第1章 緒論
1.1引言
機器的發(fā)展經(jīng)歷了一個由簡單到復(fù)雜的過程，人類為滿足生產(chǎn)及生活的需要，設(shè)計和制造出了種類繁多、功能各異的機器。機器類型多種多樣，基本結(jié)構(gòu)可以歸結(jié)為如圖1-l所示。機器的功能各異，所要求的運動形式千變?nèi)f化，并且需要克服的阻力、阻力矩也因機器工作情況而異。一般說來，原動機的運動形式、運動及動力參數(shù)都是有限的，而且是確定的。這樣必須解決把原動機的運動形式、運動及動力參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行部分所需的運動形式、運動及動力參數(shù)的問題。這就必須靠機器的傳動部分來完成，即機器中的傳動部分是機器為完成各種功能所必需的基本構(gòu)成。
作為機器傳動部分主體的機械傳動由于具有恒功率輸出、效率高、成本低等優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用于各種機器中。由此可見，機械傳動系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響著機器性能的發(fā)揮，因此有必要對機械傳動系統(tǒng)進行全面、深入的研究。
本文所研究的三環(huán)減速機是在漸開線少齒差行星齒輪傳動原理工作的基礎(chǔ)上，為了適應(yīng)對機械傳動技術(shù)提出的新要求而開發(fā)的一種新型傳動裝置。三環(huán)減速機是將少齒差減速機的機架轉(zhuǎn)化為行星輪而成的，從而使行星輪支承軸承不象少齒差傳動那樣，其行星輪支承軸承是薄弱環(huán)節(jié)而易失效；由于是中心輪直接輸出，故而省略了少齒差傳動輸出機構(gòu)。三環(huán)減速機因其具有傳動比大、承載能力大、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小等優(yōu)點，已成為多級圓柱齒輪減速機、多級圓錐齒輪減速機、蝸輪蝸桿減速機、擺線針輪減速機的替代產(chǎn)品，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、石油、化工、起重運輸、紡織印染、制藥、造船和食品等諸多領(lǐng)域，發(fā)展前景廣闊，具有推廣使用價值。
對一種新型傳動形式的研究涉及到諸多領(lǐng)域的知識，本文對提出的新型三環(huán)減速機慣性力的完全平衡、均載和減振的研究涉及到少齒差傳動理論、行星傳動的均載和減振理論、非電量電測量技術(shù)及應(yīng)力、振動和噪聲測試與分析理論等各個領(lǐng)域，為此有必要對這些相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展概況進行回顧和展望。
1.2少齒差行星傳動技術(shù)
齒輪是機器和儀器中廣泛應(yīng)用的一種機械傳動元件，它可以傳動平行軸、相交軸和交錯軸之間的回轉(zhuǎn)運動。由于齒輪和齒輪裝置應(yīng)用量大、涉及面廣、品種繁多，直接影響機械產(chǎn)品的質(zhì)量、壽命和性能。因此齒輪技術(shù)是機械工程技術(shù)的重要組成部分，在一定程度上標志著機械工程技術(shù)的水平，因此，齒輪被公認為工業(yè)和工業(yè)化的象征。為了提高機器的承載能力和傳動效率、減小外形尺寸、質(zhì)量及增大減速器傳動比等，行星齒輪傳動便在這種情況下應(yīng)運而生。而且隨著齒輪傳動技術(shù)和其它相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展而逐漸完善起來。行星齒輪傳動以其適應(yīng)于一切功率、速度范圍和一切工作條件，受到了世界各國的廣泛關(guān)注，成為世界各國在機械傳動方面的重點研究方向之一。
