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四環板擺線齒輪減速器降噪分析
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  • 發 布 人忘川秋水
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    中圖分類號:TH142.4 文獻標識碼:A DOI編碼:10.3969/j.issn.1006-1335.2013.03.022Noise Reduction of Gearboxes with Cycloid GearsLIU Shuang 1,2 WEI Wei ,LI Li-xing ,HE Wei-dong(1.Key Laboratory ofAdvanced Technology of Transportation Vehicles,Dalian Jiaotong University,Dalian 1 1 6028,Liaoning China; 2.Department of M echanical Engineering,Dalian Institute of Scienceand Techn ology,Dalian 1 1 6052,Liaoning China; 。

    3.Colege of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 1 1 6028,Liaoning China)Abstract:In order to reduce the noise of a new-type transmission gearbox with cycloid gears,optimization design ofthe key component parts was done.The noise and modals of the gearbox were tested.It was found that the intrinsicfrequency of the gearboxS shell and the internal component parts is concentrated in low an d medium frequency range.Thenoise increases greatly when the meshing frequency ofthe cycloid gear and the pin wheel exceeds 500Hz.And thethree-gear transmission has large contribution to the noise when the load reaches 50% of the rated load.Finally,somemeasures for vibration and noise reduction were proposed,such as avoiding from the intrinsic frequency,optimizing thestructure and improving the design of transmission parts。

    Key words:acoustics;noise reduction;experiment;reducer輕量化、低噪聲、高承載已成為現代減速器設計的發展方向。其中,應用擺線齒輪理論技術研制開發的雙曲柄環板式針擺行星傳動減速器是極其具有實用價值的新型擺線針輪行星傳動。雙曲柄環板式針擺行星傳動其結構型式主要有以下7種:同步帶聯動雙曲柄雙環板和四環板針擺行星傳動、雙電機驅動雙曲柄四環板針擺行星傳動、輸入軸與輸出軸收稿 日期:2012-10.25;修改日期:2012.12.18項目基金:國家自然科學基金資助(505750301作者簡介:劉 爽(1979-),男,遼寧岫巖縣人,博士,目前從事振動噪聲測試及車輛系統動力學研究。

    E-mail:Liushuang 79 1 1###qq.corn同軸線的三齒輪聯動雙曲柄雙環板和四環板針擺行星傳動、輸入軸與輸出軸不同軸線的三齒輪聯動雙曲柄雙環板和四環板針擺行星傳動。

    三齒輪四環板針擺行星傳動是-種新型傳動形式(如圖1所示),減速器的輸入端由三齒輪傳動,為實現動平衡靠偏心機構帶動四塊環板作周向運動,環板上裝有的針齒又與擺線齒輪嚙合。在圖l中1、2、4為環板,3為針輪,5、6、7為三直齒輪,軸 1、軸3為曲軸,軸4為輸出軸、軸2為輸入軸。這種減速器較以往減速器的優點不但體積孝傳動比范圍大、傳動效率高、傳動平穩,而且輸出軸剛度大、傳遞的轉矩和功率可以更大。由于上述特點使得環板上的擺線輪與針輪進行多齒嚙合,內部激勵相對比較復雜,98 四環板擺線齒輪減速器降噪分析 2013年6月通過測試其最高噪聲值達到92.5 dB。如何減洶線齒輪減速器的噪聲,降低其關鍵部件的振動,優化設計,亟需通過測試手段獲得相關數據信息 [1-6]。

    2 噪聲測試分析噪聲是機電產品驗收標準中的重要指標之-,1234圖 I四環板式針擺行星傳動簡圖Fig.1 Four ring-plate-type planetary transmission diagram試驗手段是尋找減振降噪的-種有效途徑。因此,噪聲測試的主要目的是通過頻譜分析技術獲得對噪聲能量貢獻較大的噪聲激勵源,其次獲得噪聲聲壓級,對減振降噪提供量化標準。噪聲數據的采集主要采用紅聲ND 2型聲級計,其模擬輸出接口與美國NI公司產品SCB-100接線端子連接。并應用NI公司高效可靠的PXI總線、MXI-3總線技術和Lab VIEW快速圖形軟件開發環境,建立起多功能擺線齒輪減速器測試軟硬件平臺。試驗操作過程及數據分析處理主要參照《GB 3238-1982聲學量的級及其基準值》、《GB 3240--1982聲學測量中的常用頻率》、《GB 3241-1982聲和振動分析用的1/1和 1/3倍頻程濾波器》、《GB 6882-1986聲學 噪聲源聲功率級的測定》等國家標準。

