三環(huán)減速器震動(dòng)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(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士
專業(yè)名稱：機(jī)械學(xué)
第一章 前言
齒輪傳動(dòng)是最重要的傳動(dòng)形式。它在航空、航天、交通、機(jī)械和儀表制造等各個(gè)工業(yè)部門(mén)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(jī)械化、自動(dòng)化水平的不斷提高，對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性能也提出了越來(lái)越高的要求。在常見(jiàn)的齒輪傳動(dòng)裝置中，圓柱齒輪傳動(dòng)一般傳動(dòng)比小、體積大、結(jié)構(gòu)笨重；普通蝸桿傳動(dòng)在傳遞大功率時(shí)效率較低，而行星齒輪偉動(dòng)由于具有傳動(dòng)比大、自重輕和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，獲得 得日益廣泛的應(yīng)用。少齒差行星齒輪傳動(dòng)是行星齒輪傳動(dòng)中的一種，它由一個(gè)外齒輪與一個(gè)內(nèi)齒輪組成一對(duì)內(nèi)嚙合齒輪副，內(nèi)外齒輪的齒數(shù)差很小，所以簡(jiǎn)稱為少齒差傳動(dòng)。
少齒差傳動(dòng)有許多種類(lèi)型。最早出現(xiàn)的是以外擺線為齒廓曲線的傳動(dòng)方式，由于其中的一個(gè)齒輪采用針輪的形式，亦稱擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)。這種傳動(dòng)的原理是由德人首先提出來(lái)的，并于三十年代后期在日本開(kāi)始研制生產(chǎn)，由于當(dāng)時(shí)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(dòng)形式的發(fā)展。國(guó)內(nèi)從1958年開(kāi)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(lèi)機(jī)械設(shè)備中。近幾十年來(lái)，擺線少齒差行星齒輪傳動(dòng)已發(fā)展成為少齒差傳動(dòng)中應(yīng)用是最廣泛、最基本的一種類(lèi)型，還發(fā)展了二齒差傳動(dòng)、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(dòng)由于其主要傳動(dòng)零件皆采用軸承鋼并經(jīng)過(guò)磨削加工，傳動(dòng)時(shí)又是多齒嚙合，故其承載能力高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、效率高、壽命長(zhǎng)，但加工精度要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
漸開(kāi)線少齒差傳動(dòng)的原與擺線少齒差傳動(dòng)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(kāi)線，其輪齒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)漸開(kāi)線齒輪相互齒數(shù)差很少時(shí)，極易產(chǎn)生各種干涉，在設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇齒輪幾何參數(shù)的計(jì)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(shí)現(xiàn)一齒差傳動(dòng)的幾何計(jì)算問(wèn)題，但直到六十年代以后，隨著電子計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，漸開(kāi)線齒差傳動(dòng)才得到了較迅速的發(fā)展。目前有柱銷(xiāo)式、零齒差、十字滑塊、浮動(dòng)盤(pán)等我多種形式。國(guó)內(nèi)五十年代開(kāi)始在太原等地研制，六0年研制成第一臺(tái)二齒差漸開(kāi)線行星齒輪減速器，傳動(dòng)比為37.5，功率為16kw，用于橋式起重機(jī)的提升機(jī)構(gòu)中。
漸開(kāi)線少齒差傳動(dòng)的特點(diǎn)是齒輪用普通的漸開(kāi)線齒輪刀具和齒輪機(jī)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(dòng)效率不如擺線少齒傳動(dòng)高。
在少齒差傳動(dòng)中，采用圓弧作為齒廓曲線的探討在國(guó)內(nèi)從六十年代即開(kāi)始進(jìn)行，到七十年代中期以后，日本已開(kāi)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(dòng)的特點(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)度又簡(jiǎn)化了針齒結(jié)構(gòu)。此外，圓弧形輪齒加工無(wú)需專用機(jī)床，精度也易保證，而且裝修方便。這種傳動(dòng)目前在國(guó)內(nèi)也有研制。
