船只推进中间驱动轴 【技术领域】
本发明涉及一种用于船只推进系统的中间驱动轴，特别涉及一种包括一个大容量双冲程的内燃机的船只推进系统，该内燃机通过一个中间轴与推进轴相连。
本发明的中间轴设计目的是提高对轴应力的控制，该应力由发动机产生的激振所引起的中间轴的扭振共振而引起的。主要的激振来自燃烧压力以及旋转和往复的物的内力的力矩。这些力是发动机的特性。这些力增大的趋势指代压力，表明为了降低特定燃料的消耗降低最大的连续负荷指数。这些趋势都导致激振力矩的增加和单节点扭转共振速度的增加。这些问题适用于固定节距的螺旋桨和可控制节距的螺旋桨。
另一个趋势是将发动机定位到接近船尾处，这样可以缩短中间轴的长度。假定所有的其它参数相等，这种定位方式会导致共振速度的进一步增加和整个系统阻尼的进一步降低。
背景技术
已知多种措施可以控制扭转共振问题，例如：调整轮，机械减振器(扭力振动减振器(T/V减振器))，发动机控制临界电动机速度的干扰(气缸的减压)，禁用转速范围和向前移动发动机来增加中间轴地长度。这些措施有它们的缺点：或者价格昂贵，不方便，和/或发动机设备变的越来越庞大并且越来越笨重。这里描述了与扭振相关的基本概念，例如在使用说明“双冲程低速柴油发动机的振动特性”第2版，1988，作者：
L.Bryndum，S.B.Jacobsen，这篇文章可以从网址www.manbw.com上找到。
【发明内容】
在此背景下，本发明的一个目的是提供一种中间轴，它克服了，或至少减轻了上面所提到的问题。这个目的通过以下来实现，这一点与权利要求1中描述的一致：提供了一种中间轴，此中间轴将大容量双冲程内燃机连接到负载上，特别是提供了一种推进轴，所述中间轴沿纵向轴线从一个连接发动机的最近端延伸到连接负载的末端位置处，从而中间轴位于所述最近端和所述末端之间长度的至少一部分是由两个或更多个构件关于中间轴的纵向轴线径向对称分布而形成的，并且完全平行延伸。
具有两个或更多个构件的部分有低的抗力矩性，因此使中间轴有一个整体增加的扭转挠性。由于系统的扭转挠性较低，所以系统的整体阻尼增加，并且发动机发生共振的速度降低。这两个方面对控制由扭振共振所引起的轴应力有益。
为了增加轴的长度，在不向前移动发动机的情况下，可以实施根据本发明的带有扭转挠性中间轴的一些其它方式的非挠性设计。在其它的情况中，可以避免使用昂贵的T/V减振器，和/或将禁用转速范围定位在更方便的发动机转速范围内，或避免所有的这些情况。因为这些情况彼此关联很大所以将这些效果组合起来也是可能的。
传统的中间轴由实心钢棒料制成，尺寸定制为能够承载在发动机运转过程中施加于其上的静力矩和动力矩。减小轴的直径和换用高等级的钢材来增加扭转挠性同时仍保持所需的强度并不是一个合理的解决办法，因为(船只分级：对船体和它的附属部分的所有重要部分的强度，推进和驾驶系统的安全性和可靠性的规定，为建立和保持甲板上的基本情况，在船体内设立其它部件和辅助系统，因此为了确保船只的安全，以上这些规定都必须执行)对强制允许的最大许应力进行了限制。
中间轴也面临着同由螺旋桨带来的可观数量的推力问题，并且，减小实心中间轴的直径会带来旋转问题。
构件有一个弓形截面，优选的是，弓形截面的半径与构件到中间轴的纵向轴线的距离完全相等。这使得轴可由管料通过机加工开口而制成。封闭的管状几何形状通过机加工而开口，这样中间轴的扭转挠性大大提高。优选的是，构件的弓形截面沿着它们所位于的假想的圆周切线方向上延伸，所以只是相关的狭逢将这些构件彼此分开，这样轴就可由管料通过分别机加工出相关狭逢而制成。
中间轴的直径可以在狭逢的末端增大，这是为了降低此处的应力水平。通过增大轴材料局部的半径厚度还可以进一步降低末端的应力水平。为了进一步降低应力水平可以增大狭逢末端的圆周直径。
