三環(huán)減速器震動與噪聲分析研究
作者姓名：劉海江
指導(dǎo)教師姓名職務(wù)職稱學(xué)位及單位地址：張光輝教授
重慶大學(xué)機械傳動國家重點實驗室
副導(dǎo)師姓名職務(wù)職稱學(xué)論學(xué)位及地址：黃文振 副教授
重慶大學(xué)機械傳動國家重點實驗室
申請學(xué)位級別：博士
專業(yè)名稱：機械學(xué)
第一章 前言
齒輪傳動是最重要的傳動形式。它在航空、航天、交通、機械和儀表制造等各個工業(yè)部門都獲得了最廣泛的應(yīng)用。隨著近代工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展和機械化、自動化水平的不斷提高，對齒輪傳動裝置的技術(shù)及經(jīng)濟性能也提出了越來越高的要求。在常見的齒輪傳動裝置中，圓柱齒輪傳動一般傳動比小、體積大、結(jié)構(gòu)笨重；普通蝸桿傳動在傳遞大功率時效率較低，而行星齒輪偉動由于具有傳動比大、自重輕和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，獲得 得日益廣泛的應(yīng)用。少齒差行星齒輪傳動是行星齒輪傳動中的一種，它由一個外齒輪與一個內(nèi)齒輪組成一對內(nèi)嚙合齒輪副，內(nèi)外齒輪的齒數(shù)差很小，所以簡稱為少齒差傳動。
少齒差傳動有許多種類型。最早出現(xiàn)的是以外擺線為齒廓曲線的傳動方式，由于其中的一個齒輪采用針輪的形式，亦稱擺線針輪行星齒輪傳動。這種傳動的原理是由德人首先提出來的，并于三十年代后期在日本開始研制生產(chǎn)，由于當(dāng)時工藝條件落后，齒形加工精度很低，因而產(chǎn)量不高，直到六十年代擺線磨床的出現(xiàn)，從工藝上保證了擺線齒形的精度，才促進(jìn)了這種傳動形式的發(fā)展。國內(nèi)從1958年開始研制擺線針輪減速器，六十年代投入工業(yè)化生產(chǎn)，目前已形成系列，制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，并廣泛應(yīng)用于各類機械設(shè)備中。近幾十年來，擺線少齒差行星齒輪傳動已發(fā)展成為少齒差傳動中應(yīng)用是最廣泛、最基本的一種類型，還發(fā)展了二齒差傳動、復(fù)合齒形、行星軸承與偏心套合并等新結(jié)構(gòu)。擺線針輪行星齒輪傳動由于其主要傳動零件皆采用軸承鋼并經(jīng)過磨削加工，傳動時又是多齒嚙合，故其承載能力高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、效率高、壽命長，但加工精度要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
漸開線少齒差傳動的原與擺線少齒差傳動的原理基本相同，其區(qū)別在于內(nèi)、外齒輪的齒廓曲線采用漸開線，其輪齒結(jié)構(gòu)簡單，嚙合接觸應(yīng)力小，承載能力高，可以采用軟齒面、加工也容易得多。但是由于當(dāng)內(nèi)嚙合的一對漸開線齒輪相互齒數(shù)差很少時，極易產(chǎn)生各種干涉，在設(shè)計過程中選擇齒輪幾何參數(shù)的計算十分復(fù)雜。早在1949年蘇聯(lián)學(xué)者就從理論上解決了實現(xiàn)一齒差傳動的幾何計算問題，但直到六十年代以后，隨著電子計算機的普及應(yīng)用，漸開線齒差傳動才得到了較迅速的發(fā)展。目前有柱銷式、零齒差、十字滑塊、浮動盤等我多種形式。國內(nèi)五十年代開始在太原等地研制，六0年研制成第一臺二齒差漸開線行星齒輪減速器，傳動比為37.5，功率為16kw，用于橋式起重機的提升機構(gòu)中。
漸開線少齒差傳動的特點是齒輪用普通的漸開線齒輪刀具和齒輪機床就可以進(jìn)行加工，不需要特殊的刀具與設(shè)備，材料也可以采用普通齒輪材料，因此加工方便，制造成本低，但其傳動效率不如擺線少齒傳動高。
在少齒差傳動中，采用圓弧作為齒廓曲線的探討在國內(nèi)從六十年代即開始進(jìn)行，到七十年代中期以后，日本已開始進(jìn)行圓弧少齒差行星齒輪減速器的系列化生產(chǎn)。這種傳動的特點在于行星輪的齒廓曲線采用凹圓弧代替了擺線，輪齒與針輪在嚙合點的曲線方向相同，形成兩段凹凸圓弧的嚙合，從而提高了輪齒的接觸剛度和嚙合效率，其針齒不帶齒套并采用半埋齒結(jié)構(gòu)，既提高了彎曲強度又簡化了針齒結(jié)構(gòu)。此外，圓弧形輪齒加工無需專用機床，精度也易保證，而且裝修方便。這種傳動目前在國內(nèi)也有研制。
