船舶传动轴结构

项目：传动轴设计能力目标：掌握传动轴结构设计方法；掌握传动轴的强度计算；会绘制传动轴图纸。知识目标：掌握传动轴的任务、组成、以及结构特点。㈠螺旋桨轴和尾轴（图例）螺旋桨轴位于轴系的最后端，尾部安装螺旋桨，首部通过联轴节与中间轴或推进机组输出法兰相连。一般情况下螺旋桨轴即尾轴，只有当螺旋桨轴伸出船体过长时，才分为两段，装螺旋桨的一段轴称为螺旋桨轴，通过尾轴管的一段轴称为尾轴。⒈螺旋桨轴的尾部结构螺旋桨轴的尾部是供安装螺旋桨之用，制成锥体，主要为了便于拆装。主机的转矩靠螺旋桨锥孔与桨轴锥体之间紧密配合产生的摩擦力以及键来传递。螺旋桨轴的尾部结构尺寸一般由规范计算所确定的尾轴直径来进行估算。锥度K多采用1：15和1：12。螺纹直径dW=(0.75～0.90)dTZ

，螺纹长度lW=dW为避免紧固螺帽松动，习惯上将尾螺纹的旋向设计成和桨的回转方向相反。尾部锥体的键槽是引起局部应力集中的原因之一，最危险部分在锥体大端附近，大多数的疲劳裂纹是从键槽锐角上开始。为了减小局部应力，键槽的棱角应做成圆角，键槽底也应有圆角，《钢质海船入级与建造规范》（2001）规定圆角半径应不小于锥部大端直径的1/25。螺旋桨轴的圆柱体与锥体交界处不应有凸肩或圆角。轴上键槽前端应平滑且呈汤匙形；也有船级社规定轴上键槽要做成雪橇形。轴上键槽前端到轴锥部大端的距离不小于0.2倍锥部大端的直径。键应用螺钉固定在轴上，螺钉孔不应在距前端键长1/3的范围内，螺孔的深度应不大于螺孔直径。⒉轴干轴干位于螺旋桨轴的中间部位，其两端与轴颈相连。轴干的直径按相关的船舶规范中的有关公式求得，再按与其相近的标准化轴径数值进行选定。此标准化轴径是为了便于螺旋桨轴的设计、生产、加工及互换，由有关部门颁布的，供设计时选用。轴干的长度取决于轴系布置，与所采用的轴线数量，船体线型、船体总布置、各轴承负荷情况、工厂的加工能力及轴系在机舱内装拆要求等因素等有关。

⒊轴颈轴颈是直接与尾轴承相接触的部位，为了便于安装以及轴颈在磨损后更换轴套时留有光车的裕量，以延长使用寿命，其直径应比轴干略大，一般按其轴径大小的不同，约增大5～30mm。另外，为了便于安装，往往将前后的轴颈直径制成略有差值(约2～10mm)。轴颈的长度一般略大于其轴承长度50～100mm左右，以保证在轴系安装或调整中轴发生轴向位移时，仍能与轴承有较好地接触。为了减少应力集中，在轴干与轴颈的连接处，应采用圆弧或斜锥过渡。轴套与轴颈配合的过盈量轴套一般采用红套或液压套合法装配于轴上，轴套在其红套轴上后应检查其紧密性，在距离尾轴锥体端70mm长度上，严禁有配合不紧密的地方。轴套与轴颈配合的过盈量见下表：轴颈直径＜120120～180180～260260～360360～500500～700过盈量0.10～0.140.14～0.200.20～0.260.26～0.320.32～0.400.40～0.50⑵轴套表面的圆度和圆柱度的要求见下表。加工时通常采取在铜套装入艉轴后，同时光车轴颈铜套表面与艉轴法兰外圆和端面的方法。

