第1章 绪论
1.1引言
机器的发展经历了一个由简单到复杂的过程，人类为满足生产及生活的需要，设计和制造出了种类繁多、功能各异的机器。机器类型多种多样，基本结构可以归结为如图1-l所示。机器的功能各异，所要求的运动形式千变万化，并且需要克服的阻力、阻力矩也因机器工作情况而异。一般说来，原动机的运动形式、运动及动力参数都是有限的，而且是确定的。这样必须解决把原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数的问题。这就必须靠机器的传动部分来完成，即机器中的传动部分是机器为完成各种功能所必需的基本构成。
作为机器传动部分主体的机械传动由于具有恒功率输出、效率高、成本低等优点，被广泛地应用于各种机器中。由此可见，机械传动系统的优劣直接影响着机器性能的发挥，因此有必要对机械传动系统进行全面、深入的研究。
本文所研究的三环减速机是在渐开线少齿差行星齿轮传动原理工作的基础上，为了适应对机械传动技术提出的新要求而开发的一种新型传动装置。三环减速机是将少齿差减速机的机架转化为行星轮而成的，从而使行星轮支承轴承不象少齿差传动那样，其行星轮支承轴承是薄弱环节而易失效；由于是中心轮直接输出，故而省略了少齿差传动输出机构。三环减速机因其具有传动比大、承载能力大、传动效率高、结构紧凑、重量轻、体积小等优点，已成为多级圆柱齿轮减速机、多级圆锥齿轮减速机、蜗轮蜗杆减速机、摆线针轮减速机的替代产品，已经广泛应用于矿山、冶金、石油、化工、起重运输、纺织印染、制药、造船和食品等诸多领域，发展前景广阔，具有推广使用价值。
对一种新型传动形式的研究涉及到诸多领域的知识，本文对提出的新型三环减速机惯性力的完全平衡、均载和减振的研究涉及到少齿差传动理论、行星传动的均载和减振理论、非电量电测量技术及应力、振动和噪声测试与分析理论等各个领域，为此有必要对这些相关领域的发展概况进行回顾和展望。
1.2少齿差行星传动技术
齿轮是机器和仪器中广泛应用的一种机械传动元件，它可以传动平行轴、相交轴和交错轴之间的回转运动。由于齿轮和齿轮装置应用量大、涉及面广、品种繁多，直接影响机械产品的质量、寿命和性能。因此齿轮技术是机械工程技术的重要组成部分，在一定程度上标志着机械工程技术的水平，因此，齿轮被公认为工业和工业化的象征。为了提高机器的承载能力和传动效率、减小外形尺寸、质量及增大减速器传动比等，行星齿轮传动便在这种情况下应运而生。而且随着齿轮传动技术和其它相关技术的不断发展而逐渐完善起来。行星齿轮传动以其适应于一切功率、速度范围和一切工作条件，受到了世界各国的广泛关注，成为世界各国在机械传动方面的重点研究方向之一。
少齿差行星传动是行星齿轮传动的一种，而且代表着行星齿轮传动的一个发展方向，所谓少齿差行星齿轮传动，就是指内、外齿轮齿数差很小的内啮合变位齿轮传动。少齿差传动类型很多，若按行星轮齿区分，一般可归纳为摆线少齿差传动、渐开线少齿差传动、圆弧少齿差传动、活齿少齿差传动和锥齿少齿差传动五类。德国人首先提出以外摆线为齿廓曲线，而且其中的一个齿轮采用针轮的摆线针轮少齿差行星传动原理，并于30年代后期在日本研制生产。60年代摆线磨床的出现，更加促进了这种传动的发展。中国从1958年开始研制摆线针轮减速器，60年代投入工业化生产。目前已形成系列，制定了相应的标准，并被广泛地应用于各类机械设备中。摆线针轮行星齿轮传动由于其主要零件皆采用轴承钢并且经过磨削加工制成，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，但其加工精度要求高，结构复杂。
