Валопровод служит для передачи крутящего момента от двигателя к
винту. В элементах валопровода помимо постоянных напряжений, возникающих
от передачи крутящего момента двигателя, возникают знакопеременные
напряжения, связанные с неравномерностью работы двигателя,
неравномерностью крутящего момента, поглощаемого винтом, и т. д. (см.
20). Весьма опасными являются резонансные режимы, которые возникают при
крутильных резонансных колебаниях. Если гребной винт установлен в
соответствии с рекомендациями ( 21) и на рабочих режимах отсутствуют
резонансные крутильные колебания, знакопеременные напряжения будут
значительно меньше напряжений от крутящего момента. В этом Случае
диаметр вала определяют по напряжениям от крутящего момента; все
остальные факторы учитываются введением коэффициента запаса К = 2,5-г-
3,0.
Диаметры шеек валов, где имеются шпоночные пазы, желательно увеличить на
5-10%. Переходы от шейки вала к промежуточному участку выполняются по
достаточно большому радиусу (R = 0,3-f-0,5).
При механической обработке малую шероховатость поверхности (1,25-0,63)
необходимо обеспечить не только для шеек, но и для промежуточного
участка вала. Это уменьшает вероятность появления усталостных трещин и
повышает коррозионную стойкость (особенно для сталей 2X13 в морской
воде). Длина вала обычно ограничивается опасностью возникновения
резонансных изгибных колебаний. В этом случае чрезмерная вибрация вала,
даже если и не приводит к его поломке, нарушает работу уплотняющих
устройств и вызывает сильную вибрацию катера.
Следует иметь в виду, что даже при меньшей на 10-20%
частоте вращения или меньшей на 5-10% '" длине вала под действием таких
возмущающих факторов, как массовая и гидродинамическая
неуравновешенность винта, неравномерность распределения нагрузки в
упругих муфтах, небольшой изгиб вала и т. д., при работе возникает
заметная вибрация вала. Это также приводит к увеличению вибрации катера
и нарушает нормальную работу сальникового устройства.
В связи с указанными обстоятельствами длина вала (т. е. расстояние от
фланца редуктора до опорного подшипника) для валов, имеющих фланцевое
крепление к реверсредуктору. Для валов, крепление которых к
реверсредуктору осуществляется посредством упругой муфты или карданного
шарнира.
При возникновении крутильных колебаний знакопеременные нагрузки могут
превысить предел выносливости металла, и в вале будут появляться
усталостные трещины, которые приведут к его поломке.
Рассмотрим простейшую схему валопровода, когда гребной вал
непосредственно крепится к маховику двигателя. Если на неработающем
двигателе приложить к маховику и винту противоположно направленные
крутящие моменты, за счет которых произойдет некоторое скручивание
гребного вала, а затем резко убрать их, то элементы валопровода начнут
колебаться с определенной частотой - собственной частотой крутильных
колебаний.
Более сложная картина колебаний возникает при установке отдельного
редуктора. В этом случае помимо выше рассмотренных, так называемых
одноузловых, колебаний могут возникнуть двухузловые колебания, имеющие
более высокую частоту. Зажмем маховик двигателя и винт, а к фланцу
редуктора приложим крутящий момент, который скрутит как гребной, так и
промежуточный вал. Затем резко отпустим фланец редуктора, двигатель
и винт. В этом случае винт с маховиком будет колебаться в одну сторону,
а шестерни редуктора - в другую, причем как на промежуточном, так и на
гребном валу можно выделить по неподвижному сечению (узлу), относительно
которого происходят колебания (отсюда двухузловые колебания).
При резонансе амплитуда знакопеременных напряжений возрастает в
зависимости от способности конструкции демпфировать крутильные колебания
(за счет сопротивления трения). Наибольшей демпфирующей способностью
обладает валопровод, имеющий упругие муфты с резиновыми элементами или
штатными гасителями колебаний, которые используются в сцеплениях
автомобильных двигателей. Гребной винт, поскольку он вращается в вязкой
жидкости, также является демпфером колебаний.
В случае применения демпфирующих муфт в сочетании с гребным винтом
увеличение амплитуды напряжений при резонансе будет небольшим (в 3- б
раз), в то время как для участков валопровода, где отсутствуют
демпфирующие элементы (например, для промежуточного вала), увеличение
напряжений может быть значительным (в десять и более раз).