中间轴可以具有沿着它的长度轴线可以有两个或更多个构件形成的两部分或更多部分，由两个或更多个构件形成的部分中的两个或更多个构件有一个管状或圆柱部分。管状或圆柱部分可以与一个支撑轴承配合。这样，为了增加中间轴的防旋转能力可以沿着中间轴的长度方向上设置另外的轴承。
中间轴的最近端或末端最好是管状或圆柱状，并且相对于由两个或更多构件形成轴的部分具有一个增大的直径。
本发明的中间轴的其它的目的，特征，优点和特性将在下面的详细描述中得以说明。
【附图说明】
下面参照例子和附图对本发明进行详细描述：
图1是现有技术的带有传统中间轴的船只驱动系统的一个视图；
图2是带有本发明的中间轴的船只驱动系统的一个视图；
图3是本发明的一个优选实施例的中间轴的立体图；
图4是图3中所示的中间轴的沿着长度方向的剖面图；
图5是图3所示的中间轴的横截面图；
图6是带有一个传统中间轴和一个T/V减振器的船只驱动系统的扭转应力随发动机转速的变化示意图；
图7是带有一个本发明的中间轴的船只驱动系统的扭转应力随发动机转速的变化示意图；
图8是带有一个本发明的中间轴的船只驱动系统的扭转应力随发动机转速的变化示意图，其中狭缝中填充有硫化橡胶；
图9带有一个传统中间轴和一个调整轮的船只驱动系统的扭转应力随发动机转速的变化示意图；以及
图10是带有一个本发明的中间轴的船只驱动系统的扭转应力随发动机转速的变化示意图。
【具体实施方式】
图1显示了现有技术的带有一个货舱2和一个发动机室3的船只的船体1。一个十字头型5缸双冲程发动机4刚好位于壁的后面，将发动机室3和货舱2分开。
一个固体的和相对长的中间轴5连接发动机4的输出轴和驱动螺旋桨7的推进轴6。中间轴由于长度很长所以有高的扭转挠性。在船只驱动系统的这种设计中，由于扭转共振引起的中间轴的过应力水平的情况很少出现。
图2显示了根据本发明一个实施例的带有一个货舱2和一个发动机室3的船只的船体1。发动机室3比图1中所示实施例的发动机室要短，这样，即使其它的参数相同也可以有一个较大的货舱2。
一个大的十字头型的5缸双冲程发动机4刚好位于壁的后面将发动机室3和货舱2分开。根据本发明的优选实施例的短中间轴5将发动机4的输出轴和驱动螺旋桨7的推进轴6连接起来。气缸的数目少会引起发动机的输出有高的扭力激振，这一点由中间轴5的高扭转挠性来补偿。
参照图3到图5，这些图中详细地画出了中间轴5。中空的中间轴从将要连接到发动机4上的最近端10延伸到将要连接到推进轴6上的末端11。根据本发明的中间轴5包括两个相同的轴段12。这两个轴段12连接于中间轴的中部。每一轴段12包括两个具有扩大外径的末端部分13，一个具有减小外径的中间部分14和两个位于末端部分和位于末端部分13和中间部分14的锥形部分15。锥形部分15的一端与末端部分的外径部分相配合，另一端与中间部分的外径相配合。优选的是，中间轴5由一个单根管状材料机加工而成。末端部分13的最近端10和末端11适于连接到发动机4或推进轴6上。中间轴5的中部的末端部分13适于与一个支撑轴承(未画出)配合来防止中间轴5旋转。
每一个轴段12上机加工有4条纵向延伸的狭缝9。狭缝9从一个轴段12的末端部分13延伸，经过锥形部分15和中间部分14，一起延伸到这个轴段12的相对的末端部分13，末端部分13由此由四个径向对称的带有弓形截面的构件16与另一个末端13相连。
狭缝9将封闭管几何形状分开从而增加了扭转挠性，这样就增加了中间轴5的应力比率挠性。
如果中间轴的结构是由直管料带有狭逢，在扭转载荷下中间轴5的变形将导致狭缝末端的高应力水平。为降低应力水平可以采取三种措施：首先，增大中间轴5的狭逢9的末端，即，末端部分13的直径来降低狭缝9末端的应力；第二，增加狭逢9的末端，即，末端部分13的材料厚度；第三，如图4中所示，最好的是，狭逢9的末端有一个扩大的不均匀的半径17，它进一步降低轴材料的应力水平。半径17设计成不均匀的是考虑了由静扭矩和动扭矩产生的应力。
