CN104141768B - 非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能低噪音齿轮 - Google Patents

非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能低噪音齿轮 Download PDF

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Abstract

非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能低噪音齿轮，涉及齿轮。设有齿轮本体、齿轮减重孔、减重孔凹槽、高表面粘滞阻力高分子颗粒、低表面恢复系数颗粒、高聚合物薄膜、低表面恢复系数颗粒固定器、减重孔密封板；所述减重孔凹槽设在齿轮减重孔内，在减重孔凹槽内放置1粒低表面恢复系数颗粒和至少2粒高表面粘滞阻力高分子颗粒，在每个齿轮减重孔上设有1个低表面恢复系数颗粒固定器，齿轮减重孔由减重孔密封板密封，高表面粘滞阻力高分子颗粒包覆高聚合物薄膜；在圆周向相邻低表面恢复系数颗粒之间留有间隙δ1，在轴向相邻低表面恢复系数颗粒之间留有间隙δ2。

Description

非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能低噪音齿轮
技术领域
本发明涉及齿轮，尤其是涉及一种非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能低噪音齿轮。
背景技术
齿轮的噪音主要来源是齿轮啮合时单齿、双齿或三齿交替啮合产生的冲击，这种时变啮合刚度带来的振动无法消除，只能尽力去抑制。高速度、高输出扭矩是齿轮传动的发展趋势，但高速和高扭矩会大幅增加时变啮合刚度产生的冲击，从而增加了传动噪音，降低了装备性能和操作人员的舒适性，制约了齿轮传动高速、高扭矩的发展。
目前，控制齿轮传动噪音主要有齿面修形等设计方法(LitvinF.L.，VecchiatoD.，YukishimaK.Reductionofnoiseofloadedandunloadedmisalignedgeardrives[J].ComputerMethodsinAppliedMechanicsandEngineering，2006，195:5523-5536.)，但修形需要对不同齿轮参数进行大量计算，微小的误差会导致齿轮传动噪音不降反升，同时修形需要在特殊齿轮设备上增加制造工序和制造时间，导致制造成本大幅上升。
发明内容
本发明的目的在于提供适用于齿轮传动高温、腐蚀的恶劣环境，能有效解决高速度、高输出扭矩齿轮传动的噪音问题的一种非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能低噪音齿轮。
本发明设有齿轮本体、齿轮减重孔、减重孔凹槽、高表面粘滞阻力高分子颗粒、低表面恢复系数颗粒、高聚合物薄膜、低表面恢复系数颗粒固定器、减重孔密封板；
所述减重孔凹槽设在齿轮减重孔内，在减重孔凹槽内放置1粒低表面恢复系数颗粒和至少2粒高表面粘滞阻力高分子颗粒，在每个齿轮减重孔上设有1个低表面恢复系数颗粒固定器，齿轮减重孔由减重孔密封板密封，所述高表面粘滞阻力高分子颗粒包覆高聚合物薄膜；在圆周向相邻低表面恢复系数颗粒之间留有间隙δ1，在轴向相邻低表面恢复系数颗粒之间留有间隙δ2。
所述减重孔凹槽的宽度L1可为0.91～0.95d，d为表面恢复系数颗粒的直径，凹槽深度h1为0.19～0.24d，凹槽内填放的高表面粘滞阻力高分子颗粒距表面的深度h2为0.075～0.083d。
所述间隙δ1可为0.05～0.19d，所述间隙δ2可为0.09～0.22d，间隙过大会导致低表面恢复系数颗粒发生非弹性碰撞的频率降低，间隙过小会影响低表面恢复系数颗粒非弹性碰撞的压缩阶段和恢复阶段的冲量衰减，因此凹槽的加工精度、低表面恢复系数颗粒的形状精度等的公差范围须满足低表面恢复系数颗粒之间的间隙。
所述高表面粘滞阻力高分子颗粒可采用互穿网络型聚合物，互穿网络型聚合物通过双网络之间相互交叉渗透、机械缠结而产生强迫互容和协同效应的一种综合性能良好的甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿聚合物高分子材料，高表面粘滞阻力高分子颗粒的粒径可为0.1～0.3mm。