少齒差行星傳動是行星齒輪傳動的一種，而且代表著行星齒輪傳動的一個發(fā)展方向，所謂少齒差行星齒輪傳動，就是指內(nèi)、外齒輪齒數(shù)差很小的內(nèi)嚙合變位齒輪傳動。少齒差傳動類型很多，若按行星輪齒區(qū)分，一般可歸納為擺線少齒差傳動、漸開線少齒差傳動、圓弧少齒差傳動、活齒少齒差傳動和錐齒少齒差傳動五類。德國人首先提出以外擺線為齒廓曲線，而且其中的一個齒輪采用針輪的擺線針輪少齒差行星傳動原理，并于30年代后期在日本研制生產(chǎn)。60年代擺線磨床的出現(xiàn)，更加促進了這種傳動的發(fā)展。中國從1958年開始研制擺線針輪減速器，60年代投入工業(yè)化生產(chǎn)。目前已形成系列，制定了相應(yīng)的標準，并被廣泛地應(yīng)用于各類機械設(shè)備中。擺線針輪行星齒輪傳動由于其主要零件皆采用軸承鋼并且經(jīng)過磨削加工制成，傳動時又是多齒嚙合，故其承載能力高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、效率高、壽命長，但其加工精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
漸開線少齒差傳動的原理與擺線針輪少齒差傳動的原理基本相同，其區(qū)別在于：漸開線少齒差傳動的內(nèi)、外齒輪的齒廓曲線采用漸開線，而擺線針輪少齒差傳動的內(nèi)、外齒輪的齒廓曲線采用外擺線。1949年，前蘇聯(lián)學(xué)者Skvolzova從理論上解決了實現(xiàn)一齒差傳動的幾何計算問題，60年代以后，隨著計算機的普及運用，漸開線少齒差傳動得到了迅速的發(fā)展。中國50年代開始在太原等地研制漸開線少齒差傳動，并于1960年制成第一臺二齒差漸開線行星齒輪減速器，傳動比為37.5，輸入功率為16kW，用于橋式起重機的提升機構(gòu)中。漸開線少齒差傳動的特點是齒輪用普通的漸開線齒輪刀具和齒輪機床就可以進行加工，不需要特殊的刀具與專用設(shè)備，齒輪材料也采用普通材料，因而加工方便，制造成本低，但其傳動效率不如擺線針輪少齒差傳動高。
圓弧少齒差行星傳動就是以凸、凹圓弧為內(nèi)、外齒輪的齒廓曲線傳動。國外從60年代開始進行圓弧少齒差行星齒輪傳動研究，日本在70年代中期以后開始進行圓弧少齒差行星減速器的系列化生產(chǎn)。圓弧少齒差行星傳動的輪齒與輪齒在嚙合點的曲率方向相同，形成兩段凹凸圓弧的內(nèi)嚙合，從而提高了輪齒的接觸強度和嚙合效率。圓弧形輪齒加工無需專用設(shè)備，精度也易保證，而且裝配方便、修理容易，這種傳動目前在國內(nèi)也有研究。
近十幾年來，相繼出現(xiàn)了一些新的少齒差傳動形式，其中發(fā)展較快的有活齒少齒差傳動、錐齒少齒差傳動、雙曲柄輸入式少齒差傳動和諧波傳動。實踐表明：少齒差傳動具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、效率高等優(yōu)點，廣泛地應(yīng)用于礦山、冶金、飛機、輪船、汽車、機床、起重運輸、電工機械、儀表、化工、輕工業(yè)、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等許多領(lǐng)域，少齒差傳動能夠取代圓柱齒輪傳動和蝸輪蝸桿傳動。從長遠觀點來看，少齒差傳動有著廣泛的發(fā)展前景。
本文所研究的三環(huán)減速機傳動屬于漸開線少齒差傳動，故有必要對漸開線少齒差傳動進行深入的探討。對于標準漸開線內(nèi)嚙合行星齒輪傳動，當其中心內(nèi)齒輪2和行星外齒輪l的齒數(shù)差小于8時，即zp=z2-z1＜8（z2=78～200），則該內(nèi)嚙合齒輪副就會產(chǎn)生過渡曲線干涉和齒廓重迭干涉。為了避免內(nèi)嚙合齒輪傳動的各種干涉，可以采取變位的內(nèi)嚙合齒輪傳動，但是采取變位齒輪傳動要保證內(nèi)、外齒輪的齒頂不得變尖，要有足夠的厚度。漸開線少齒差行星傳動，就是由齒數(shù)差很小（一般zp=1～4）的漸開線內(nèi)嚙合變位齒輪副組成的K-H-V(N）型傳動或ZK-H（NN）型傳動。中心輪代號K，轉(zhuǎn)臂代號H，輸出構(gòu)件代號V。