三环减速器震动与噪声分析研究
作者姓名：刘海江
指导教师姓名职务职称学位及单位地址：张光辉教授
重庆大学机械传动国家重点实验室
副导师姓名职务职称学论学位及地址：黄文振 副教授
重庆大学机械传动国家重点实验室
申请学位级别：博士
专业名称：机械学
第一章 前言
齿轮传动是最重要的传动形式。它在航空、航天、交通、机械和仪表制造等各个工业部门都获得了最广泛的应用。随着近代工业技术的高速发展和机械化、自动化水平的不断提高，对齿轮传动装置的技术及经济性能也提出了越来越高的要求。在常见的齿轮传动装置中，圆柱齿轮传动一般传动比小、体积大、结构笨重；普通蜗杆传动在传递大功率时效率较低，而行星齿轮伟动由于具有传动比大、自重轻和结构紧凑等优点，获得 得日益广泛的应用。少齿差行星齿轮传动是行星齿轮传动中的一种，它由一个外齿轮与一个内齿轮组成一对内啮合齿轮副，内外齿轮的齿数差很小，所以简称为少齿差传动。
少齿差传动有许多种类型。最早出现的是以外摆线为齿廓曲线的传动方式，由于其中的一个齿轮采用针轮的形式，亦称摆线针轮行星齿轮传动。这种传动的原理是由德人首先提出来的，并于三十年代后期在日本开始研制生产，由于当时工艺条件落后，齿形加工精度很低，因而产量不高，直到六十年代摆线磨床的出现，从工艺上保证了摆线齿形的精度，才促进了这种传动形式的发展。国内从1958年开始研制摆线针轮减速器，六十年代投入工业化生产，目前已形成系列，制定了相应的标准，并广泛应用于各类机械设备中。近几十年来，摆线少齿差行星齿轮传动已发展成为少齿差传动中应用是最广泛、最基本的一种类型，还发展了二齿差传动、复合齿形、行星轴承与偏心套合并等新结构。摆线针轮行星齿轮传动由于其主要传动零件皆采用轴承钢并经过磨削加工，传动时又是多齿啮合，故其承载能力高、运转平稳、效率高、寿命长，但加工精度要求高、结构复杂。
渐开线少齿差传动的原与摆线少齿差传动的原理基本相同，其区别在于内、外齿轮的齿廓曲线采用渐开线，其轮齿结构简单，啮合接触应力小，承载能力高，可以采用软齿面、加工也容易得多。但是由于当内啮合的一对渐开线齿轮相互齿数差很少时，极易产生各种干涉，在设计过程中选择齿轮几何参数的计算十分复杂。早在1949年苏联学者就从理论上解决了实现一齿差传动的几何计算问题，但直到六十年代以后，随着电子计算机的普及应用，渐开线齿差传动才得到了较迅速的发展。目前有柱销式、零齿差、十字滑块、浮动盘等我多种形式。国内五十年代开始在太原等地研制，六0年研制成第一台二齿差渐开线行星齿轮减速器，传动比为37.5，功率为16kw，用于桥式起重机的提升机构中。
渐开线少齿差传动的特点是齿轮用普通的渐开线齿轮刀具和齿轮机床就可以进行加工，不需要特殊的刀具与设备，材料也可以采用普通齿轮材料，因此加工方便，制造成本低，但其传动效率不如摆线少齿传动高。
在少齿差传动中，采用圆弧作为齿廓曲线的探讨在国内从六十年代即开始进行，到七十年代中期以后，日本已开始进行圆弧少齿差行星齿轮减速器的系列化生产。这种传动的特点在于行星轮的齿廓曲线采用凹圆弧代替了摆线，轮齿与针轮在啮合点的曲线方向相同，形成两段凹凸圆弧的啮合，从而提高了轮齿的接触刚度和啮合效率，其针齿不带齿套并采用半埋齿结构，既提高了弯曲强度又简化了针齿结构。此外，圆弧形轮齿加工无需专用机床，精度也易保证，而且装修方便。这种传动目前在国内也有研制。
近十几年来，又相继出现了一些新的少齿差传动形式，其中发展较快的有活齿少齿差传动、锥齿少齿差传动、双曲柄输入式少齿差传动以及利用弹性变形来传递运动的谐波传动。实践表明：少齿差传动与适用工况相同的其它机械传动形式相比较，具有许多优点：体积小、重量轻、结构紧凑、传动比范围大、效率较高等。在不少场合，少齿差传动已开始取代原来的圆柱齿轮传动和蜗杆传动。目前，少齿差行星齿轮传动已广泛应用于国防、冶金、矿山、化工、轻工、建筑等部门，以长远来看，少齿差传动有着广泛的发展前景。
随着少齿差传动应用的日益广泛，国内外学者在齿形分析、结构优化、接触分析、结构强度、动态性能、传动效率，运动精度等方面进行了大量的研究，取得了许多有价值的成果，并开发成功不少新的少齿差传动形式。
众所周知，渐开线齿轮由于加工方便、成本低、在实际生产应用最广泛。但目前国内生产的少齿差减速器中，90%以上是摆线针轮减速器，渐开线少齿减速器的市场占有率很低，1990年全年生产量不到500台，而且都是小功率的，而同年摆线针轮减速器，绝大多数都采用同轴传动方式，即输入轴与输出轴在同一轴线上，行星轮通过行星轴承安装在曲轴的偏心轴颈上，并通过输出机构与输出轴相连。采用这种结构结构设计的渐开线少齿差减速器的行星轴承受力大，寿命短；振动、噪声大、运动平稳性差；传动效率低；其中最主要的是行星轴承径向载荷过大，造成轴承寿命短，使得行星轴承成为减速器的薄弱环节。因此，如何减小行星轴承的径向载荷以提高渐开线少齿差行星轴承寿命，一直是人们力求解决的问题。