所述高聚合物薄膜可采用聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，高聚合物薄膜的厚度可为0.2～0.5mm。
所述低表面恢复系数颗粒可采用金属颗粒外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿网络型聚合物，金属颗粒的密度可为4.3～18.3g/cm3，低表面恢复系数颗粒的粒径d为0.067D≤d≤0.42D，D为齿轮减重孔直径，包覆的甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿网络型聚合物的厚度可为0.15～0.3mm。
低表面恢复系数颗粒固定器的表面依据低表面恢复系数颗粒的粒径和数量加工出安装槽，安装槽宽度L2可为0.263d+3δ1≤L2≤0.263d+3.8δ1。
所述齿轮密封板可由2片组成，在齿轮本体和齿轮密封板上均匀加工出2～8个孔，装好耦合耗能颗粒后，用螺栓将2片齿轮密封板固定在齿轮上，以起到密封作用。
由于在齿轮每个减重孔内设置多个耦合耗能颗粒，低表面恢复系数颗粒和高表面粘滞阻力高分子颗粒体系进行高频率的非弹性碰撞和滚动粘滞阻力耦合耗能，从而使得齿轮周向振动、轴向振动和径向振动被迅速抑制，耗能因子高，抑振效果明显，有效降低了齿轮在高速度和高扭矩传动时的振动和噪音。
齿轮的径向振动、周向振动和轴向振动传递到齿轮减重孔后，在减重孔凹槽内低表面恢复系数颗粒在高表面粘滞阻力高分子颗粒中进行滚动，这个过程的粘滞阻力耗散了20％～40％的动能，齿轮振动位移越大，粘滞阻力耗散能量越多。当齿轮传递过来的能量不大时，依靠低表面恢复系数颗粒在高表面粘滞阻力高分子颗粒上滚动产生的粘滞阻力即可将动能耗散；当振动能量大于粘滞阻力耗散能量时，相邻的低表面恢复系数颗粒以高碰撞频率、低恢复系数发生非弹性碰撞，通过3～5个低表面恢复系数颗粒能迅速将传递来的动能耗散40％～60％。为兼顾低表面恢复系数颗粒发生非弹性碰撞的频率和碰撞压缩阶段、恢复阶段的冲量衰减，通过离散元计算，在圆周向相邻低表面恢复系数颗粒之间保留一个必要的间隙δ1，在轴向相邻低表面恢复系数颗粒之间保留一个必要的间隙δ2。同时用高聚合物制作的薄膜将高表面粘滞阻力高分子颗粒包覆住，按一定的深度放置在齿轮减重孔的凹槽内。由于在齿轮每个减重孔内设置多个耦合耗能颗粒，低表面恢复系数颗粒和高表面粘滞阻力高分子颗粒体系进行高频率的非弹性碰撞和滚动粘滞阻力耦合耗能，从而使得齿轮周向振动、轴向振动和径向振动被迅速抑制，耗能因子高，抑振效果明显，有效降低了齿轮在高速度和高扭矩传动时的振动和噪音。
在齿轮高速旋转时，轮齿的时变啮合刚度引起的冲击传递到齿轮轴上，引起齿轮和轴的径向振动、周向振动轴向振动等，并传递到轴承、箱壳等零件，引发整机较大的振动和噪音。而齿轮减重孔正处于轮齿和轴的中间位置，距离振源最近，在这个位置通过颗粒非弹性碰撞和滚动粘滞阻力耦合耗能，能在振动传递路径上有效抑制齿轮和轴的径向振动、周向振动和轴向振动，大幅降低对轴承、箱壳等外部零件的振动辐射，从而能明显降低齿轮传动的噪音。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明能将齿轮时变啮合刚度产生的周向振动、轴向振动和径向振动能量迅速逐级耗散，耗能因子高，抑振效果明显，有效降低了齿轮在高速度和高扭矩传动时的振动和噪音。
(2)本发明对齿轮结构改动小，附加成本较低，易于实行。
(3)本发明采用的低表面恢复系数颗粒以金属材料为基材，外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿聚合物，低表面恢复系数颗粒强度高、不易腐蚀、寿命长，可长期使用。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成示意图；
图2为齿轮减重孔内部安装的凹槽位置俯视图；
图3为图2的A-A剖视图；
图4为图2的C部分放大图；
图5为齿轮减重孔内部安装的低表面恢复系数颗粒固定器的剖视图；
图6为齿轮减重孔密封板示意图；
图7为传统齿轮与采用本发明后频响函数对比曲线。图中标记◆为传统齿轮，■为本发明。
