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1、<p> 三環(huán)減速器的振動(dòng)控制和試驗(yàn)</p><p><b> 摘要 </b></p><p> 本文在理論和實(shí)驗(yàn)中對(duì)三環(huán)減速器進(jìn)行了研究。為了提高動(dòng)態(tài)特性和減少振動(dòng)和噪聲,在動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度分析的基礎(chǔ)上,優(yōu)化系統(tǒng)幾何參數(shù),通過優(yōu)化結(jié)果使減速器的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改進(jìn),然后設(shè)計(jì)和制造減速器的樣本。通過振動(dòng)測(cè)試,比較初始的和改進(jìn)的減速器,使結(jié)構(gòu)改進(jìn)的效
2、果得到驗(yàn)證。</p><p> 關(guān)鍵詞:三環(huán)減速器,動(dòng)態(tài)分析,振動(dòng)控制</p><p><b> 介紹</b></p><p> 三環(huán)減速器是一種新型齒輪傳動(dòng)裝置,它在過去十年中得到了很大發(fā)展。它采用了多個(gè)機(jī)構(gòu)的平行軸的概念。這種齒輪傳動(dòng)裝置有很多特點(diǎn),比如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊,效率高,并且能通過單軸或兩平行輸入軸來傳遞能量。作為內(nèi)嚙合的漸開線
3、齒輪,形成了多齒嚙合,所以齒輪傳動(dòng)的承載能力很高。和硬齒相比較,三環(huán)減速器的軟齒嚙合的花費(fèi)更低。三環(huán)減速器的標(biāo)準(zhǔn)被引入到冶金工業(yè)部門中,并且它在工業(yè)中被廣泛的使用,產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p> 三環(huán)減速器問世只有十年,直到現(xiàn)在三環(huán)減速器齒輪傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)仍采用模擬方法,還沒有一套完整的設(shè)計(jì)理論,特別是通過最基本的單軸輸入來傳遞能量,在傳遞過程中仍然存在嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲,在高速和加載的情況下這些問題尤
4、為突出,使得它在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用受到限制。所以在理論和實(shí)驗(yàn)中對(duì)齒輪傳動(dòng)的分析是必要的,目的是為了提高動(dòng)態(tài)特性和減少振動(dòng)和噪聲。</p><p><b> 三環(huán)減速器傳動(dòng)原理</b></p><p> 三環(huán)減速器是一種典型的內(nèi)嚙合少齒差行星齒輪傳動(dòng)裝置。基本結(jié)構(gòu)如圖一所示。輸出軸上的外齒輪與三個(gè)內(nèi)齒輪同時(shí)嚙合。齒輪嚙合的相位差為。傳動(dòng)原理為:當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),行星齒輪
5、同時(shí)運(yùn)動(dòng),它們不是作曲線擺動(dòng),而是通過雙曲柄機(jī)構(gòu)作平行圓周運(yùn)動(dòng),使力矩通過輸出軸輸出,并且使減速機(jī)的結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化,獲得大傳動(dòng)比和高效率。</p><p> 三環(huán)減速器動(dòng)態(tài)分析的目的是為了理解它的傳動(dòng)原理、動(dòng)態(tài)特性、軸承承載力和嚙合力的分配、動(dòng)態(tài)特性的幾何參數(shù)的影響等等。通過以上分析,我們能正確的設(shè)計(jì)三環(huán)減速器,提高動(dòng)態(tài)特性和減少振動(dòng)。當(dāng)減速器的轉(zhuǎn)速很低時(shí),各運(yùn)動(dòng)副的摩擦很小,作為一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng),各軸和齒輪的彈性變
6、形很小。所以為了簡(jiǎn)化分析過程,在我們建立動(dòng)態(tài)分析模型之前,給出一些假設(shè)。 </p><p> 1)所有運(yùn)動(dòng)副中的摩擦忽略不計(jì),行星 </p><p> 齒輪的相位差為; 圖一 三環(huán)減速器基本結(jié)構(gòu) </p>