N型少齒差傳動示意圖如圖1-2所示，圖中1為行星外齒輪，2為中心內(nèi)齒輪，H為輸入軸，又稱為轉(zhuǎn)臂。行星輪1裝在有偏心距a′的輸入軸上，當輸入軸旋轉(zhuǎn)時，行星輪不僅繞其安裝在H上的軸線O1轉(zhuǎn)動，且同時隨著H繞著固定的軸線OH回轉(zhuǎn)，即行星輪的軸線O1在半徑等于偏心距的a′一個圓周上運動；NN型少齒差行星傳動示意圖如圖1-3所示，內(nèi)齒輪2固定不動，H為輸入軸，又是轉(zhuǎn)臂，行星輪1和3是一個整體，裝在有偏心距a′的輸入軸H上，當輸入軸旋轉(zhuǎn)時，行星輪不僅繞其安裝在H上的軸線O1轉(zhuǎn)動，并且同時隨H繞著固定的軸線OH回轉(zhuǎn)，然后通過齒輪3帶動齒輪4轉(zhuǎn)動，而齒輪4與輸出軸固定在一起，把運動輸出。
漸開線少齒差行星傳動具有以下優(yōu)點：
1.結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕；
2.傳動比大；
3.傳動效率較高，N型一級減速機傳動效率可達80～94%；
4.運載平穩(wěn)、噪音小、承載能力大；
5.結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、成本低；
6.輸入軸與輸出軸在同一根軸線上，安裝和使用方便。
7．運轉(zhuǎn)可靠、使用壽命長。
但是，少齒差減速機還存在以下缺點：
1.計算復(fù)雜；
2.轉(zhuǎn)臂軸承受力較大，壽命較短；
3.必要的結(jié)構(gòu)需加平衡塊。
隨著對少齒差傳動認識的深入，這些缺點是會逐漸被克服的，少齒差行星減速機會日益廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)的機械設(shè)備中。本文所研究的就是應(yīng)用少齒差傳動原理工作的一種新型傳動裝置一三環(huán)減速機。
1.3行星傳動的均載與減振技術(shù)
機器中的傳動部分是機器的基本組成部分，機械傳動系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響著機器性能的發(fā)揮。隨著機械傳動速度的提高，機械振動和平衡問題已經(jīng)成為某些機械設(shè)計中的關(guān)鍵問題。各種機械在工作過程中所產(chǎn)生的振動，可使它們的動態(tài)性能嚴重惡化，從而降低其傳動精度、生產(chǎn)效率和機械零件的壽命，甚至引起機械零件的破壞。同時，由于機械振動所產(chǎn)生的噪音，又可污染生產(chǎn)環(huán)境，影響人們健康。因此，行星傳動的振動分析和減振措施的研究已經(jīng)成為行星傳動機械設(shè)計的必要手段。
行星傳動均載和減振問題的研究，首先應(yīng)該研究行星傳動中載荷分配的問題。如果行星傳動中載荷分配均勻，即使引起振動，振動幅值也必定很小。只有當載荷分配不均勻時，載荷的振蕩幅值加大，機器的振動加劇。齒輪傳動中的動態(tài)載荷是決定傳動性能優(yōu)劣的最重要要素，對影響齒輪動態(tài)載荷因素的研究可以追溯到十九世紀，研究歷史深遠，文獻提出傳動系統(tǒng)的速度影響瞬時輪齒動態(tài)載荷；文獻建立了直齒輪動態(tài)載荷的數(shù)學(xué)模型，用來分析靜態(tài)或動態(tài)的直齒輪系統(tǒng)，結(jié)果表明：齒輪嚙合剛度極有可能是齒輪鏈動態(tài)特性的關(guān)鍵因素，齒輪及其驅(qū)動和載荷系統(tǒng)可以按照最小允許動態(tài)載荷設(shè)計，從而獲得最優(yōu)性能和較大范圍的運動速度；文獻開發(fā)了一種齒輪系統(tǒng)動態(tài)載荷響應(yīng)算法，他們得出：動態(tài)載荷取決于運動速度；文獻認為接觸點沿著漸開線齒廓移動，動態(tài)響應(yīng)應(yīng)該考慮為運動載荷位置和速度的函數(shù)；文獻給出了綜合詳盡的傳動誤差分析，考慮了嚙合彈性和嚙合力，開發(fā)了一種預(yù)測振動響應(yīng)的通用方法；文獻探討了動態(tài)應(yīng)力的影響因素，提出了輪齒承載點的總偏移量是由作為懸臂梁的基本齒的彎曲偏移量、齒根圓角處和齒根的偏移量和輪齒的局部接觸及受壓變形量三部分組成的；文獻作了高精度直齒輪系統(tǒng)動態(tài)性能影響的實驗研究。