專利名稱：船只推進(jìn)中間驅(qū)動(dòng)軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于船只推進(jìn)系統(tǒng)的中間驅(qū)動(dòng)軸，特別涉及一種包括一個(gè)大容量雙沖程的內(nèi)燃機(jī)的船只推進(jìn)系統(tǒng)，該內(nèi)燃機(jī)通過一個(gè)中間軸與推進(jìn)軸相連。
本發(fā)明的中間軸設(shè)計(jì)目的是提高對(duì)軸應(yīng)力的控制，該應(yīng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的激振所引起的中間軸的扭振共振而引起的。主要的激振來自燃燒壓力以及旋轉(zhuǎn)和往復(fù)的物的內(nèi)力的力矩。這些力是發(fā)動(dòng)機(jī)的特性。這些力增大的趨勢(shì)指代壓力，表明為了降低特定燃料的消耗降低最大的連續(xù)負(fù)荷指數(shù)。這些趨勢(shì)都導(dǎo)致激振力矩的增加和單節(jié)點(diǎn)扭轉(zhuǎn)共振速度的增加。這些問題適用于固定節(jié)距的螺旋槳和可控制節(jié)距的螺旋槳。
另一個(gè)趨勢(shì)是將發(fā)動(dòng)機(jī)定位到接近船尾處，這樣可以縮短中間軸的長(zhǎng)度。假定所有的其它參數(shù)相等，這種定位方式會(huì)導(dǎo)致共振速度的進(jìn)一步增加和整個(gè)系統(tǒng)阻尼的進(jìn)一步降低。
背景技術(shù)：
已知多種措施可以控制扭轉(zhuǎn)共振問題，例如調(diào)整輪，機(jī)械減振器(扭力振動(dòng)減振器(T/V減振器))，發(fā)動(dòng)機(jī)控制臨界電動(dòng)機(jī)速度的干擾(氣缸的減壓)，禁用轉(zhuǎn)速范圍和向前移動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)來增加中間軸的長(zhǎng)度。這些措施有它們的缺點(diǎn)或者價(jià)格昂貴，不方便，和/或發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備變的越來越龐大并且越來越笨重。這里描述了與扭振相關(guān)的基本概念，例如在使用說明“雙沖程低速柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)特性”第2版，1988，作者
L.Bryndum，S.B.Jacobsen，這篇文章可以從網(wǎng)址www.manbw.com上找到。

發(fā)明內(nèi)容
在此背景下，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種中間軸，它克服了，或至少減輕了上面所提到的問題。這個(gè)目的通過以下來實(shí)現(xiàn)，這一點(diǎn)與權(quán)利要求1中描述的一致提供了一種中間軸，此中間軸將大容量雙沖程內(nèi)燃機(jī)連接到負(fù)載上，特別是提供了一種推進(jìn)軸，所述中間軸沿縱向軸線從一個(gè)連接發(fā)動(dòng)機(jī)的最近端延伸到連接負(fù)載的末端位置處，從而中間軸位于所述最近端和所述末端之間長(zhǎng)度的至少一部分是由兩個(gè)或更多個(gè)構(gòu)件關(guān)于中間軸的縱向軸線徑向?qū)ΨQ分布而形成的，并且完全平行延伸。
具有兩個(gè)或更多個(gè)構(gòu)件的部分有低的抗力矩性，因此使中間軸有一個(gè)整體增加的扭轉(zhuǎn)撓性。由于系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)撓性較低，所以系統(tǒng)的整體阻尼增加，并且發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生共振的速度降低。這兩個(gè)方面對(duì)控制由扭振共振所引起的軸應(yīng)力有益。
為了增加軸的長(zhǎng)度，在不向前移動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，可以實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的帶有扭轉(zhuǎn)撓性中間軸的一些其它方式的非撓性設(shè)計(jì)。在其它的情況中，可以避免使用昂貴的T/V減振器，和/或?qū)⒔棉D(zhuǎn)速范圍定位在更方便的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，或避免所有的這些情況。因?yàn)檫@些情況彼此關(guān)聯(lián)很大所以將這些效果組合起來也是可能的。
傳統(tǒng)的中間軸由實(shí)心鋼棒料制成，尺寸定制為能夠承載在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中施加于其上的靜力矩和動(dòng)力矩。減小軸的直徑和換用高等級(jí)的鋼材來增加扭轉(zhuǎn)撓性同時(shí)仍保持所需的強(qiáng)度并不是一個(gè)合理的解決辦法，因?yàn)?船只分級(jí)對(duì)船體和它的附屬部分的所有重要部分的強(qiáng)度，推進(jìn)和駕駛系統(tǒng)的安全性和可靠性的規(guī)定，為建立和保持甲板上的基本情況，在船體內(nèi)設(shè)立其它部件和輔助系統(tǒng)，因此為了確保船只的安全，以上這些規(guī)定都必須執(zhí)行)對(duì)強(qiáng)制允許的最大許應(yīng)力進(jìn)行了限制。