近十幾年來，又相繼出現(xiàn)了一些新的少齒差傳動形式，其中發(fā)展較快的有活齒少齒差傳動、錐齒少齒差傳動、雙曲柄輸入式少齒差傳動以及利用彈性變形來傳遞運動的諧波傳動。實踐表明：少齒差傳動與適用工況相同的其它機械傳動形式相比較，具有許多優(yōu)點：體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比范圍大、效率較高等。在不少場合，少齒差傳動已開始取代原來的圓柱齒輪傳動和蝸桿傳動。目前，少齒差行星齒輪傳動已廣泛應(yīng)用于國防、冶金、礦山、化工、輕工、建筑等部門，以長遠(yuǎn)來看，少齒差傳動有著廣泛的發(fā)展前景。
隨著少齒差傳動應(yīng)用的日益廣泛，國內(nèi)外學(xué)者在齒形分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、接觸分析、結(jié)構(gòu)強度、動態(tài)性能、傳動效率，運動精度等方面進(jìn)行了大量的研究，取得了許多有價值的成果，并開發(fā)成功不少新的少齒差傳動形式。
眾所周知，漸開線齒輪由于加工方便、成本低、在實際生產(chǎn)應(yīng)用最廣泛。但目前國內(nèi)生產(chǎn)的少齒差減速器中，90%以上是擺線針輪減速器，漸開線少齒減速器的市場占有率很低，1990年全年生產(chǎn)量不到500臺，而且都是小功率的，而同年擺線針輪減速器，絕大多數(shù)都采用同軸傳動方式，即輸入軸與輸出軸在同一軸線上，行星輪通過行星軸承安裝在曲軸的偏心軸頸上，并通過輸出機構(gòu)與輸出軸相連。采用這種結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計的漸開線少齒差減速器的行星軸承受力大，壽命短；振動、噪聲大、運動平穩(wěn)性差；傳動效率低；其中最主要的是行星軸承徑向載荷過大，造成軸承壽命短，使得行星軸承成為減速器的薄弱環(huán)節(jié)。因此，如何減小行星軸承的徑向載荷以提高漸開線少齒差行星軸承壽命，一直是人們力求解決的問題。
我國少齒差行星齒輪傳動研究的歷史，可以追溯到五十年代。早在1956年我國著名的機械學(xué)家朱景梓教授就根據(jù)雙曲柄機構(gòu)的原理提出了一種新型少齒傳動機構(gòu)，其特點是當(dāng)輸出軸旋轉(zhuǎn)時，行星輪不是作擺線運動（高速運轉(zhuǎn)與低速自轉(zhuǎn)的合成），而是通過一個雙曲柄機構(gòu)導(dǎo)引作圓周運動。這種獨特的“雙曲柄輸入少齒差傳動機構(gòu)”得到了當(dāng)時國內(nèi)外同行的高度評從。1963年，朱景梓教授在太原工學(xué)院學(xué)報上發(fā)表了“齒漸開線少齒差傳動的原理和設(shè)計方法。他所從事的這些創(chuàng)造性工作，為少齒行星齒輪傳動在我國的推廣應(yīng)用起了重要的指導(dǎo)作用。雙曲柄少齒差傳動的優(yōu)點是能使行星軸承的載荷下降，而且當(dāng)內(nèi)齒板作為行星輪時，行星軸承的徑向尺寸可不受限制，從而提高了行星軸承的壽命。另外，這種傳動不需要輸出機構(gòu)，還可實現(xiàn)平行軸傳動，結(jié)構(gòu)簡單，適用性強。但是，由于歷史的原因，雙曲柄輸入少齒差傳動一直沒有得到應(yīng)用的發(fā)展，直到近十年來才逐漸為人們所重視。
目前，國內(nèi)外關(guān)于雙曲柄輸入少齒差傳動的研究，重點在于如何克服雙曲柄機構(gòu)死點，最簡單的辦法是利用一套齒輪機構(gòu)把動力從輸入軸傳遞到另一根曲軸上，形成兩根曲軸同時驅(qū)動，從而使機構(gòu)不存在死點。太原工學(xué)院、煤碳部研究總院及重慶鋼鐵公司等單位根據(jù)這種原理成功地研制出了不同類型的雙曲柄輸入少齒差減速器。1985年，冶金工業(yè)部重慶鋼鐵設(shè)計院陳宗源高級工程師提出用三相并列雙曲柄機構(gòu)來克服死點，并于同年以“三環(huán)減速（或增速）傳動裝置”申請了國家發(fā)明專利。
三環(huán)減速器是90年代獲國家優(yōu)秀專利的新型通用減速裝置，與其它類型傳動裝置相比較，它具有體積小、重量輕、承載能力大、生產(chǎn)成本低等一系列優(yōu)點，已開始在各工作部門得到應(yīng)用，并已被列為國家和重慶市重點項目之一。由于該減速器問世僅幾年，在設(shè)地、生產(chǎn)和應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)它存在許多問題，簡述如下：