近十幾年來(lái)，又相繼出現(xiàn)了一些新的少齒差傳動(dòng)形式，其中發(fā)展較快的有活齒少齒差傳動(dòng)、錐齒少齒差傳動(dòng)、雙曲柄輸入式少齒差傳動(dòng)以及利用彈性變形來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)的諧波傳動(dòng)。實(shí)踐表明：少齒差傳動(dòng)與適用工況相同的其它機(jī)械傳動(dòng)形式相比較，具有許多優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比范圍大、效率較高等。在不少場(chǎng)合，少齒差傳動(dòng)已開(kāi)始取代原來(lái)的圓柱齒輪傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)。目前，少齒差行星齒輪傳動(dòng)已廣泛應(yīng)用于國(guó)防、冶金、礦山、化工、輕工、建筑等部門(mén)，以長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，少齒差傳動(dòng)有著廣泛的發(fā)展前景。
隨著少齒差傳動(dòng)應(yīng)用的日益廣泛，國(guó)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(qiáng)度、動(dòng)態(tài)性能、傳動(dòng)效率，運(yùn)動(dòng)精度等方面進(jìn)行了大量的研究，取得了許多有價(jià)值的成果，并開(kāi)發(fā)成功不少新的少齒差傳動(dòng)形式。
眾所周知，漸開(kāi)線齒輪由于加工方便、成本低、在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用最廣泛。但目前國(guó)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(kāi)線少齒減速器的市場(chǎng)占有率很低，1990年全年生產(chǎn)量不到500臺(tái)，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(dòng)方式，即輸入軸與輸出軸在同一軸線上，行星輪通過(guò)行星軸承安裝在曲軸的偏心軸頸上，并通過(guò)輸出機(jī)構(gòu)與輸出軸相連。采用這種結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的漸開(kāi)線少齒差減速器的行星軸承受力大，壽命短；振動(dòng)、噪聲大、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性差；傳動(dòng)效率低；其中最主要的是行星軸承徑向載荷過(guò)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(kāi)線少齒差行星軸承壽命，一直是人們力求解決的問(wèn)題。
我國(guó)少齒差行星齒輪傳動(dòng)研究的歷史，可以追溯到五十年代。早在1956年我國(guó)著名的機(jī)械學(xué)家朱景梓教授就根據(jù)雙曲柄機(jī)構(gòu)的原理提出了一種新型少齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是當(dāng)輸出軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，行星輪不是作擺線運(yùn)動(dòng)（高速運(yùn)轉(zhuǎn)與低速自轉(zhuǎn)的合成），而是通過(guò)一個(gè)雙曲柄機(jī)構(gòu)導(dǎo)引作圓周運(yùn)動(dòng)。這種獨(dú)特的“雙曲柄輸入少齒差傳動(dòng)機(jī)構(gòu)”得到了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外同行的高度評(píng)從。1963年，朱景梓教授在太原工學(xué)院學(xué)報(bào)上發(fā)表了“齒漸開(kāi)線少齒差傳動(dòng)的原理和設(shè)計(jì)方法。他所從事的這些創(chuàng)造性工作，為少齒行星齒輪傳動(dòng)在我國(guó)的推廣應(yīng)用起了重要的指導(dǎo)作用。雙曲柄少齒差傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)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(shí)，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(dòng)不需要輸出機(jī)構(gòu)，還可實(shí)現(xiàn)平行軸傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)。但是，由于歷史的原因，雙曲柄輸入少齒差傳動(dòng)一直沒(méi)有得到應(yīng)用的發(fā)展，直到近十年來(lái)才逐漸為人們所重視。
目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于雙曲柄輸入少齒差傳動(dòng)的研究，重點(diǎn)在于如何克服雙曲柄機(jī)構(gòu)死點(diǎn)，最簡(jiǎn)單的辦法是利用一套齒輪機(jī)構(gòu)把動(dòng)力從輸入軸傳遞到另一根曲軸上，形成兩根曲軸同時(shí)驅(qū)動(dòng)，從而使機(jī)構(gòu)不存在死點(diǎn)。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(lèi)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(jì)院陳宗源高級(jí)工程師提出用三相并列雙曲柄機(jī)構(gòu)來(lái)克服死點(diǎn)，并于同年以“三環(huán)減速（或增速）傳動(dòng)裝置”申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利。
三環(huán)減速器是90年代獲國(guó)家優(yōu)秀專利的新型通用減速裝置，與其它類(lèi)型傳動(dòng)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(diǎn)，已開(kāi)始在各工作部門(mén)得到應(yīng)用，并已被列為國(guó)家和重慶市重點(diǎn)項(xiàng)目之一。由于該減速器問(wèn)世僅幾年，在設(shè)地、生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)它存在許多問(wèn)題，簡(jiǎn)述如下：