中間軸也面臨著同由螺旋槳帶來的可觀數(shù)量的推力問題，并且，減小實(shí)心中間軸的直徑會(huì)帶來旋轉(zhuǎn)問題。
構(gòu)件有一個(gè)弓形截面，優(yōu)選的是，弓形截面的半徑與構(gòu)件到中間軸的縱向軸線的距離完全相等。這使得軸可由管料通過機(jī)加工開口而制成。封閉的管狀幾何形狀通過機(jī)加工而開口，這樣中間軸的扭轉(zhuǎn)撓性大大提高。優(yōu)選的是，構(gòu)件的弓形截面沿著它們所位于的假想的圓周切線方向上延伸，所以只是相關(guān)的狹逢將這些構(gòu)件彼此分開，這樣軸就可由管料通過分別機(jī)加工出相關(guān)狹逢而制成。
中間軸的直徑可以在狹逢的末端增大，這是為了降低此處的應(yīng)力水平。通過增大軸材料局部的半徑厚度還可以進(jìn)一步降低末端的應(yīng)力水平。為了進(jìn)一步降低應(yīng)力水平可以增大狹逢末端的圓周直徑。
中間軸可以具有沿著它的長(zhǎng)度軸線可以有兩個(gè)或更多個(gè)構(gòu)件形成的兩部分或更多部分，由兩個(gè)或更多個(gè)構(gòu)件形成的部分中的兩個(gè)或更多個(gè)構(gòu)件有一個(gè)管狀或圓柱部分。管狀或圓柱部分可以與一個(gè)支撐軸承配合。這樣，為了增加中間軸的防旋轉(zhuǎn)能力可以沿著中間軸的長(zhǎng)度方向上設(shè)置另外的軸承。
中間軸的最近端或末端最好是管狀或圓柱狀，并且相對(duì)于由兩個(gè)或更多構(gòu)件形成軸的部分具有一個(gè)增大的直徑。
本發(fā)明的中間軸的其它的目的，特征，優(yōu)點(diǎn)和特性將在下面的詳細(xì)描述中得以說明。


下面參照例子和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述圖1是現(xiàn)有技術(shù)的帶有傳統(tǒng)中間軸的船只驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)視圖；圖2是帶有本發(fā)明的中間軸的船只驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)視圖；圖3是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的中間軸的立體圖；圖4是圖3中所示的中間軸的沿著長(zhǎng)度方向的剖面圖；圖5是圖3所示的中間軸的橫截面圖；圖6是帶有一個(gè)傳統(tǒng)中間軸和一個(gè)T/V減振器的船只驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化示意圖；圖7是帶有一個(gè)本發(fā)明的中間軸的船只驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化示意圖；圖8是帶有一個(gè)本發(fā)明的中間軸的船只驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化示意圖，其中狹縫中填充有硫化橡膠；圖9帶有一個(gè)傳統(tǒng)中間軸和一個(gè)調(diào)整輪的船只驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化示意圖；以及圖10是帶有一個(gè)本發(fā)明的中間軸的船只驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)的帶有一個(gè)貨艙2和一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)室3的船只的船體1。一個(gè)十字頭型5缸雙沖程發(fā)動(dòng)機(jī)4剛好位于壁的后面，將發(fā)動(dòng)機(jī)室3和貨艙2分開。
一個(gè)固體的和相對(duì)長(zhǎng)的中間軸5連接發(fā)動(dòng)機(jī)4的輸出軸和驅(qū)動(dòng)螺旋槳7的推進(jìn)軸6。中間軸由于長(zhǎng)度很長(zhǎng)所以有高的扭轉(zhuǎn)撓性。在船只驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的這種設(shè)計(jì)中，由于扭轉(zhuǎn)共振引起的中間軸的過應(yīng)力水平的情況很少出現(xiàn)。
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的帶有一個(gè)貨艙2和一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)室3的船只的船體1。發(fā)動(dòng)機(jī)室3比圖1中所示實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)室要短，這樣，即使其它的參數(shù)相同也可以有一個(gè)較大的貨艙2。