渐开线少齿差传动的原理与摆线针轮少齿差传动的原理基本相同，其区别在于：渐开线少齿差传动的内、外齿轮的齿廓曲线采用渐开线，而摆线针轮少齿差传动的内、外齿轮的齿廓曲线采用外摆线。1949年，前苏联学者Skvolzova从理论上解决了实现一齿差传动的几何计算问题，60年代以后，随着计算机的普及运用，渐开线少齿差传动得到了迅速的发展。中国50年代开始在太原等地研制渐开线少齿差传动，并于1960年制成第一台二齿差渐开线行星齿轮减速器，传动比为37.5，输入功率为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专用设备，齿轮材料也采用普通材料，因而加工方便，制造成本低，但其传动效率不如摆线针轮少齿差传动高。
圆弧少齿差行星传动就是以凸、凹圆弧为内、外齿轮的齿廓曲线传动。国外从60年代开始进行圆弧少齿差行星齿轮传动研究，日本在70年代中期以后开始进行圆弧少齿差行星减速器的系列化生产。圆弧少齿差行星传动的轮齿与轮齿在啮合点的曲率方向相同，形成两段凹凸圆弧的内啮合，从而提高了轮齿的接触强度和啮合效率。圆弧形轮齿加工无需专用设备，精度也易保证，而且装配方便、修理容易，这种传动目前在国内也有研究。
近十几年来，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和谐波传动。实践表明：少齿差传动具有体积小、质量轻、结构紧凑、传动比大、效率高等优点，广泛地应用于矿山、冶金、飞机、轮船、汽车、机床、起重运输、电工机械、仪表、化工、轻工业、医药、农业等许多领域，少齿差传动能够取代圆柱齿轮传动和蜗轮蜗杆传动。从长远观点来看，少齿差传动有着广泛的发展前景。
本文所研究的三环减速机传动属于渐开线少齿差传动，故有必要对渐开线少齿差传动进行深入的探讨。对于标准渐开线内啮合行星齿轮传动，当其中心内齿轮2和行星外齿轮l的齿数差小于8时，即zp=z2-z1＜8（z2=78～200），则该内啮合齿轮副就会产生过渡曲线干涉和齿廓重迭干涉。为了避免内啮合齿轮传动的各种干涉，可以采取变位的内啮合齿轮传动，但是采取变位齿轮传动要保证内、外齿轮的齿顶不得变尖，要有足够的厚度。渐开线少齿差行星传动，就是由齿数差很小（一般zp=1～4）的渐开线内啮合变位齿轮副组成的K-H-V(N）型传动或ZK-H（NN）型传动。中心轮代号K，转臂代号H，输出构件代号V。N型少齿差传动示意图如图1-2所示，图中1为行星外齿轮，2为中心内齿轮，H为输入轴，又称为转臂。行星轮1装在有偏心距a′的输入轴上，当输入轴旋转时，行星轮不仅绕其安装在H上的轴线O1转动，且同时随着H绕着固定的轴线OH回转，即行星轮的轴线O1在半径等于偏心距的a′一个圆周上运动；NN型少齿差行星传动示意图如图1-3所示，内齿轮2固定不动，H为输入轴，又是转臂，行星轮1和3是一个整体，装在有偏心距a′的输入轴H上，当输入轴旋转时，行星轮不仅绕其安装在H上的轴线O1转动，并且同时随H绕着固定的轴线OH回转，然后通过齿轮3带动齿轮4转动，而齿轮4与输出轴固定在一起，把运动输出。
渐开线少齿差行星传动具有以下优点：
1.结构紧凑、体积小、重量轻；
2.传动比大；
3.传动效率较高，N型一级减速机传动效率可达80～94%；
4.运载平稳、噪音小、承载能力大；
5.结构简单、加工方便、成本低；
6.输入轴与输出轴在同一根轴线上，安装和使用方便。
7．运转可靠、使用寿命长。
但是，少齿差减速机还存在以下缺点：
1.计算复杂；
2.转臂轴承受力较大，寿命较短；
3.必要的结构需加平衡块。
随着对少齿差传动认识的深入，这些缺点是会逐渐被克服的，少齿差行星减速机会日益广泛地应用于各行各业的机械设备中。本文所研究的就是应用少齿差传动原理工作的一种新型传动装置一三环减速机。
1.3行星传动的均载与减振技术