7、<p> 2)各部分變形很小,只有齒輪的接觸變 1.輸出軸 2.輸入軸 3.行星齒</p><p> 形、齒環(huán)板和軸的整體變形被考慮,軸和齒輪 4.齒輪箱 5.行星軸承</p><p> 的彈性變形忽略不計(jì)。每個(gè)行星軸承的剛度一 6.箱體軸承 7.外齒輪</p><p> 樣,并且嚙合剛度也一樣。</p&
8、gt;<p> 3)偏心套軸承的受力點(diǎn)被認(rèn)為在軸承孔的中心線上。</p><p><b> 分析動(dòng)態(tài)特性</b></p><p> 三環(huán)減速器是一種典型的內(nèi)嚙合少齒差行星齒輪傳動(dòng)裝置,并且在三相上有雙輸入曲柄機(jī)構(gòu)作平行運(yùn)動(dòng)。由于相位差為,在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中每相的各部分加載條件是相同的。所以我們能只分析一塊齒環(huán)板,齒環(huán)板的受力分析如圖二所示。通過動(dòng)態(tài)和
9、靜態(tài)平衡的方法,基本動(dòng)態(tài)分析方 圖二 分析受力模型</p><p><b> 程被表示為</b></p><p><b> (1)</b></p><p> 式中:——輸入軸的轉(zhuǎn)角;</p><p> ——外齒輪的基圓半徑;</p><p> ——內(nèi)
10、齒輪的基圓半徑;</p><p><b> ——齒輪的嚙合角;</b></p><p><b> ——環(huán)板的重力;</b></p><p><b> ——環(huán)板的慣性力;</b></p><p> ——環(huán)板的質(zhì)量中心到軸的距離;</p><p>
11、 ——環(huán)板的質(zhì)量中心到軸的距離;</p><p> ——支承軸和輸入軸間的距離;</p><p> ——輸出軸和輸入軸間的距離;</p><p> ——內(nèi)齒環(huán)板上的平均嚙合力</p><p> 其它一些內(nèi)容如圖2所示。</p><p> 對(duì)于每塊環(huán)板,我們得出:</p><p> 其
12、中——外齒輪的齒數(shù);</p><p><b> ——內(nèi)齒輪的齒數(shù);</b></p><p><b> ——模數(shù);</b></p><p><b> ——輸入軸的轉(zhuǎn)速;</b></p><p><b> ——壓力角;</b></p>&
13、lt;p><b> ——偏心距;</b></p><p> ——輸入軸的角速度;</p><p><b> ——重力加速度;</b></p><p><b> ——齒環(huán)板的質(zhì)量</b></p><p> 通過輸出軸和支承軸的平衡條件,得出下面方程:</p&
14、gt;<p><b> ?。?)</b></p><p><b> 式中:——輸出扭矩</b></p><p> 在方程(1)和(2)中,有18個(gè)未知量,但是機(jī)構(gòu)的平衡方程數(shù)量只有個(gè),所以系統(tǒng)存在過約束,并且方程無法得到解,所以必須采用位移協(xié)調(diào)原理來解決。</p><p> 假設(shè)輸入軸在一定轉(zhuǎn)角下被固定
15、,在外力作用下,每塊環(huán)板移動(dòng)很小的距離,,很小的角度,支承軸和輸出軸相對(duì)于它們的理論位置轉(zhuǎn)過很小的角度,,我們認(rèn)為軸的受力點(diǎn)在中心線上,則</p><p><b> (3) </b></p><p><b> 我們得到:</b></p><p> ?。?)式中:——行星軸承的剛度;</p><p&
16、gt;<b> ——嚙合剛度</b></p><p> 根據(jù)位移協(xié)調(diào)原理,我們得到對(duì)應(yīng)的三環(huán)減速器動(dòng)態(tài)方程為:</p><p><b> ?。?)</b></p><p> 其中位移矢量和力矢量被定義為:</p><p> 系數(shù)矩陣是系統(tǒng)幾何參數(shù)和位置的函數(shù),通過解非線性方程,我們能夠分析動(dòng)
17、態(tài)特性。圖(3)至圖(5)是型號(hào)為SHQ40的三環(huán)減速器的計(jì)算結(jié)果。</p><p> 圖三 改變嚙合力 圖四 齒環(huán)板中心加速度</p><p><b> 它的參數(shù)為:</b></p><p> 在圖中實(shí)線代表水平方向的結(jié)果,虛線代表垂直方向的的結(jié)果。</p><p> ?。?/p>
18、a)輸入軸行星軸承 (b)支承軸行星軸承</p><p> 圖五 行星軸承所承受的負(fù)荷</p><p><b> 結(jié)構(gòu)改進(jìn)</b></p><p> 當(dāng)分析傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性時(shí),我們發(fā)現(xiàn)在一定程度上系統(tǒng)參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)特性有影響,所以這些參數(shù)能夠被優(yōu)化,以提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。從幾何參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響,可