一個(gè)大的十字頭型的5缸雙沖程發(fā)動(dòng)機(jī)4剛好位于壁的后面將發(fā)動(dòng)機(jī)室3和貨艙2分開。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的短中間軸5將發(fā)動(dòng)機(jī)4的輸出軸和驅(qū)動(dòng)螺旋槳7的推進(jìn)軸6連接起來。氣缸的數(shù)目少會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出有高的扭力激振，這一點(diǎn)由中間軸5的高扭轉(zhuǎn)撓性來補(bǔ)償。
參照?qǐng)D3到圖5，這些圖中詳細(xì)地畫出了中間軸5。中空的中間軸從將要連接到發(fā)動(dòng)機(jī)4上的最近端10延伸到將要連接到推進(jìn)軸6上的末端11。根據(jù)本發(fā)明的中間軸5包括兩個(gè)相同的軸段12。這兩個(gè)軸段12連接于中間軸的中部。每一軸段12包括兩個(gè)具有擴(kuò)大外徑的末端部分13，一個(gè)具有減小外徑的中間部分14和兩個(gè)位于末端部分和位于末端部分13和中間部分14的錐形部分15。錐形部分15的一端與末端部分的外徑部分相配合，另一端與中間部分的外徑相配合。優(yōu)選的是，中間軸5由一個(gè)單根管狀材料機(jī)加工而成。末端部分13的最近端10和末端11適于連接到發(fā)動(dòng)機(jī)4或推進(jìn)軸6上。中間軸5的中部的末端部分13適于與一個(gè)支撐軸承(未畫出)配合來防止中間軸5旋轉(zhuǎn)。
每一個(gè)軸段12上機(jī)加工有4條縱向延伸的狹縫9。狹縫9從一個(gè)軸段12的末端部分13延伸，經(jīng)過錐形部分15和中間部分14，一起延伸到這個(gè)軸段12的相對(duì)的末端部分13，末端部分13由此由四個(gè)徑向?qū)ΨQ的帶有弓形截面的構(gòu)件16與另一個(gè)末端13相連。
狹縫9將封閉管幾何形狀分開從而增加了扭轉(zhuǎn)撓性，這樣就增加了中間軸5的應(yīng)力比率撓性。
如果中間軸的結(jié)構(gòu)是由直管料帶有狹逢，在扭轉(zhuǎn)載荷下中間軸5的變形將導(dǎo)致狹縫末端的高應(yīng)力水平。為降低應(yīng)力水平可以采取三種措施首先，增大中間軸5的狹逢9的末端，即，末端部分13的直徑來降低狹縫9末端的應(yīng)力；第二，增加狹逢9的末端，即，末端部分13的材料厚度；第三，如圖4中所示，最好的是，狹逢9的末端有一個(gè)擴(kuò)大的不均勻的半徑17，它進(jìn)一步降低軸材料的應(yīng)力水平。半徑17設(shè)計(jì)成不均勻的是考慮了由靜扭矩和動(dòng)扭矩產(chǎn)生的應(yīng)力。
在相等的最大應(yīng)力水平下，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的中間軸5的扭轉(zhuǎn)撓性是實(shí)心的桿型傳統(tǒng)中間軸扭轉(zhuǎn)撓性的2到3倍。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，中間軸的內(nèi)徑在整個(gè)軸長(zhǎng)度上相等(未畫出)，這樣方便機(jī)加工并且降低生產(chǎn)成本。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例(未畫出)，狹逢中填充有硫化橡膠以增加軸的阻尼扭力振動(dòng)。
圖6到圖9畫出了使用本發(fā)明的中間軸的不同發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)例子。
每一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)工作是傳統(tǒng)的工作，它受大量的相關(guān)因素影響--禁用轉(zhuǎn)速范圍是否允許？--昂貴的T/V減振器的造價(jià)是否允許？--重量和尺寸的要求，等等。
圖6到圖10是由計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的中間軸的最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力水平隨發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的轉(zhuǎn)速變化示意圖。圖中示出了最大連續(xù)功率(MCR)和由船級(jí)社“Det Norske Veritas”定義的兩速受控應(yīng)力極限，第一極限25是一種只允許在短時(shí)間內(nèi)超出的極限，即，通過禁用轉(zhuǎn)速范圍。第二極限26是一種不允許超出的極限。