    如圖2所示,(a)、(b)、(c)中列出了三種不同工況的1/3倍頻程分析結果(縱坐標為聲壓級,單位:dB(A),橫坐標為頻率,單位:Hz)。經過A計權之后,噪聲能量在低頻部分很小,可以暫不考慮;通過不同轉速的比對,發現在以800 Hz為中心頻率的帶寬范圍內噪聲能量最高,其次是以630 Hz為中心頻率的帶寬范圍內噪聲能量較高。當滿載輸入轉速1 467 r/min(圖2-c)2況下,以中心頻率為2.0 kHz處噪聲能量上升較大,聲壓級達到了92.5 dB。

    2.2 對噪聲數據的頻譜分析l/3倍頻程主要反映了噪聲能量的分布,而為進- 步弄清噪聲來源則需要對噪聲數據進行頻譜分析♂合齒輪傳動中嚙合頻率進行分析,尋找幅值相對較大頻率點。根據擺線齒與針輪的嚙合原理及嚙合頻率公式:,nz/60(其中,,表示齒輪嚙合頻率,17表示轉速,z表示輪齒數1,擺線齒輪與針輪嚙合頻率及漸開線三齒輪嚙合頻率在噪聲頻譜圖中可以找到對應的噪聲幅值。例如在滿載時、轉速 1 467 r/min時,其擺線齒輪與針輪理論嚙合頻率為 針 1 46735/60856 Hz,漸開線齒輪理論嚙合頻率 ,漸☆理 1 467×78/601 907.1 Hz。在圖 4中(縱坐標 為矗言蠱矗言n ∞ 0O。

    10.0 100.0 1 000.0 10 000.0Frequency/Hz(a)轉速1 302 r/min 載荷50%00.O80.O60.O40.020.01Frequency/Hz(b)轉速 1 290 r/min 載荷 100%[0.0 l00.0 l 000.0 10 000.0Frequency/Hz(C)轉速 1 467 r/min 載荷 100%圖 2 1/3倍頻程分析(A計權)Fig.2 1/3 octave analysis(A weight)電壓,單位mV,橫坐標為頻率,單位Hz)可以找到與理論值相近的實驗值 ,,漸齒 1 906.7 Hz,, 針女855.6 Hz。說明三齒輪嚙合傳動是導致中心頻率2.0 kHz處噪聲能量較大的原因。通過圖3也可以發現在708.8 Hz處,及其兩旁的該頻率點幅值相對較大。由于軸承的振動頻率都在低頻區,所以可以排除軸承的影響。且減速器經多次裝配后噪聲測試結果基本-致,由裝配問題引起的影響可以排除。在圖3中,初步懷疑幅值比較高的頻率點為系統的固有頻率造成的,可以通過模態測試的方法確定。

    3 模態測試結果應用INV 306智能信號采集處理分析儀、電荷放大器、力錘、振動傳感器等儀器設備,采用單點激O O 0 0 O ∞ 舯 ∞ 柏 加.Io r0Q勺囂 ∞第33卷 第3期 噪 聲 與 振 動 控 制 99勵多點響應的測試方法對減速器進行模態測試。為了克服實驗測量給出的結構僅僅在試驗狀態下的信息。首先對去除箱體的組裝體進行了模態測試,以反映部件間耦合固有頻率情況,觀察在約束時受到激勵的響應(圖5所示);之后對單個部件進行模態測試,獲得單件模態信息。

    去除箱體的組裝體,固定在以特制支座上,并在輸入端加載固定轉矩,該組裝體固有頻率在中低頻4003O0量200lOOOO 2 4 6 8 1O 12 l4 l6 l8 2O×10noise Frequency/Hz圖3滿載、1467 r/min工況噪聲頻譜分析Fig.3 Full load,1 497 r/min noise spectrum analysis比較豐富(如表 1所示)。之后對環板、擺線輪、箱體等關鍵部件采用懸吊法進行了模態測試。在環板周向上2、3、4階振動的固有頻率阻尼比較低(如表2所示);擺線輪在軸向上振動的固有頻率為 1 017.4 Hz,說明圖3中1 026.7 Hz頻率為擺線輪固有頻率;在箱體上端面 1、2、3、5階振動的固有頻率,以及平行于軸向的兩側面上2、3、4、5、6階的固有頻率阻尼比較低(如表3所示)。

    顯然,組裝體上的固有頻率779.3 Hz,833.5 Hz、箱體上部738.0 Hz以及箱體側面617.7 Hz、681.2 Hz均分布在中頻段。

    4 噪聲與模態測試綜合分析隨著轉速的變化齒輪嚙合頻率及其調制頻率與激起的系統固有頻率重合或接近產生共振,會輻射出比較大的噪聲。如當輸入軸轉速在 1 000 r/min1 500 r/min范圍內運行時,擺線齒輪嚙合頻率剛好落在583 Hz875 Hz之間的范圍內,而該范圍內減速器的固有頻率分布有比較密集。而擺線齒輪的嚙合特點為多齒嚙合共同承載,受其嚙合頻率和調制頻率的影響,極易激起系統固有頻率。在載荷超過5O%以后,轉速達到1 400 r/min以上,漸開線三齒輪對噪聲貢獻顯現的比突出。