机器中的传动部分是机器的基本组成部分，机械传动系统的优劣直接影响着机器性能的发挥。随着机械传动速度的提高，机械振动和平衡问题已经成为某些机械设计中的关键问题。各种机械在工作过程中所产生的振动，可使它们的动态性能严重恶化，从而降低其传动精度、生产效率和机械零件的寿命，甚至引起机械零件的破坏。同时，由于机械振动所产生的噪音，又可污染生产环境，影响人们健康。因此，行星传动的振动分析和减振措施的研究已经成为行星传动机械设计的必要手段。
行星传动均载和减振问题的研究，首先应该研究行星传动中载荷分配的问题。如果行星传动中载荷分配均匀，即使引起振动，振动幅值也必定很小。只有当载荷分配不均匀时，载荷的振荡幅值加大，机器的振动加剧。齿轮传动中的动态载荷是决定传动性能优劣的最重要要素，对影响齿轮动态载荷因素的研究可以追溯到十九世纪，研究历史深远，文献提出传动系统的速度影响瞬时轮齿动态载荷；文献建立了直齿轮动态载荷的数学模型，用来分析静态或动态的直齿轮系统，结果表明：齿轮啮合刚度极有可能是齿轮链动态特性的关键因素，齿轮及其驱动和载荷系统可以按照最小允许动态载荷设计，从而获得最优性能和较大范围的运动速度；文献开发了一种齿轮系统动态载荷响应算法，他们得出：动态载荷取决于运动速度；文献认为接触点沿着渐开线齿廓移动，动态响应应该考虑为运动载荷位置和速度的函数；文献给出了综合详尽的传动误差分析，考虑了啮合弹性和啮合力，开发了一种预测振动响应的通用方法；文献探讨了动态应力的影响因素，提出了轮齿承载点的总偏移量是由作为悬臂梁的基本齿的弯曲偏移量、齿根圆角处和齿根的偏移量和轮齿的局部接触及受压变形量三部分组成的；文献作了高精度直齿轮系统动态性能影响的实验研究。文献提出加工及安装精度对行星齿轮的均载系数影响明显，研究了加工及安装误差造成的侧隙对行星齿轮均载系数的影响，给出了行星齿轮传动均载系数与侧隙方差的关系表达式；文献提出了用经典的弹性理论计算轮齿的变形：文献提出运用二维弹性理论和映射函数法计算齿根圆角处齿面应力值。文献应用动力学、弹性理论和共轭曲面理论，考虑由于齿形误差和弹性变形而引起的共轭接触点切向位置变化的影响，从而得到确定齿轮动载的方程，借助于计算机或有限元方法求解。文献提出影响齿轮动态载荷的因素包括轴的刚度和惯性力、周期性波动的载荷和动力源、轮齿误差和轮齿刚度等。文献提出动态载荷在系统固有频率范围内，随着输入转速的增加而增加，而在超过系统固有频率时，则随着输入转速的增加而急剧降低；系统阻尼和摩擦减低动态载荷；轮齿刚度越大，动态载荷越小。
此外，众多学者对齿轮系统简化振动模型进行了研究，文献建立了直齿轮动态载荷的简化模型；文献提出了一自由度齿轮系统的简化振动模型；文献建立了一个复杂的齿轮系统的简化振动模型，它包含4个转动副、2个移动副。在考虑激励源是啮合刚度的变化、节距误差和齿形偏差的情况下，获得系统的振动响应，而且对惯性力、弹性力和阻尼力的影响进行讨论。
行星传动具有结构紧凑、承载能力高、重量轻、体积小和效率高等显著优点。这些优点主要来源于“功率分流”一功率由几个行星轮分担传递。由于传递功率时零件的变形，尤其是制造与装配误差的不可避免，各行星轮之间的载荷分配不可能完全均匀，严重地影响着上述优点的发挥。所以各行星轮之间的均载问题成了研究行星传动的关键课题之一。为了使行星传动中载荷分配均匀，起初人们只是一味提高齿轮加工精度，后来采用各种形式的均载机构来达到行星传动中载荷分布均匀的目的。从而有效地降低了行星齿轮传动的制造精度和装配难度，且使行星传动输入的功率能通过所有的行星轮进行传递。
无论何种形式的均载装置，都是补偿行星传动中的制造安装误差以实现均载和减振，行星传动中制造安装误差的确定、基本构件的浮动量的分析和计算为均载机构的设计和载荷分配不均匀系数的理论计算提供依据，行星传动中基本构件的最大浮动量可以根据概率统计原理进行估算。当行星轮数目大于3时，齿轮的制造安装误差造成的侧隙对行星齿轮均载系数的影响明显。文献提出所谓“浮动轮”载荷的概率模型，并由此决定行星传动中行星轮载荷的概率分布。
