文章编号:1000-582x(2000)04-0018-04三环减速器表面噪声的实验*朱才朝1,秦大同2,洪沙1,冉振亚1,谢永春2(1.重庆大学机械工程学院,重庆400044; 2.重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400044)摘要:三环减速器是我国独创的一种新型传动装置,利用三相并列双曲柄机构克服死点。

以传动比为49.5的SH Q50三环减速器为研究对象,分析了其基本机构特点和传动机理。

利用声强法对其表面噪声分布进行了详细的试验分析,绘制了该机输入和输出面、输入和输出侧面及顶面的三维声强分布图和等值线图。

结合测点频谱图,得出其噪声评价指标及产生噪声的原因和机理,为正确设计三环减速器,减小其振动和噪声提供理论依据。

关键词:减速器;声强;振动;噪声中图分类号:TH132.4文献标识码:A三环减速器是我国首创的一种新型齿轮传动装置,与现有各种主要齿轮传动形式相比,具有结构简单、体积小、重量轻、传动比大、传动效率高、承载能力强、制造成本低等优点[1,2]。

但由于三环减速器问世时间不长,目前的设计及系列化工作只能靠简单的类比进行,缺乏可靠的理论依据,在使用过程中普遍存在严重的振动、冲击和噪声,在重载、高速、大传动比情况下问题更为突出,影响了其推广进程。

开展对三环减速器振动噪声的研究,找出振动噪声产生的原因、部位及随转速和载荷变化的规律,为正确设计三环减速器,减小其振动噪声具有重要的理论意义和实际应用价值。

1N型内齿行星齿轮传动的基本结构及传动原理渐开线少齿差行星齿轮传动按传动形式可分为N 型(K-H型)和NN型(2K-H双内啮合型)两大类, N型内齿行星齿轮传动的基本结构形式之一)))三环减速器,如图1所示:两根互相平行且各具有三个偏心轴颈的高速轴3,动力通过其中任一轴或两轴同时传输,三个传动内齿轮1通过轴承2装在高速轴上,外齿轮7的轴4为低速轴,其轴线与高速轴3的轴线平行,低速轴通过轴承5支承在机体6上,三个内齿轮1与外齿轮7啮合,啮合瞬时相位差呈120b。

其传动原理为输入轴旋转时,行星轮(内齿轮1)不是作摆线运动,而是通过一双曲柄机构(具有偏心轴颈的高速轴)引导作圆周平动[1]。

1)内齿行星轮;2)转臂轴承3)转臂偏心输入轴;4)输出轴5)支承轴承;6)机架;7)外齿轮图1三环减速器基本结构2三环减速器振动噪声分析2.1三环减速器振动分析三环减速器实质是由平面四杆机构和内啮合齿轮副组成的齿轮连杆组合传动机构,因此引起减速机振动噪声的原因除了有齿轮机构产生的外,还应考虑平面四杆机构所引起的振动噪声。

这里对造成三环减速器振动的激励频率加以分析。

a)内啮合齿轮副产生的激励频率2000年7月重庆大学学报(自然科学版)V ol.23第23卷第4期Journal o f Cho ngqing U niversity(Natur al Science Edition)Jul.2000*收稿日期:2000-03-29基金项目:重庆市重点攻关项目(98-5021)作者简介:朱才朝(1967-),男,湖北麻城人,博士。

主要从事传动系统动力学及振动与噪声控制的研究。

(1)内啮合齿轮啮合频率f z =z 1n 160(1+i)=z 2n 260(Hz )(1)式中z 1、z 2分别为外齿轮、内齿轮的齿数,n 1、n 2分别为各自的转速(r/min),i 为传动比。

(2)内啮合齿轮啮合频率的各阶谐波频率(3)内啮合齿轮啮合频率的各阶分谐波频率(4)轴的转动频率f n =n60(Hz )(2)式中 n 为轴的转速(r/min)。

b)平面四杆机构产生的激励频率(1)机构不平衡频率f w =n60 (H z )(3)式中 n 为轴的转速(r/min)(2)死点冲击频率f sw =2f w=2n 60(H z )(5)f sz =2f z =2z 1n 160(1+i)=z 2n 260(Hz )(5) (3)机构不平衡频率和死点冲击频率的各阶谐波频率c)轴承等传动件产生的激励频率滚动轴承旋转频率为:(1)外圈频率f or =m 2n 601-d D cos B (Hz )(6)(2)内圈频率f i n =m 2n 601+d D cos B (Hz )(7)(3)滚子元件频率f b =d D n 601-dD2cos B (H z )(8)(4)保持架的频率f o =n 601-d Dcos B (Hz )(9)式中d 为滚动元件的直径,D 为轴承的节径,B 为接触角,m 为滚动元件数量,n 为转速。

对于转动比为49.5的SHQ50偏置式三环减速器,其基本参数为[1]:z 1=101,z 2=99,m =3mm ,两高速轴间距离a =250mm ,输入轴与输出轴间的距离b =500m m,当输入转速n 1=1000r/m in 时,由上述公式计算得:f z =1683.33H z f n =16.666H zf sw =16.666H z f sz =3366.666Hz对于箱体轴承频率同样可以计算出f or 、f in 、f b 、f o ,均在100H z 以下。

在SUN 工作站上利用I -DEAS 软件对传动比为49.5的SHQ50偏置式三环减速器进行分析计算,同时结合实验模态分析出该减速机前十阶固有频率分别为:265H z,366Hz,487Hz,503Hz,532H z,573Hz,581H z,627Hz,677Hz,725Hz [3]。