19、看出幾何參數(shù)如對(duì)動(dòng)態(tài)特性有很大的影響。為了優(yōu)化幾何參數(shù),我們選擇作為設(shè)計(jì)參數(shù),來使所有軸承的最大動(dòng)態(tài)載荷在一個(gè)周期內(nèi)最低,同時(shí)減速器的性能、幾何邊界、強(qiáng)度和干擾的限制都因相同的加載、傳動(dòng)比和中心距而得到滿足。</p><p> 通過SHQ40三環(huán)減速器的最佳結(jié)果,并且考慮到減速器的實(shí)際結(jié)構(gòu)特征,以不過載為先決條件,改變SHQ40三環(huán)減速器的設(shè)計(jì)參數(shù)如下:</p><p> 1)在到間改
20、變,且實(shí)際中心距從6.392mm變成6.800mm;</p><p> 2)輸入軸、支承軸和偏心套的內(nèi)孔直徑從45mm變成50mm;</p><p> 3)在輸出軸箱體軸承的外面套上一個(gè)mm的彈性套筒,它的材料是聚四氟乙烯;</p><p> 4)根據(jù)各軸的不同尺寸,各行星軸承、偏心套和箱體軸承的軸孔都改變。</p><p> 通過上
21、述方法來設(shè)計(jì)和制造SHQ40三環(huán)減速器的樣本。</p><p><b> 實(shí)驗(yàn)研究</b></p><p> 為了驗(yàn)證上述提到的理論分析和設(shè)計(jì)改進(jìn)的效果,比較改進(jìn)和原先的減速器,在齒輪傳動(dòng)測(cè)試中進(jìn)行振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。減速器上分配的測(cè)試點(diǎn)如圖6所示。在實(shí)驗(yàn)中,使用了B&K振動(dòng)測(cè)試和放大系統(tǒng)、MR30磁帶記錄儀CF—355頻譜分析儀。圖7和圖8顯示了輸入軸和輸出軸在,
22、時(shí)箱體軸承的加速度分布。</p><p> 這些振動(dòng)信號(hào)顯示了頻譜范圍和結(jié)構(gòu)共振的周期性沖擊激勵(lì)。從圖7中我們得出改進(jìn)后減速器振動(dòng)的振幅明顯減少了,從圖八中可以得出改進(jìn)后減速器高頻振動(dòng)的影響減少了很多。軸承的振動(dòng)速度有效值和振動(dòng)加速度的振幅列在測(cè)試點(diǎn)的分布表1和表2中。從這些表中很清楚看到改進(jìn)后箱體 圖六</p><p> 軸承的最大振動(dòng)加速度減少了41
23、.9%,并且最大振動(dòng)速度有效植也減少了41.1%。</p><p> ?。╝)原先的減速器 (b)改進(jìn)后的減速器</p><p> 圖7 輸入軸的垂直角速度</p><p> ?。╝)原先的減速器 (b)改進(jìn)后的減速器</p><p> 圖8 輸入軸在垂直方向上的
24、頻率分析</p><p> 表1 箱體軸承的振動(dòng)加速度 </p><p> 表2 振動(dòng)速度的有效值 </p><p><b> 結(jié)論</b></p><p> 該論文利用了剛體力學(xué)的方法,通過位移協(xié)調(diào)原理來確定機(jī)構(gòu)中的各部分受力,然后利用結(jié)構(gòu)力學(xué)
25、的方法來建立和計(jì)算系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型。在動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度分析的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)幾何參數(shù)得到優(yōu)化,通過優(yōu)化減速器的結(jié)構(gòu),使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到發(fā)展,該文設(shè)計(jì)和制造了SHQ40三環(huán)減速器的樣本,通過比較原先的和改進(jìn)后的減速器,采用理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,得出系統(tǒng)參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)特性有一定影響。通過調(diào)整嚙合角和系統(tǒng)剛度,減速器的振動(dòng)和噪聲明顯減小了。</p><p> 該論文中提到的方法對(duì)各類型的少齒差平行軸減速器的設(shè)計(jì)和分析很有用,例
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