文獻提出加工及安裝精度對行星齒輪的均載系數(shù)影響明顯，研究了加工及安裝誤差造成的側(cè)隙對行星齒輪均載系數(shù)的影響，給出了行星齒輪傳動均載系數(shù)與側(cè)隙方差的關(guān)系表達式；文獻提出了用經(jīng)典的彈性理論計算輪齒的變形：文獻提出運用二維彈性理論和映射函數(shù)法計算齒根圓角處齒面應(yīng)力值。文獻應(yīng)用動力學(xué)、彈性理論和共軛曲面理論，考慮由于齒形誤差和彈性變形而引起的共軛接觸點切向位置變化的影響，從而得到確定齒輪動載的方程，借助于計算機或有限元方法求解。文獻提出影響齒輪動態(tài)載荷的因素包括軸的剛度和慣性力、周期性波動的載荷和動力源、輪齒誤差和輪齒剛度等。文獻提出動態(tài)載荷在系統(tǒng)固有頻率范圍內(nèi)，隨著輸入轉(zhuǎn)速的增加而增加，而在超過系統(tǒng)固有頻率時，則隨著輸入轉(zhuǎn)速的增加而急劇降低；系統(tǒng)阻尼和摩擦減低動態(tài)載荷；輪齒剛度越大，動態(tài)載荷越小。
此外，眾多學(xué)者對齒輪系統(tǒng)簡化振動模型進行了研究，文獻建立了直齒輪動態(tài)載荷的簡化模型；文獻提出了一自由度齒輪系統(tǒng)的簡化振動模型；文獻建立了一個復(fù)雜的齒輪系統(tǒng)的簡化振動模型，它包含4個轉(zhuǎn)動副、2個移動副。在考慮激勵源是嚙合剛度的變化、節(jié)距誤差和齒形偏差的情況下，獲得系統(tǒng)的振動響應(yīng)，而且對慣性力、彈性力和阻尼力的影響進行討論。
行星傳動具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力高、重量輕、體積小和效率高等顯著優(yōu)點。這些優(yōu)點主要來源于“功率分流”一功率由幾個行星輪分擔傳遞。由于傳遞功率時零件的變形，尤其是制造與裝配誤差的不可避免，各行星輪之間的載荷分配不可能完全均勻，嚴重地影響著上述優(yōu)點的發(fā)揮。所以各行星輪之間的均載問題成了研究行星傳動的關(guān)鍵課題之一。為了使行星傳動中載荷分配均勻，起初人們只是一味提高齒輪加工精度，后來采用各種形式的均載機構(gòu)來達到行星傳動中載荷分布均勻的目的。從而有效地降低了行星齒輪傳動的制造精度和裝配難度，且使行星傳動輸入的功率能通過所有的行星輪進行傳遞。
無論何種形式的均載裝置，都是補償行星傳動中的制造安裝誤差以實現(xiàn)均載和減振，行星傳動中制造安裝誤差的確定、基本構(gòu)件的浮動量的分析和計算為均載機構(gòu)的設(shè)計和載荷分配不均勻系數(shù)的理論計算提供依據(jù)，行星傳動中基本構(gòu)件的最大浮動量可以根據(jù)概率統(tǒng)計原理進行估算。當行星輪數(shù)目大于3時，齒輪的制造安裝誤差造成的側(cè)隙對行星齒輪均載系數(shù)的影響明顯。文獻提出所謂“浮動輪”載荷的概率模型，并由此決定行星傳動中行星輪載荷的概率分布。
均載方法多種多樣，機械均載機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)類型可分為如下兩種：
1.靜定系統(tǒng)：靜定系統(tǒng)的均載原理是通過系統(tǒng)中附加的自由度來實現(xiàn)行星輪之間的均載。具有浮動基本構(gòu)件的系統(tǒng)、采用基本構(gòu)件自動調(diào)位的均載機構(gòu)就屬于靜定系統(tǒng)。
2.靜不定系統(tǒng)：完全剛性構(gòu)件的系統(tǒng)、采用低剛性結(jié)構(gòu)的均載系統(tǒng)就屬于靜不定系統(tǒng)。完全剛性構(gòu)件的系統(tǒng)，是完全依靠構(gòu)件的高精度來實現(xiàn)均載；采用彈性結(jié)構(gòu)的均載系統(tǒng)，主要是利用彈性構(gòu)件在作用力下的彈性變形使各行星輪均勻分擔載荷。