2.2 三环减速器噪声分析三环减速器中各传动部件,如内啮合齿轮副、轴、轴承、环板等都是产生机械噪声的噪声源,各噪声源发出的声波,在箱内遇到箱壁和其它结构时,一部分被反射,重新回到箱体内,另一部分透过箱壁产生折射或穿过箱体缝隙及开口处发射到箱体外。

同时,由于减速器箱体内各部件的振动激励,经轴承座传递到箱体,造成箱体振动而辐射出机械噪声。

噪声按其传播途径可分为固体传播噪声和空气传播噪声,环板冲击及轮齿啮合振动通过轴、轴承、轴承座传向箱体和机座,引起振动而辐射出噪声,而空气噪声是由于轮齿、轮体、环板、轴、轴承、轴承座本身的振动而辐射的噪声通过箱体壁向外辐射,此外轴的振动引起的噪声一部分直接向箱体外辐射。

当三环减速器内部的各种振动激励源的频率与箱体的固有频率接近或一致时,将产生共振,此时箱体将辐射出较大的机械噪声[4]。

3 三环减速器整机声功率实验研究3.1 试验条件传统的噪声测量方法通常用声压级来描述其噪声的散射程度。

但是,声压级取决于噪声源与接受点之间的距离,也受到测量环境的限制。

而采用声强法就可以弥补声压法测量的不足,因为声强法的最大优点图2 电封闭齿轮试验台平面布置及测试系统19第23卷第4期 朱才朝等:三环减速器表面噪声的实验在于测量时几乎不受环境的限制。

1992年以来,国际标准化组织公布了国际标准ISO9614-1和ISO9614-2,正式把声强法定为可用于测量机器声功率的国际标准方法,使噪声测试技术发展进入一个崭新的历史时期。

本次测量采用声强法,测量过程中需要注意以下几个关键问题:分析频率的高频限制、相位失配误差与低频限、声波入射角度的影响等。

试验以某厂使用较多、振动噪声问题较突出传动比为49.5的SHQ50偏置式三环减速器为研究对象,试验是在电封闭齿轮试验台上进行。

声学环境为:墙壁和水泥地面,实验室容积v =158.4m 3,表面积s =188.4m 2,被测量试件表面积为6.42m 2。

测试设备包括:丹麦B&K4433型声强分析仪,丹麦B&K3520型声强探头,日本T EAC-30MR 磁带记录仪,CF-355频谱分析仪。

试验台的平面布置及测试系统如图2所示。

3.2 声功率测量结果测量是在减速器的顶面、输入和输出端面、输入和输出侧面等5个方向布置测点。

根据上面测试方法,在输入转速为1000r/min,输入扭矩分别为30N #m 、100N #m 等工况下,用声强法测得该减速器在几种工况下的辐射倍频声功率级见表1,从表中可以看出,在频率为500H z 声强值最大,其次为1000H z 处,该结果客观地描述了减速机的噪声大小。

表1 各工况下减速机辐射倍频声功率级输入轴转速(r/min)输入载荷(N #m)频率0.25kHz 频率0.5kHz 频率1kHz 频率2kHz 频率4kHz 线性声级A 声功率级(dB)10003072.682.876.473.666.681.482.6100010078.487.280.376.368.484.586.2图3 声强在输入、输出面上的分布图(a)输入轴端面(b)输出轴端面图4噪声信号频谱图4 三环减速器表面声强分布试验研究4.1 实验方法为了准确反应减速器的表面噪声,测量的测点应定位准确。

测试时用8号铁丝和细绳在距减速器输入和输出端100mm 、输入和输出侧面150mm 、顶面100mm 处拉成网格。

顶面、输入和输出端面分别布置13行7列共计各91个测点,输入和输出侧面分别布置720 重庆大学学报 (自然科学版) 2000年行7列共计各49个测点。

在额定功率下(输入转速1000r/min,输入扭矩为100N #m),测试时用声强探头逐点拾取信号,由磁带记录仪记录,在频谱分析仪上进行信号处理。

4.2 测试结果及分析根据上面实验测试结果得出图3所示声强在减速器输入端面、输出端面的三维分布及等值线图。

从图3看出,在减速器的各个表面中输入轴端面和输出轴端面振动噪声较大,其次是输入侧面和输出侧面,顶面最小。

在输入和输出端面中靠近中间轴附近振动噪声相对其它部位较大。

图4为实验测得在输入和输出端面声强噪声信号的频谱图,从频谱图上看出,在频率为485H z 、和575Hz 处(这与箱体第3阶和第6阶固有频率相近)噪声声强信号最大,说明了该减速器在此频率处的噪声在总噪声级中占据了主导地位,与用声强法测试出的在500Hz 处声功率级最大结论一致。

说明该减速器振动噪声发生在500Hz 左右,与高阶频率(如啮合频率等)影响较小,表明导致减速器振动噪声的主要原因是齿轮在稳定旋转过程中,因非均匀分布的缺陷,在周期性脉冲力作用下产生高阶谐波频率,并由调频作用而产生的边频带。

提高制造、安装精度,进行动平衡设计,是减小其振动噪声的主要途径。

5 结论三环减速器具有三相并列双曲柄机构,因制造、安装误差及机构受载后的变形,导致机构的不平衡,使减速器在运转过程中产生振动噪声。

在对三环减速器基本结构型式和传动机理进行分析研究的基础上,利用声强法对传动比为49.5的SH Q50三环减速器表面噪声分布进行了比较详细的试验分析,绘制了该机输入和输出面、输入和输出侧面及顶面的三维声强分布图和等值线图。

结合测点频谱图,得出其噪声评价指标及产生噪声的原因和机理,为正确设计三环减速器,减小其振动和噪声提供理论依据。