使用［M］.上海：上?？茖W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：輪機設計。