在第一個(gè)例子中，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備有一個(gè)5缸發(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)5缸發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)600mm的孔和一個(gè)2292mm的沖程，105RPM下的MCR是10200KW。上述的發(fā)動(dòng)機(jī)裝有一個(gè)T/V減振器，并且通過一個(gè)傳統(tǒng)的中間軸(即中間軸是一個(gè)實(shí)心軸桿)連接到一個(gè)10200KW的螺旋槳上。
如圖6所示，在第一個(gè)例子中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在50到61RPM之間時(shí)，中間軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力超出第一應(yīng)力極限25。盡管有(昂貴的)T/V減振器，如果禁止出現(xiàn)速度范圍50到61RPM，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的這種設(shè)計(jì)只得到船級(jí)社的支持。
第二個(gè)例子涉及到同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳，但傳統(tǒng)的中間軸由本發(fā)明的中間軸代替，并且拆下了減振器。
如圖7所示，在第二個(gè)例子中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在34到42RPM之間時(shí)，中間軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力超出第一應(yīng)力極限25。如果禁止出現(xiàn)轉(zhuǎn)度范圍34到42RPM，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的這種設(shè)計(jì)只得到船級(jí)社的支持。但禁止出現(xiàn)低RPM水平的設(shè)計(jì)更具有吸引力。因此，通過使用本發(fā)明的中間軸代替昂貴的T/V減振器，就可以得到更具吸引力和造價(jià)較低的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備。
第三個(gè)例子涉及到同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳，但根據(jù)本發(fā)明的中間軸的狹逢中填充有硫化橡膠。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的一部分能量通過橡膠變形而喪失。如圖8所示，在第三個(gè)例子中，中間軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力沒有超出第一應(yīng)力極限25。這種發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)得到無禁用轉(zhuǎn)速的船級(jí)社的支持。
在第四個(gè)例子中，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備有一個(gè)5缸發(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)5缸發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)700mm的孔和一個(gè)2674mm的沖程，91RPM下的MCR是14050KW。上述的發(fā)動(dòng)機(jī)裝有一個(gè)調(diào)整輪，并且通過一個(gè)傳統(tǒng)的中間軸(即中間軸是一個(gè)實(shí)心軸桿)連接到一個(gè)14050KW的螺旋槳上。
如圖9所示，在第四個(gè)例子中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在38.5到46.6RPM之間時(shí)，中間軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力超出第一應(yīng)力極限25。盡管有(重的)調(diào)整輪，如果禁止出現(xiàn)速度范圍38.5到46.6RPM，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的這種設(shè)計(jì)只得到船級(jí)社的支持。
第五個(gè)例子涉及到和第四個(gè)例子相同的發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳，但由根據(jù)本發(fā)明的中間軸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的中間軸，并且拆除了調(diào)整輪。
如圖10所示，中間軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力沒有超出第一應(yīng)力極限25。這種發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)得到無禁用轉(zhuǎn)速范圍的船級(jí)社的支持。因此，通過使用本發(fā)明的中間軸代替笨重的調(diào)整輪，就可以得到更具吸引力和較輕的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備。