Уменьшить возмущающие моменты за счет неравномерности работы двигателя
при эксплуатации его на номинальной мощности без переделки двигателя,
естественно, невозможно. Однако если уменьшить частоту вращения
двигателя (при винте постоянного шага), то уменьшится передаваемая
мощность и валопровод будет работать с большим коэффициентом запаса
прочности. Одновременно уменьшатся я возмущающие нагрузки, а
следовательно, если возникнет резонанс, то напряжения в валах будут
меньше. Поэтому для любого валопровода можно найти частоту вращения п<.пНом,
при которой резонансные режимы не будут представлять опасности.
Естественно, что если амплитуда возмущающего момента значительна
(например, такого же порядка, как крутящий момент двигателя), то
безопасная частота вращения будет значительно меньше чем при малых
значениях возмущающего момента безопасным может оказаться даже резонанс
при п = /гном.
В гл. IV будет показано, что для четырехцилиндрового двигателя в спектре
возмущающих моментов находятся четные гармоники - 2, 4, б, 8-я и т. д.
(т. е. частоты возмущающих моментов, в 2, 4, б и т. д. раз превышающие
частоту вращения двигателя). При этом резонанс от восьмой гармоники
оказывается безопасным вследствие того, что амплитуда ее невелика и
демпфирование высокочастотных колебаний более интенсивно, чем
демпфирование низкочастотных. В отличие от этого, вторая гармоника имеет
значительную амплитуду, поэтому нежелательно, чтобы резонанс от нее
происходил на частоте вращения, превышающей 50% ном при жестком
соединении двигателя с винтом и 65% - при наличии демпфирующей муфты.
Для 4-й и 6-й гармоник эти цифры будут соответственно 60, 80 и 70, 90%.
При рациональной форме винторулевого комплекса (см. 21) возмущающие
моменты от винта, как правило, невелики и их можно не учитывать. Если
это не соблюдается, то нежелательно, чтобы 3-я и 6-я винтовые гармоники
(для трехлопастного винта) попадали в диапазон оборотов 0,8Яцом <С /г <С
nB0*t. Эти весьма ориентировочные рекомендации справедливы для
одноузловых колебаний. Для двух узловых колебаний весьма неудачным
оказывается вариант без применения демпфирующих муфт, так как
демпфирующее свойство винта для таких колебаний проявляется слабо. В
этом случае частота вращения двигателя при резонансе от 2, 4 и 6-й
гармоник не должна превышать соответственно 40, 50 70%. В случае
установки демпфирующих муфт максимальную частоту вращения при резонансе
можно повысить до 60, 75, 90% ном соответственно. Более точные данные
могут быть получены по рекомендациям работ [1, 19, 21, 32].
При установке гребного вала, диаметр которого выбран большим, чем
требуется для передачи крутящего момента двигателя, безопасные значения
частоты вращения можно увеличить. Однако в этом случае работа
валопровода в условиях крутильных колебаний при этом будет
сопровождаться усиленным износом шпоночных шлицевых или зубчатых
соединений н вызывать значительный нагрев упругих муфт, что может
привести к их разрушению. Заметим также, что резкое увеличение шума в
шлицевых и зубчатых соединениях на определенных частотах вращения может
служить косвенным признаком возникновения резонансных крутильных
колебаний.
Жесткость демпфирующей муфты в связи с нестабильностью свойств
резиновых элементов лучше определять экспериментально. Для этого одну
половину полумуфты закрепляют неподвижно, а ко второй половине
прикладывается крутящий момент, равный- сначала 0,7-0,8, а затем 1,2-1,3
от расчетного крутящего момента, передаваемого муфтой. Воспроизвести
необходимый крутящий момент проще всего, подвешивая грузы к длинному
рычагу 100 см, прикрепленному ко второй полумуфте. При этом
измеряется разность а, рад., углов поворота второй полумуфты между
положениями большей и меньшей нагрузок. Тогда жесткость муфты.
Исключить влияние резонансных колебаний для шестицилиндрового двигателя
значительно легче, чем для четырехцилиндрового, так как необходимо
учитывать только 3 и 6-ю гармоники. Особенно благоприятными с этой точки
зрения являются V-образные восьмицилиндровые двигатели, в спектре
возмущающих гармоник которых необходимо учитывать только 4-ю гармонику.
Следует еще раз подчеркнуть, что приведенные ограничения по частоте
вращения являются ориентировочными [1, 32].