我国少齿差行星齿轮传动研究的历史，可以追溯到五十年代。早在1956年我国著名的机械学家朱景梓教授就根据双曲柄机构的原理提出了一种新型少齿传动机构，其特点是当输出轴旋转时，行星轮不是作摆线运动（高速运转与低速自转的合成），而是通过一个双曲柄机构导引作圆周运动。这种独特的“双曲柄输入少齿差传动机构”得到了当时国内外同行的高度评从。1963年，朱景梓教授在太原工学院学报上发表了“齿渐开线少齿差传动的原理和设计方法。他所从事的这些创造性工作，为少齿行星齿轮传动在我国的推广应用起了重要的指导作用。双曲柄少齿差传动的优点是能使行星轴承的载荷下降，而且当内齿板作为行星轮时，行星轴承的径向尺寸可不受限制，从而提高了行星轴承的寿命。另外，这种传动不需要输出机构，还可实现平行轴传动，结构简单，适用性强。但是，由于历史的原因，双曲柄输入少齿差传动一直没有得到应用的发展，直到近十年来才逐渐为人们所重视。
目前，国内外关于双曲柄输入少齿差传动的研究，重点在于如何克服双曲柄机构死点，最简单的办法是利用一套齿轮机构把动力从输入轴传递到另一根曲轴上，形成两根曲轴同时驱动，从而使机构不存在死点。太原工学院、煤碳部研究总院及重庆钢铁公司等单位根据这种原理成功地研制出了不同类型的双曲柄输入少齿差减速器。1985年，冶金工业部重庆钢铁设计院陈宗源高级工程师提出用三相并列双曲柄机构来克服死点，并于同年以“三环减速（或增速）传动装置”申请了国家发明专利。
三环减速器是90年代获国家优秀专利的新型通用减速装置，与其它类型传动装置相比较，它具有体积小、重量轻、承载能力大、生产成本低等一系列优点，已开始在各工作部门得到应用，并已被列为国家和重庆市重点项目之一。由于该减速器问世仅几年，在设地、生产和应用过程中，发现它存在许多问题，简述如下：
1、缺乏较全面的理论分析和实验研究
目前，对三环减速器的结构原理、运动学分析、动力学分析、材料、强度、动态性能和噪声分析、制造工艺及应用特点等方面未能开展较全面的理论和实验分析研究，使设计工作缺乏依据，只能利用类比设计或借助于十分粗略模型进行受力计算，减速器产品的性能不稳定，大大阻碍了该产品的推广应用，解决这些问题迫在眉捷，刻不容缓。
2、加工、安装、调整要求较高
从三环减速器原理上分析可知，一根曲轴上要安装三个带内齿的环板，不得不制成偏心套结构，结构复杂，且三相环板需互成120°角，加工分度精度要求高，需有专业技术人员安装、调整，否则将会产生许多问题。
3、存在较大的振动、冲击噪声问题
三环减速器在使用过程中存在着较为严重的振动、冲击和噪声问题，特别是在重载、中高速情况下，振动更为突出，已成为该产品能否大规模生产及推广应用的严重障碍。
因此，在重庆大学机械传动国家重点实验室张光辉教授的带领下，对三环减速器开展了全面的研究，并已在结构分析和实验研究上取得了一定的成果。本研究的目的就是针对三环减速器的振动和噪声问题而开展理论分析和实验研究，旨在找出：三环减速器存在较大振动和噪声问题的根源所在；振动与噪声的分布规律，进而提出一定的措施来控制三环减速器的振云贵屯噪声；对三环减速器振动与噪声预估值进行分析计算，使在设计蓝图阶段就能预估齿轮传动装置的振动与噪声水平成为现实，这样就能避免盲目设计出振动与噪声超标的产品，加速设计制造的进度，并能提供主动的振动与噪声控制的手段。
对齿轮传动装置的振动与噪声问题的研究，一直是工程界中的一个重要的研究课题。国内外许多高等院校和专家学者都对此作出一大量的研究工作，并取得了一些公认的定性的结论，认为对理想齿轮来说，齿轮传动产生振动与噪声的原因就具啮合点处力的脉动作用，围绕这个结论，许多专家学者提出了各种修形改正措施并取得了一定的成果。 但对齿轮传动装置的振动与噪声预估的研究仍然很小。正是基于这个原因，我们以三环减速器这种新型通用减速器这种新型通用减速器为主，在研究其产生振动与噪声原因的同时，也对其振动与噪声预估的问题进行了系统地、全面地理论分析和试验研究。
本研究的主要内容有：
1.详细分析了三环减速器的结构及工作原理，并对其振动机理和噪声问题进行了理论上的分析和研究，见第二章。
2.建立了三环减速器的数学模型和理论模型，并在SUN工作站上使用I—DEAS软件对其进行动态特性的有限元分析计算，见第三章。
3.对三环减速器振动系统的激励源进行识别，找出三环减速器产生振动与噪声的激励源主要有哪些，见第四章。
4.对三环减速器振动与噪声预估值进行分析计算，见第五章。
5.对三环减速器开展了较全面的试验模态、振动速度分布及规律、噪声分布及规律、振动机理试验，完善并充实了三环减速器的试验数据，见第六章。
6.提出控制三环减速振动与此同时噪声水平的措施，见第七章。
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