目前，在行星傳動中廣泛采用的均載機構(gòu)主要有低剛性彈性支承機構(gòu)和擠壓油膜阻尼器（Squeeze Film Damper Bearing縮寫為SFD、SFDB、SFB）機構(gòu)。低剛性彈性支承均載機構(gòu)屬于靜不定系統(tǒng)，它是將彈性波紋均載環(huán)加裝在行星輪支承軸或行星傳動的輸出軸（或輸入軸）的軸承座孔和軸承外圈之間，利用零件的彈性變形來補償制造安裝誤差，從而實現(xiàn)行星傳動的均載和減振。金屬彈性均載環(huán)不僅適用于齒輪減速機的均載和減振，還廣泛應(yīng)用于機床、汽輪機、飛機等高速運轉(zhuǎn)的機械設(shè)備上。文獻提出一種用于多行星輪傳動中行星輪上的彈性環(huán)均載機構(gòu)，利用零件的變形來補償行星輪的浮動量，可以在不增加機構(gòu)尺寸和重量的條件下達到行星輪間均載的目的。通過對六行星輪彈性環(huán)均載機構(gòu)的載荷均衡實驗研究，得到其載荷分配不均勻系數(shù)的實測值為1.29；文獻提出適用于多行星輪行星傳動的等強度環(huán)均載機構(gòu)，利用彈性構(gòu)件或油膜在行星輪載荷增量作用下的彈性變形來補償制造裝配誤差對行星輪心浮動量的要求，從而使行星輪間的載荷分配趨于均勻。其均載效果主要取決于彈性件或油膜的剛度，但是過分降低剛度必然受強度條件的制約，故設(shè)計該均載機構(gòu)的關(guān)鍵是在保證彈性構(gòu)件強度的前提下使機構(gòu)具有最大的柔度。通過對六行星輪等強度環(huán)均載機構(gòu)的載荷均衡實驗研究，得到其載荷分配不均勻系數(shù)的實測值小于1.29；文獻從實際出發(fā)認為該類機構(gòu)的載荷分配在±30%以內(nèi)時都是可用的，當然這同時也取決于制造精度。文獻對重型機械上新型行星傳動均載機構(gòu)進行了研究。
擠壓油膜均載機構(gòu)屬于靜定系統(tǒng)，它是行星輪調(diào)位均載方法中的最佳方法，1961年奧斯卡·平卡斯（Oscar Pinkus）在他的《動壓潤滑原理》一書中，提到了濟壓油膜的概念。1963年英國羅耳斯，羅伊斯（Rolls Royce）公司的S.庫拍（Cooper）在擠壓油膜的實驗研究方面取得了成就。在庫拍的文章發(fā)表不久，擠壓油膜阻尼器就在英國的康維（Conway）發(fā)動機上成功地得到了應(yīng)用，起到了良好的減振作用，可使振動減小約60%。在此之后，擠壓油膜阻尼器的研究和應(yīng)用得到了飛速的發(fā)展。1967年日本東洋精密造機公司（IMT）高橋崇在日本和歐美各國取得油膜浮動均載的專利權(quán)，而且用于各種行星傳動減速機上。油膜均載的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示，在行星輪與行星軸承之間裝置一浮動的中間輪，中間輪與行星輪孔之間留有徑向間隙，并向其中注入油液。傳動裝置工作時，行星輪與中間輪以同向同速轉(zhuǎn)動，而且承受方向相同的載荷。兩輪在轉(zhuǎn)動時，在它們的徑向間隙中形成厚油膜，油膜厚度比普通滑動軸承的油膜厚度大得多。借助油膜的彈性使各行星輪均載。此外，由于行星輪可以軸向竄動，故也能補償誤差而實現(xiàn)均載。在實際工況下厚油膜均載的設(shè)計計算是真正實現(xiàn)厚油膜均載的關(guān)鍵，文獻推導(dǎo)出厚油膜均載的設(shè)計計算式，從而使厚油膜的均載設(shè)計變得簡單易行。油膜均載與減振技術(shù)研究的前沿在于進一步考慮油膜實際的流動狀態(tài)和開發(fā)新型結(jié)構(gòu)的擠壓油膜阻尼器（SFD）。
本文提出一種新型彈性均載環(huán)，將彈性均載環(huán)加裝在輸出軸和一級輸入軸的軸承座孔和軸承外圈之間，利用均載環(huán)的彈性變形來補償制造安裝誤差，從而實現(xiàn)三環(huán)減速機的均載和減振。
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