Один из простых способов, повышающих надежность работы валопровода как
при крутильных колебаниях, так и при ударе винта о подводное
препятствие,- применение предохранительных срезных элементов (рис. 19,
20). Такие элементы выполняются с меньшим коэффициентом запаса
прочности, чем гребной вал (К < 1-,5-2), и при ударе срезаются,
предохраняя тем самым валопровод от поломок. Если в валопроводе
одновременно возникнут значительные знакопеременные напряжения, то
сначала разрушится предохранительный элемент, как бы сигнализируя о
грозящей валопроводу опасности. Такое разрушение, как правило,
происходит неожиданно, в обычных условиях эксплуатации. Если рассмотреть
получившееся место среза, оно оказывается состоящим из двух зон: более
светлой, имеющей продольные риски,- это собственно зона среза, и более
темной, имеющей характерную кристаллическую структуру,- это остаток
усталостной трещины. Если такие поломки происходят регулярно, через
несколько десятков часов эксплуатации, это говорит о больших
знакопеременных напряжениях, возникающих в конструкциях валопровода, а
следовательно, о малой его надежности.
Заметим, что усталостные разрушения валов, как правило, также
происходят без видимых причин, а поверхность излома обычно располагается
под углом 45° к оси вала и также состоит из двух зон, причем темная зона
начинается в районе шпоночного паза или других мест резкого изменения
размеров вала. Обычно срезной элемент вводят в конструкцию муфты,
соединяющей вал с редуктором; в угловых колонках с его помощью крепят
винт.
Диаметр шеек срезного элемента выбирают на 2-3 мм больше. Несмотря на то
что замена срезного элемента занимает не .более 2-Змии, катер в это
время теряет ход, что также может повлечь за собой новые осложнения. За
счет некоторого усложнения конструкции муфты можно сделать так, что
после срезания предохранительного элемента катер будет иметь возможность
продолжать движение малым ходом. Крутящий момент в этом случае
передается небольшой конической муфтой (см. рис. 19). При прямом
соединении гребного вала со сцеплением двигателя роль предохранительной
муфты в какой-то мере выполняет сцепление. В тех случаях, когда имеется
реверсредуктор, сцепление уже не может играть роль предохранительной
муфты в связи с большими динамическими воздействиями на гребной вал
шестерен реверсредуктора (имеющих большой момент инерции) в момент удара
о подводное препятствие.
В большинстве случаев гребной вал подсоединяется к рев ер с редуктор у
при помощи жесткой фланцевой муфты (см. рис. 19).
Правильность монтажа реверсредуктора относительно опорного подшипника
можно проверить, если вставить полумуфты одну в другую, не стягивая их
болтами, и измерить при помощи щупа максимальную разность зазоров между
.полумуфтами. Эта разность см, не должна превышать где D - диаметр
фланца муфты, см.
Следует иметь в виду, что в реальных условиях монтажа точность установки
опорного подшипника составляет 0,5-1 мм; кроме того, необходимо
учитывать прогиб корпуса катера на волнении, изгиб кронштейна гребного
винта на циркуляции и т. -д. В связи с этим значение Л не следует
выбирать меньше 1,0-2 мм.
Длина вала при фланцевом креплении не может быть меньше определенного
значения. По этой же причине такие муфты для промежуточных валов не
применяются. Однако не во всех случаях удается использовать фланцевые
муфты и для крепления гребного вала к редуктору. Для некоторых схем
валопровода угол наклона гребного вала -особенно в случае применения
соосных реверсредукторов) оказывается больше допустимого для двигателя.
Заметим, что угол наклона верхнеклапанных двигателей относительно КВЛ не
должен превышать 10- 12° (с учетом ходового дифферента 3-5°), Для
нижнеклапанных двигателей он должен быть еще меньше (не более 8-10°); в
этом случае возможны два конструктивных решения. Первое - применение
автономного упорного подшипника и установка между ним и двигателем
укороченного карданного вала, имеющего два шарнира, (напомним, что вилки
карданного вала должны располагаться параллельно одна другой). В случае
применения автономного упорного подшипника необходимо учитывать
требования по точности его установки. Так, радиально-упорные и упорные
подшипники допускают очень небольшие перекосы внутреннего и наружного
колец (угол перекоса не более 3-5'). Поскольку при монтаже, а тем более
в условиях реальной эксплуатации трудно обеспечить такую точность,
указанные типы подшипников применять не рекомендуется. Однорядные
шариковые подшипники нормально работают при действии осевой нагрузки и
допускают угол перекоса внутреннего кольца по отношению к наружному до
15'. В этом случае отклонение оси опорного подшипника относительно оси
упорного. 8-9°, можно ограничиться установкой шарнира (без
автономного упорного подшипника.).