1、缺乏較全面的理論分析和實驗研究
目前，對三環(huán)減速器的結(jié)構(gòu)原理、運動學(xué)分析、動力學(xué)分析、材料、強度、動態(tài)性能和噪聲分析、制造工藝及應(yīng)用特點等方面未能開展較全面的理論和實驗分析研究，使設(shè)計工作缺乏依據(jù)，只能利用類比設(shè)計或借助于十分粗略模型進(jìn)行受力計算，減速器產(chǎn)品的性能不穩(wěn)定，大大阻礙了該產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，解決這些問題迫在眉捷，刻不容緩。
2、加工、安裝、調(diào)整要求較高
從三環(huán)減速器原理上分析可知，一根曲軸上要安裝三個帶內(nèi)齒的環(huán)板，不得不制成偏心套結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且三相環(huán)板需互成120°角，加工分度精度要求高，需有專業(yè)技術(shù)人員安裝、調(diào)整，否則將會產(chǎn)生許多問題。
3、存在較大的振動、沖擊噪聲問題
三環(huán)減速器在使用過程中存在著較為嚴(yán)重的振動、沖擊和噪聲問題，特別是在重載、中高速情況下，振動更為突出，已成為該產(chǎn)品能否大規(guī)模生產(chǎn)及推廣應(yīng)用的嚴(yán)重障礙。
因此，在重慶大學(xué)機械傳動國家重點實驗室張光輝教授的帶領(lǐng)下，對三環(huán)減速器開展了全面的研究，并已在結(jié)構(gòu)分析和實驗研究上取得了一定的成果。本研究的目的就是針對三環(huán)減速器的振動和噪聲問題而開展理論分析和實驗研究，旨在找出：三環(huán)減速器存在較大振動和噪聲問題的根源所在；振動與噪聲的分布規(guī)律，進(jìn)而提出一定的措施來控制三環(huán)減速器的振云貴屯噪聲；對三環(huán)減速器振動與噪聲預(yù)估值進(jìn)行分析計算，使在設(shè)計藍(lán)圖階段就能預(yù)估齒輪傳動裝置的振動與噪聲水平成為現(xiàn)實，這樣就能避免盲目設(shè)計出振動與噪聲超標(biāo)的產(chǎn)品，加速設(shè)計制造的進(jìn)度，并能提供主動的振動與噪聲控制的手段。
對齒輪傳動裝置的振動與噪聲問題的研究，一直是工程界中的一個重要的研究課題。國內(nèi)外許多高等院校和專家學(xué)者都對此作出一大量的研究工作，并取得了一些公認(rèn)的定性的結(jié)論，認(rèn)為對理想齒輪來說，齒輪傳動產(chǎn)生振動與噪聲的原因就具嚙合點處力的脈動作用，圍繞這個結(jié)論，許多專家學(xué)者提出了各種修形改正措施并取得了一定的成果。 但對齒輪傳動裝置的振動與噪聲預(yù)估的研究仍然很小。正是基于這個原因，我們以三環(huán)減速器這種新型通用減速器這種新型通用減速器為主，在研究其產(chǎn)生振動與噪聲原因的同時，也對其振動與噪聲預(yù)估的問題進(jìn)行了系統(tǒng)地、全面地理論分析和試驗研究。
本研究的主要內(nèi)容有：
1.詳細(xì)分析了三環(huán)減速器的結(jié)構(gòu)及工作原理，并對其振動機理和噪聲問題進(jìn)行了理論上的分析和研究，見第二章。
2.建立了三環(huán)減速器的數(shù)學(xué)模型和理論模型，并在SUN工作站上使用I—DEAS軟件對其進(jìn)行動態(tài)特性的有限元分析計算，見第三章。
3.對三環(huán)減速器振動系統(tǒng)的激勵源進(jìn)行識別，找出三環(huán)減速器產(chǎn)生振動與噪聲的激勵源主要有哪些，見第四章。
4.對三環(huán)減速器振動與噪聲預(yù)估值進(jìn)行分析計算，見第五章。
5.對三環(huán)減速器開展了較全面的試驗?zāi)B(tài)、振動速度分布及規(guī)律、噪聲分布及規(guī)律、振動機理試驗，完善并充實了三環(huán)減速器的試驗數(shù)據(jù)，見第六章。
6.提出控制三環(huán)減速振動與此同時噪聲水平的措施，見第七章。
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