雖然為了進(jìn)行圖示說明，上面對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但這些描述只是為了對(duì)本發(fā)明進(jìn)行解釋，由本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在不超出本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的各種修改。
例如，中間軸的扭轉(zhuǎn)撓性部分不一定必須由管材料上開的狹逢而形成，此部分可由例如鋼材料上平行延伸的端部彼此相連的兩條或多條狹逢而形成。
因此，以上對(duì)設(shè)備和方法的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合它們研制的環(huán)境進(jìn)行了描述，但這些只是對(duì)本發(fā)明的一個(gè)原理的描述，在不偏離本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)可設(shè)計(jì)出其它的實(shí)施方式和外形。
權(quán)利要求
1.一種將一個(gè)大容量雙沖程內(nèi)燃機(jī)(4)連接到一個(gè)負(fù)載上的中間軸(5)，更具體地說是一種推進(jìn)軸(6)，所述中間軸(5)沿著縱向軸線從連接發(fā)動(dòng)機(jī)(4)的一個(gè)最近端(10)延伸到連接負(fù)載(7)的一個(gè)末端(11)，其特征在于，位于所述最近端和所述末端之間的中間軸(5)長(zhǎng)度的至少一部分是由兩個(gè)或更多個(gè)構(gòu)件(16)關(guān)于中間軸(5)的縱向軸線徑向?qū)ΨQ分布而形成并且完全平行延伸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中間軸，其特征在于，構(gòu)件(16)有一個(gè)弓形的截面，所述的弓形的半徑與所述的構(gòu)件(16)到縱向軸線(5)的距離完全相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的中間軸，其特征在于，構(gòu)件(16)的弓形截面沿著它們所位于的假想的圓周切線方向上延伸，只是由相關(guān)的狹逢(9)將構(gòu)件(16)彼此分開。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的中間軸，其特征在于，中間軸(5)的直徑在狹逢(9)的端部增大以減小應(yīng)力水平。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的中間軸，其特征在于，中間軸的材料的徑向厚度在狹逢端增大以減小應(yīng)力水平。
6.根據(jù)權(quán)利要求3到5的任意一項(xiàng)所述的中間軸，其特征在于，狹逢的末端的半徑(17)增大以減小應(yīng)力水平。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6的任意一項(xiàng)所述的中間軸，其特征在于，具有沿著它的長(zhǎng)度軸線的由兩個(gè)或更多個(gè)構(gòu)件(16)形成的兩部分或更多部分，由兩個(gè)或更多個(gè)構(gòu)件形成的部分中的兩個(gè)或更多個(gè)構(gòu)件有一個(gè)管狀或圓柱部分(13)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7的任意一項(xiàng)所述的中間軸，其特征在于，最近端(10)和末端(11)是管狀或圓柱狀并且相對(duì)于由兩個(gè)或更多個(gè)構(gòu)件(16)形成的軸的部分具有一個(gè)增大的直徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到7中的任意一項(xiàng)所述的中間軸，其特征在于，構(gòu)件間的空間的至少一部分填充有減振材料，所述的減振材料是硫化天然或人工橡膠。
全文摘要
一種用于船只推進(jìn)系統(tǒng)的中間軸驅(qū)動(dòng)軸(5)，特別是一種包括一個(gè)大雙沖程內(nèi)燃機(jī)(4)的船只推進(jìn)系統(tǒng)，此內(nèi)燃機(jī)通過一個(gè)中間軸(5)與一個(gè)推進(jìn)軸(6)相連。這個(gè)中間驅(qū)動(dòng)軸(5)有至少一部分是由兩個(gè)或多個(gè)構(gòu)件(16)關(guān)于中間軸(5)的軸線徑向?qū)ΨQ的分布，并且平行延伸形成的。
文檔編號(hào)B63H23/00GK1522934SQ0310455
公開日2004年8月25日 申請(qǐng)日期2003年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月18日
發(fā)明者皮·瑞得, 弗德瑞克·拉·克勞克, 克 拉 克勞克, 皮 瑞得 申請(qǐng)人:曼B與W狄賽爾公司