На рис. 20 показано соединение гребной). с реверсредуктором прн
использовании одного карданного шарнира, передающего упор на
реверсредуктор. Следует иметь в виду, что дополнительное усилие от упора
винта, действующее на вилку кардана, даже в худшем случае не превышает
15-25% усилий, связанных с передачей крутящего момента. Однако по
возможности лучше установить карданный шарнир от двигателя большей
мощности, так как штатный шарнир рассчитан на длительную работу с
крутящим моментом, составляющим 50% максимального.
Как известно, работа карданного шарнира с перекосом приводит к появлению
переменной составляющей частоты вращения, которая дважды за один оборот
изменяет свой знак. Максимальная величина этой дополнительной скорости
увеличивается пропорционально квадрату угла перекоса валов. Наличие этой
скорости вызывает появление знакопеременных нагрузок в деталях реверса и
валопровода. При углах перекоса до 4° дополнительные напряжения, как
правило, невелики. При большем угле перекоса знакопеременные напряжения
резко увеличиваются. Это может привести к поломке деталей валопровода
из-за усталостных напряжений, особенно прн возникновении резонансных
крутильных колебаний гребного вала. Поэтому при угле перекоса одиночного
карданного шарнира больше 3-4° необходимо ставить упругие муфты и
подбирать схему валопровода, чтобы резонанс от 2-й гармоники происходил
на частоте. Демпфирование переменного крутящего момента в муфте (см.
рис. 20) осуществляется за счет секторов 14, вырезанных .из листовой
резины. К фланцам полумуфт 15, 24 приварено по три ребра толщиной 10-15
мм, Обе полумуфты стянуты через резиновые кольца 16 и стальные кольца 17
болтами 27 диаметр отверстий под болты во флэшах должен быть на 2-3 мм
больше для компенсации угловых перемещений полумуфт. Для предотвращения
выпадения секторов 14 служит кольцо 26, приваренное к одной из полумуфт.
При работе с карданным шарниром полумуфты все время проворачиваются
относительно друг друга па 20-30'. Чтобы исключить износ цилиндрического
сопряжения деталей 15 и 24, применяется втулка 18, вырезанная на
токарном станке из листовой резины. (В другом варианте вместо резиновой
втулки на деталь 24 насаживают капроновую втулку, но при этом
сопрягающаяся с ней поверхность отверстия детали 15 должна быть
термообработана с HRC^45.) Полумуфта 24 соединена с валом при помощи
латунного срезного болта. Так как болт срезается по проточке, обломки
его легко удаляются из полумуфт. Упор на переднем ходу передается от
вала на детали 23, 24, 14, 15, 28, а на заднем - на детали 18, 24, 16,
27, 15, 28.
Усилие затяжки гаек и болтов 27 - 0,5 кгс м; после затяжки необходимо
проверить параллельность фланцев полумуфт 15, 24 (допустимая не
параллельность - не более 0,1 мм), после чего гайки зашплинтовывают. В
случаях, когда размеры отдельных резиновых секторов 14 несколько
различаются, даже при тщательной регулировке не параллельности под
действием упора винта за счет неодинакового сжатия возникает перекос
муфты. Поэтому втулку 13 целесообразно изготовлять из стали
термообработаниой до HRC50 и предусматривать во втулке или на шейке
полумуфты 24 несколько канавок для смазки, а перед сборкой покрывать
поверхности слоем густой смазки. Наружный диаметр муфты d, см, можно
определить по формуле (при твердости резиновых элементов 50-60 по ТМ-2)
трубы длиной 4-5 см. За эту трубу кардан зажимают в токарном станке и
на малых оборотах протачивают канавку по сварочному шву, соединяющему
трубу с вилкой; диаметр канавки и а 2 мм меньше внутреннего диаметра
трубы. Затем ножовкой пропиливают продольный паз в трубе и отделяют ее
от вилки. Отверстие в полумуфте 15 растачивают по тугой посадке
относительно вилки (для ГАЗ-21 - 71,2 П); вилку 33 запрессовывают в
полумуфту до
упора. Перед приваркой целесообразно полностью собрать муфту с валом и
укрепить шарнир на фланце редуктора, а конец вала положить на призму.
Биеиие вала в районе муфты не должно превышать 0,2 мм. Причиной
повышенного биения может быть не только неравномерная деформация резины,
но и неправильная сборка самого кардана (разная глубина запрессовки
1фышек крестовин или перекос при запрессовке). Окончательную приварку
можно производить без разборки кардана, накладывая попеременно короткие
швы и охлаждая вилку так, чтобы температура ее в районе крестовин не
превышала 100-120°.