直径D≤120120～180180～260260～500500～800＞800圆度圆柱度≤0.025≤0.035≤0.045≤0.055≤0.065≤0.075轴套表面的圆度和圆柱度螺旋桨轴铜轴套的厚度轴套的厚度可按下表选定:单位mmd是轴承档处基本直径分类轴承档处新制最小厚度t非工作轴颈部位厚度光车修理厚度极限厚度厚度0.03d+7.50.75t0.02d+50.015d+3.5轴套卸荷槽⑷为减轻轴套红套于轴上后的应力集中现象，常在轴套的两端开卸荷槽，如图2—28所示。⑸轴套经常是制成一个整体，但当轴套过长时，也可以分段焊接。对非焊接的接缝应采用搭接缝。对搭接缝可用焊锡填补，这时搭口应车成燕尾槽形，也可采用机械滚压法予以滚压接平。分段连接起来的轴套，其接缝处必须保持水密。如图2—29所示。⒌螺旋桨轴的首部螺旋桨轴的首部是为了安装联轴节之用，其结构型式有两种：一种安装可拆联轴节，结构与螺旋桨轴的尾部锥体结构相似；另一种是整锻法兰，结构图2—18的b图所示。其结构和尺寸可按相关船舶标准有关数据选定。轴的防护螺旋桨与轴在海水中形成一对电极，存在一定的电位差，会使尾轴遭到强烈的电化腐蚀。另外水润滑螺旋桨轴的轴干部分常裸露于海水中，海水对钢轴也会产生化学腐蚀，所以对螺旋桨轴必须采取保护措施。一般船舶常常采用的是阴极保护法和覆盖保护法。⒈阴极保护法。如图2－30所示。锌块通过焊接或者以螺栓固定于船体上，用导线与碳刷连接，碳刷通过固定在螺旋桨轴上的集流环形成防蚀回路。⒉覆盖保护法在轴上包覆玻璃钢保护层是目前保护螺旋桨轴表面最可靠和完善的方法，因为固化后的玻璃钢具有良好的物理、机械、绝缘和抗蚀性，它在海水、石油产品以及碱溶液中都不易损坏，故目前被广泛应用。

㈡中间轴（图例）中间轴一般设在尾轴与推力轴之间，也有的在柴油机的飞轮输出端设置一根短轴及轴承，用以分担飞轮的重量，调整曲轴的拐档差，使之满足规范的要求。中间轴还常被用来安装轴系制动器、轴带发电机及转速发讯装置等附件。根据轴端连接方式的不同，中间轴分为带整锻法兰的中间轴和两端为锥体的中间轴两种型式。前者为目前大、中型船舶上所广泛采用。其特点是：重量尺寸小，安装方便，但需要有锻制整锻法兰的锻压设备进行加工，不过法兰也可以采用焊接连接的型式，可将轴端墩粗进行焊接，或采用v型接缝焊接。如图2－34所示。后者一般用于采用滚动式中间轴承的轴。中间轴的轴颈是为安装中间轴承之用，其数量与中间轴承的数量相等。一般每根轴采用一道中间轴承，其相应的轴颈也只有一个。但当中间轴过长时，也有用两道中间轴承，相应的轴也会设两个轴颈。另外当中间轴穿过水密隔舱壁时，也需要在设置隔舱填料函的部位设置轴颈。轴颈处要适当地加粗，以供轴颈磨损后修理时光车之用。一般轴颈比轴干大5～20mm左右(按不同轴径选用)。轴颈与轴干的过渡处须采用斜锥或圆弧过渡，以免应力集中，其连接法兰一般靠近支承位置布置。㈢推力轴（图例）在船舶轴系中，推力轴的一端与发动机或齿轮箱连接，一端与中间轴或尾轴连接。长度通常较短，只要能与推力轴承匹配就足够了。推力轴两端的结构有整锻法兰和可拆联轴节两种，除用滚动式推力轴承的推力轴外，一般使用滑动式推力轴承的推力轴均为整锻法兰型式，并设有推力环。在推力环的两侧有推力块与其配合，用来承受和传递螺旋桨的推力。㈣传动轴的材料

传动轴的材料应具有高强度、可塑、耐疲劳和耐冲击的良好机械性能，且易于机械加工。民用船舶广泛使用30、35、45号优质碳素钢的锻件做轴的材料。为降低成本，轴径小于200mm的中间轴和螺旋桨轴也可用热轧圆钢来代替。一些裸露在水中的轴还常常选用不锈钢，国际上常用的是316不锈钢（美国AISI标准）。1Cr18Ni9Ti舰艇及高速船为减轻轴系重量，可采用合金钢，但是合金钢价格昂贵，且对各种形式的凹槽(如键槽)、表面伤痕和轴径的突变等较敏感，机械加工要求较高，因此非必要时应尽量避免采用。用做轴材料的锻件，其化学成分、机械性能均应符合规范规定的数据。详见《轴系锻件技术要求》CB/T1159-98。㈤传动轴的加工技术要求传动轴的工作轴颈、锥体以及非工作轴颈的径向跳动；传动轴法兰径向及端面跳动；推力环厚度偏差、推力轴的推力环平面和法兰端