    經倍頻程分析、FFT頻譜分析、空載工況噪聲分布情況不難發現,對噪聲貢獻較大的頻率成分主要有三部分,-個是擺線齒輪與針輪的嚙合頻率高于500 Hz,激起系統的固有頻率形成共振,另-個是漸開線齒輪在達到50%載荷情況下激起的噪聲,還有就是主要來自于系統固有頻率被激起導致較大的振動噪聲。

    5 噪聲與載荷、轉速的關系利用聲級計(A計權)將不同載荷、不同轉速的聲壓級直接測量讀數記錄下來,然后繪制成關于噪聲、載荷及轉速關系圖(數據 曲線擬合處理,如圖6)。載荷相同的情況下,噪聲隨著轉速的提高而增圖4模態測試Fig.4 Modal test表 1組裝體模態測試結果Tab.1 Modal test result of assemblyF(Hz) M K C組裝體231.8335.4779.3833.5l l71.41 397.41 642.41.00E-061.00E-061.00E-061.O0E-061.00E-061.00E-061.00E-061.01.01.01.01.01.O1.02.1 E064.4E062.4E072.7E075.4E077.7E071.1 E080.0030.0040.0100.0100.0l50.0180.021瑜 -1 2 3 4 5 6 7100 四環板擺線齒輪減速器降噪分析 2013年6月加。隨轉速從300 r/min附近提高到 1 400 r/min附近,噪聲相應變化了18個dB左右;轉速相同的情況下,噪聲隨載荷從空載到滿載,在5~7個dB幅度內變化。

    6 結 語通過對上述實驗數據的分析研究,并借鑒齒輪及減速器在降噪減振方面采取的措施,根據三齒輪傳動魯書亂·曼2 4 6 8 l0 2 14 l6×lOXAxiS轉速/(r/min)圖6噪聲、載荷及轉速關系圖Fig.6 Noise,load and speed diagram四環板擺線齒輪減速器的特點,提出以下5個方面的降噪減振措施:(1)固有頻率改變箱體及內部部件的固有頻率分布。設計時需要考慮避開固有頻率之間的重合,及固有頻率與轉頻、嚙合頻率的重合。如降低擺線齒輪與針輪的傳動比等措施,改變輸入軸端三漸開線齒輪傳動比;(2)齒輪齒形進-步優化,改變加工和裝配精度。通過齒形的進-步優化,緩解齒輪嚙合的沖擊力,也是減振降噪的重要途徑。優化輸入軸端三齒輪傳動設計;(3)箱體在箱體結構設計中,應注意使軸承支承座與箱體支點間的結構聯系具有足夠的剛度,以減少系統的振動。對于較大面積的薄壁,應設置加強筋,以減少振動噪聲的幅度。如箱體側面5004900 Hz范圍內固有頻率,可以通過增強筋的方式,增大剛度,改變固有頻率分布。在保證散熱較好的情況下,增強其密封性,如蓋板厚度及其與箱體的密封程度;(4)環板環板的固有頻率也主要分布在低頻及中頻區。

    作為力矩傳遞的關鍵部件,應增大剛度或阻尼的方式進行優化設計;(5)載荷與轉速單純從降噪的角度來看,也可以考慮降低嚙合頻率或載荷,達到減振降噪的 目的也最為直接有效。如果將輸入軸的轉速降低至 100 dB,那么減速器的噪聲也會相應降低至89 dB附近。

    (下轉第202頁)g窨 ∞ 加202 機械故障診斷技術中的信號處理方法:時頻分析 2013年6月號這類特殊信號重要工具,這為信號中由機械故障所激勵的瞬態成分的有效特征提取提供了解決方案。本文總結了多種時頻分析信號處理方法的優缺點,以實例說明其在機械設備故障診斷過程中的分析原理,介紹了各種時頻分析方法的應用范圍及在應用過程中的注意事項。

    工程技術人員和現場工程師在對具體的機械設備關鍵構件進行故障診斷過程中,容易掌握各種信號處理方法的原理與特點,將理論與工程實際密切地結合,使得選取不同信號處理方法對振動信號進行分析變得簡單可行,為各行業進行機械設備故障診斷帶來方便。

    時域分析、頻域分析和時頻分析三類信號處理方法在工程實際中具有廣泛的應用,對于各類機械設備故障特征及最優信號處理方法選取的總結,對工程技術人員和現場工程師而言具有很大的指導意義和參考價值。



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