В качестве промежуточного вала чаще всего используются укороченные
карданные валы. Однако в связи с тем, что выполнить не только
динамическую, но и статическую балансировку такого вала не удается,
уровни вибраций на катере, особенно на большой частоте вращения
двигателя, будут "повышенными. В случае, когда ось двигателя параллельна
оси первичного вала реверсредуктора, можно применять упругие карданы.
Такой карданный вал имеет на концах упругие муфты типа изображенных на
рис. 20 или типа применяемых на двигателе ВАЗ. Можно использовать две
муфты с кольцами, вырезанными из прорезиненной транспортерной ленты
(рис. 21). При суммарной толщине ленты 12-18 мм диаметр окружности
болтов D, см, определяется по формуле D = (0,006 - 0,007) М. При
уменьшении числа болтов до двух диаметр увеличивают на 40%.
Промежуточный вал центрируется по сферическим поверхностям, образованным
в корпусе полумуфт, либо с помощью сферических шариковых подшипников или
шаровых шарниров (типа ШС). При штатном сцеплении в качестве первой
муфты промежуточного вала можно использовать зубчатую муфту, причем роль
внутренней полумуфты будет играть фланец зубьев синхронизатора
первичного вала коробки передач. Установка первичного вала показана на
рис. 22. Напомним также, что на выбор конструкции промежуточного вала
существенное влияние оказывают опасность возникновения резонансных
крутильных колебаний.
На рис. 20 показано эластичное крепление дейдвудного сальника,
позволяющее снять радиальные нагрузки на манжеты. Такое крепление
уменьшает передачу вибрации от гребного вала на корпус, облегчает
центровку валопровода и повышает надежность уплотнения. Корпус сальника
изготовлен из текстолита, и при смазке водой он очень износостоек. С
учетом набухания текстолита необходимо предусмотреть зазор между втулкой
вала и корпусом не менее 0,30 мм. В корпусе должно быть выполнено
несколько продольных грязеулавливающих канавок, предназначенных для
отвода смазывающей воды (см. рис. 20,а). Чтобы уменьшить износ
сопряжения, рекомендуется смазывать его отфильтрованной водой, подводя
ее из системы охлаждения двигателя по трубке 8.
Рис. 22. Крепление вала к двигателю со снятой
коробкой передач ГАЗ-21. 1-первичный вал коробки передач с подшипниками:
2-муфта с выжимным подшипником (штатная); 3-крышка подшипника первичного
вала; 4- передний сальник 0 32; 5-специальная крышка; 5-пресс масленка
I-AI; 7-сальник 0 45; 8-пружинное кольцо ВЭ-80; 9 - фланец, сталь 35
(приварить к валу U зубья синхронизатора срезать перед приваркой и
нагреть конец вала до 300°); 10 -вилка кардана; 11 - шпилька крепления
коробки передач.
В некоторых случаях у катеров, эксплуатируемых на быстрых реках (с
большим содержанием песчинок в воде), посадочное отверстие в корпусе
располагают после сальников и смазывают густой смазкой через колпачковую
масленку. Для удержания смазки на противоположном конце устанавливают
дополнительный сальник.
Резинометаллический подшипник, на который обычно опирается задний конец
вала, в большинстве случаев изготовляют методом вулканизации [22].
Однако не всегда удается осуществить качественную вулканизацию резины;
кроме того, разброс диаметров отверстий получается недопустимо большой.
Изготовить такой подшипник можно другим способом. В бронзовую втулку
подшипника на эпоксидном клее вставляют необходимое число колец из
листовой резины, наружный диаметр которых на 0,5-1,0 мм больше
внутреннего диаметра втулки, а внутренний - меньше диаметра вала. После
полимеризации клея внутренний размер отверстия растачивают до
необходимого (зазор между валом и резиновой втулкой должен быть 0,2 мм)
на внутришлифовальном станке. Расточку можно произвести и на обычном
токарном станке, если закрепить в суппорт высокооборотную сверлилку с
насаженным на оправку абразивным кругом диаметром 25-20 мм. После
расточки необходимо ножом прорезать четыре-шесть треугольных винтовых
канавок глубиной не менее 2 мм.
На гребной вал в районе дейдвудного сальника и резинометаллического
подшипника устанавливаются втулки из нержавеющей стали (3X13,
термообработанная до HRC 30 или хромированная). Срок работы таких втулок
значительно выше, чем бронзовых. Втулки укрепляют на эпоксидной смоле по
посадкам А3/С3. При необходимости замены на втулке отрезным кругом или
ножовкой прорезают продольный паз, после чего втулка легко отделяется.