均载方法多种多样，机械均载机构，其结构类型可分为如下两种：
1.静定系统：静定系统的均载原理是通过系统中附加的自由度来实现行星轮之间的均载。具有浮动基本构件的系统、采用基本构件自动调位的均载机构就属于静定系统。
2.静不定系统：完全刚性构件的系统、采用低刚性结构的均载系统就属于静不定系统。完全刚性构件的系统，是完全依靠构件的高精度来实现均载；采用弹性结构的均载系统，主要是利用弹性构件在作用力下的弹性变形使各行星轮均匀分担载荷。
目前，在行星传动中广泛采用的均载机构主要有低刚性弹性支承机构和挤压油膜阻尼器（Squeeze Film Damper Bearing缩写为SFD、SFDB、SFB）机构。低刚性弹性支承均载机构属于静不定系统，它是将弹性波纹均载环加装在行星轮支承轴或行星传动的输出轴（或输入轴）的轴承座孔和轴承外圈之间，利用零件的弹性变形来补偿制造安装误差，从而实现行星传动的均载和减振。金属弹性均载环不仅适用于齿轮减速机的均载和减振，还广泛应用于机床、汽轮机、飞机等高速运转的机械设备上。文献提出一种用于多行星轮传动中行星轮上的弹性环均载机构，利用零件的变形来补偿行星轮的浮动量，可以在不增加机构尺寸和重量的条件下达到行星轮间均载的目的。通过对六行星轮弹性环均载机构的载荷均衡实验研究，得到其载荷分配不均匀系数的实测值为1.29；文献提出适用于多行星轮行星传动的等强度环均载机构，利用弹性构件或油膜在行星轮载荷增量作用下的弹性变形来补偿制造装配误差对行星轮心浮动量的要求，从而使行星轮间的载荷分配趋于均匀。其均载效果主要取决于弹性件或油膜的刚度，但是过分降低刚度必然受强度条件的制约，故设计该均载机构的关键是在保证弹性构件强度的前提下使机构具有最大的柔度。通过对六行星轮等强度环均载机构的载荷均衡实验研究，得到其载荷分配不均匀系数的实测值小于1.29；文献从实际出发认为该类机构的载荷分配在±30%以内时都是可用的，当然这同时也取决于制造精度。文献对重型机械上新型行星传动均载机构进行了研究。
挤压油膜均载机构属于静定系统，它是行星轮调位均载方法中的最佳方法，1961年奥斯卡·平卡斯（Oscar Pinkus）在他的《动压润滑原理》一书中，提到了济压油膜的概念。1963年英国罗耳斯，罗伊斯（Rolls Royce）公司的S.库拍（Cooper）在挤压油膜的实验研究方面取得了成就。在库拍的文章发表不久，挤压油膜阻尼器就在英国的康维（Conway）发动机上成功地得到了应用，起到了良好的减振作用，可使振动减小约60%。在此之后，挤压油膜阻尼器的研究和应用得到了飞速的发展。1967年日本东洋精密造机公司（IMT）高桥崇在日本和欧美各国取得油膜浮动均载的专利权，而且用于各种行星传动减速机上。油膜均载的结构如图1-4所示，在行星轮与行星轴承之间装置一浮动的中间轮，中间轮与行星轮孔之间留有径向间隙，并向其中注入油液。传动装置工作时，行星轮与中间轮以同向同速转动，而且承受方向相同的载荷。两轮在转动时，在它们的径向间隙中形成厚油膜，油膜厚度比普通滑动轴承的油膜厚度大得多。借助油膜的弹性使各行星轮均载。此外，由于行星轮可以轴向窜动，故也能补偿误差而实现均载。在实际工况下厚油膜均载的设计计算是真正实现厚油膜均载的关键，文献推导出厚油膜均载的设计计算式，从而使厚油膜的均载设计变得简单易行。油膜均载与减振技术研究的前沿在于进一步考虑油膜实际的流动状态和开发新型结构的挤压油膜阻尼器（SFD）。
本文提出一种新型弹性均载环，将弹性均载环加装在输出轴和一级输入轴的轴承座孔和轴承外圈之间，利用均载环的弹性变形来补偿制造安装误差，从而实现三环减速机的均载和减振。
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