1、缺乏較全面的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究
目前，對(duì)三環(huán)減速器的結(jié)構(gòu)原理、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、材料、強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)性能和噪聲分析、制造工藝及應(yīng)用特點(diǎn)等方面未能開(kāi)展較全面的理論和實(shí)驗(yàn)分析研究，使設(shè)計(jì)工作缺乏依據(jù)，只能利用類(lèi)比設(shè)計(jì)或借助于十分粗略模型進(jìn)行受力計(jì)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(wèn)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(gè)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(huì)產(chǎn)生許多問(wèn)題。
3、存在較大的振動(dòng)、沖擊噪聲問(wèn)題
三環(huán)減速器在使用過(guò)程中存在著較為嚴(yán)重的振動(dòng)、沖擊和噪聲問(wèn)題，特別是在重載、中高速情況下，振動(dòng)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(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張光輝教授的帶領(lǐng)下，對(duì)三環(huán)減速器開(kāi)展了全面的研究，并已在結(jié)構(gòu)分析和實(shí)驗(yàn)研究上取得了一定的成果。本研究的目的就是針對(duì)三環(huán)減速器的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題而開(kāi)展理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，旨在找出：三環(huán)減速器存在較大振動(dòng)和噪聲問(wèn)題的根源所在；振動(dòng)與噪聲的分布規(guī)律，進(jìn)而提出一定的措施來(lái)控制三環(huán)減速器的振云貴屯噪聲；對(duì)三環(huán)減速器振動(dòng)與噪聲預(yù)估值進(jìn)行分析計(jì)算，使在設(shè)計(jì)藍(lán)圖階段就能預(yù)估齒輪傳動(dòng)裝置的振動(dòng)與噪聲水平成為現(xiàn)實(shí)，這樣就能避免盲目設(shè)計(jì)出振動(dòng)與噪聲超標(biāo)的產(chǎn)品，加速設(shè)計(jì)制造的進(jìn)度，并能提供主動(dòng)的振動(dòng)與噪聲控制的手段。
對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置的振動(dòng)與噪聲問(wèn)題的研究，一直是工程界中的一個(gè)重要的研究課題。國(guó)內(nèi)外許多高等院校和專家學(xué)者都對(duì)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(duì)理想齒輪來(lái)說(shuō)，齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲的原因就具嚙合點(diǎn)處力的脈動(dòng)作用，圍繞這個(gè)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(duì)齒輪傳動(dòng)裝置的振動(dòng)與噪聲預(yù)估的研究仍然很小。正是基于這個(gè)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(dòng)與噪聲原因的同時(shí)，也對(duì)其振動(dòng)與噪聲預(yù)估的問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)地、全面地理論分析和試驗(yàn)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(duì)其振動(dòng)機(jī)理和噪聲問(wèn)題進(jìn)行了理論上的分析和研究，見(jiàn)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(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性的有限元分析計(jì)算，見(jiàn)第三章。
3.對(duì)三環(huán)減速器振動(dòng)系統(tǒng)的激勵(lì)源進(jìn)行識(shí)別，找出三環(huán)減速器產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲的激勵(lì)源主要有哪些，見(jiàn)第四章。
4.對(duì)三環(huán)減速器振動(dòng)與噪聲預(yù)估值進(jìn)行分析計(jì)算，見(jiàn)第五章。
5.對(duì)三環(huán)減速器開(kāi)展了較全面的試驗(yàn)?zāi)B(tài)、振動(dòng)速度分布及規(guī)律、噪聲分布及規(guī)律、振動(dòng)機(jī)理試驗(yàn)，完善并充實(shí)了三環(huán)減速器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)第六章。
6.提出控制三環(huán)減速振動(dòng)與此同時(shí)噪聲水平的措施，見(jiàn)第七章。
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