在相等的最大应力水平下，根据本发明实施例的中间轴5的扭转挠性是实心的杆型传统中间轴扭转挠性的2到3倍。
根据本发明的另一个实施例，中间轴的内径在整个轴长度上相等(未画出)，这样方便机加工并且降低生产成本。
根据本发明的另一个实施例(未画出)，狭逢中填充有硫化橡胶以增加轴的阻尼扭力振动。
图6到图9画出了使用本发明的中间轴的不同发动机设备的设计例子。
每一个发动机设备的设计工作是传统的工作，它受大量的相关因素影响：
--禁用转速范围是否允许？
--昂贵的T/V减振器的造价是否允许？
--重量和尺寸的要求，等等。
图6到图10是由计算机模拟计算的中间轴的最大扭转应力水平随发动机设备的转速变化示意图。图中示出了最大连续功率(MCR)和由船级社“Det Norske Veritas”定义的两速受控应力极限，第一极限25是一种只允许在短时间内超出的极限，即，通过禁用转速范围。第二极限26是一种不允许超出的极限。
在第一个例子中，发动机设备有一个5缸发动机，这个5缸发动机有一个600mm的孔和一个2292mm的冲程，105RPM下的MCR是10200KW。上述的发动机装有一个T/V减振器，并且通过一个传统的中间轴(即中间轴是一个实心轴杆)连接到一个10200KW的螺旋桨上。
如图6所示，在第一个例子中，发动机转速在50到61RPM之间时，中间轴的扭转应力超出第一应力极限25。尽管有(昂贵的)T/V减振器，如果禁止出现速度范围50到61RPM，发动机设备的这种设计只得到船级社的支持。
第二个例子涉及到同样的发动机和螺旋桨，但传统的中间轴由本发明的中间轴代替，并且拆下了减振器。
如图7所示，在第二个例子中，发动机转速在34到42RPM之间时，中间轴的扭转应力超出第一应力极限25。如果禁止出现转度范围34到42RPM，发动机设备的这种设计只得到船级社的支持。但禁止出现低RPM水平的设计更具有吸引力。因此，通过使用本发明的中间轴代替昂贵的T/V减振器，就可以得到更具吸引力和造价较低的发动机设备。
第三个例子涉及到同样的发动机和螺旋桨，但根据本发明的中间轴的狭逢中填充有硫化橡胶。扭转振动的一部分能量通过橡胶变形而丧失。如图8所示，在第三个例子中，中间轴的扭转应力没有超出第一应力极限25。这种发动机设备的设计得到无禁用转速的船级社的支持。
在第四个例子中，发动机设备有一个5缸发动机，这个5缸发动机有一个700mm的孔和一个2674mm的冲程，91RPM下的MCR是14050KW。上述的发动机装有一个调整轮，并且通过一个传统的中间轴(即中间轴是一个实心轴杆)连接到一个14050KW的螺旋桨上。
如图9所示，在第四个例子中，发动机转速在38.5到46.6RPM之间时，中间轴的扭转应力超出第一应力极限25。尽管有(重的)调整轮，如果禁止出现速度范围38.5到46.6RPM，发动机设备的这种设计只得到船级社的支持。
第五个例子涉及到和第四个例子相同的发动机和螺旋桨，但由根据本发明的中间轴代替传统的中间轴，并且拆除了调整轮。
如图10所示，中间轴的扭转应力没有超出第一应力极限25。这种发动机设备的设计得到无禁用转速范围的船级社的支持。因此，通过使用本发明的中间轴代替笨重的调整轮，就可以得到更具吸引力和较轻的发动机设备。
虽然为了进行图示说明，上面对本发明进行了详细的描述，但这些描述只是为了对本发明进行解释，由本领域的技术人员可以在不超出本发明保护范围内对本发明进行的各种修改。
例如，中间轴的扭转挠性部分不一定必须由管材料上开的狭逢而形成，此部分可由例如钢材料上平行延伸的端部彼此相连的两条或多条狭逢而形成。
因此，以上对设备和方法的优选实施例结合它们研制的环境进行了描述，但这些只是对本发明的一个原理的描述，在不偏离本发明的保护范围内可设计出其它的实施方式和外形。