图中各标记为：1—齿轮本体，2—齿轮减重孔，3—减重孔凹槽，4—高表面粘滞阻力高分子颗粒，5—低表面恢复系数颗粒，6—高聚合物薄膜，7—低表面恢复系数颗粒固定器，8—减重孔密封板。
具体实施方式
参见图1～7，本发明实施例设有齿轮本体1、齿轮减重孔2、减重孔凹槽3、高表面粘滞阻力高分子颗粒4、低表面恢复系数颗粒5、高聚合物薄膜6、低表面恢复系数颗粒固定器7、减重孔密封板8。
所述减重孔凹槽3设在齿轮减重孔2内，在减重孔凹槽3内放置1粒低表面恢复系数颗粒5和至少2粒高表面粘滞阻力高分子颗粒4，在每个齿轮减重孔2上设有1个低表面恢复系数颗粒固定器7，齿轮减重孔2由减重孔密封板8密封，所述高表面粘滞阻力高分子颗粒4包覆高聚合物薄膜6；在圆周向相邻低表面恢复系数颗粒5之间留有间隙δ1，在轴向相邻低表面恢复系数颗粒5之间留有间隙δ2。
所述减重孔凹槽3的宽度L1可为0.91～0.95d，d为表面恢复系数颗粒5的直径，凹槽深度h1为0.19～0.24d，凹槽内填放的高表面粘滞阻力高分子颗粒4距表面的深度h2为0.075～0.083d。
所述间隙δ1可为0.05～0.19d，所述间隙δ2可为0.09～0.22d，间隙过大会导致低表面恢复系数颗粒发生非弹性碰撞的频率降低，间隙过小会影响低表面恢复系数颗粒非弹性碰撞的压缩阶段和恢复阶段的冲量衰减，因此凹槽的加工精度、低表面恢复系数颗粒的形状精度等的公差范围须满足低表面恢复系数颗粒之间的间隙。
所述高表面粘滞阻力高分子颗粒4可采用互穿网络型聚合物，互穿网络型聚合物通过双网络之间相互交叉渗透、机械缠结而产生强迫互容和协同效应的一种综合性能良好的甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿聚合物高分子材料，高表面粘滞阻力高分子颗粒4的粒径可为0.1～0.3mm。
所述高聚合物薄膜6可采用聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，高聚合物薄膜的厚度可为0.2～0.5mm。
所述低表面恢复系数颗粒5可采用金属颗粒外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿网络型聚合物，金属颗粒的密度可为4.3-18.3g/cm3，低表面恢复系数颗粒5的粒径d为0.067D≤d≤0.42D，D为齿轮减重孔直径，包覆的甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿网络型聚合物的厚度可为0.15～0.3mm。
低表面恢复系数颗粒固定器7的表面依据低表面恢复系数颗粒5的粒径和数量加工出安装槽，安装槽宽度L2可为0.263d+3δ1≤L2≤0.263d+3.8δ1。
所述齿轮密封板8可由2片组成，在齿轮本体和齿轮密封板上均匀加工出2～8个孔，装好耦合耗能颗粒后，用螺栓将2片齿轮密封板固定在齿轮上，以起到密封作用。
齿轮本体1的参数如下：模数m＝7mm，齿数Z＝30，压力角α＝20°，齿宽B＝40mm；齿轮减重孔设8个，直径D＝30mm，轴径50mm，齿轮工作转速50～1500r/min，输出扭矩小于350Nm，经过离散元计算，在齿轮减重孔2内部加工出周向12个、轴向15个(按图2和3位置排布)的凹槽3，凹槽宽度L1为5.5mm，凹槽深度h1为1.2mm。凹槽内填放的高表面粘滞阻力高分子颗粒4距表面的深度h2为0.5mm，高表面粘滞阻力高分子颗粒4的材质为互穿网络型聚合物，该聚合物通过双网络之间相互交叉渗透、机械缠结而产生强迫互容和协同效应的一种综合性能良好的高分子材料，颗粒粒径为0.2mm，包覆高表面粘滞阻力高分子颗粒4的高聚合物薄膜6为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，厚度为0.4mm。低表面恢复系数颗粒5的材质为金属颗粒外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿聚合物，金属颗粒的密度为7.3g/cm3，低表面恢复系数颗粒5的粒径d为6mm，包覆的聚合物厚度为0.2mm。在每个齿轮减重孔2上安装一个低表面恢复系数颗粒固定器7，低表面恢复系数颗粒固定器7的表面加工出12个安装槽，如图5所示，槽宽L2为2.8mm，厚度3mm。经离散元计算，在圆周向相邻低表面恢复系数颗粒5间隙δ1为0.4mm，在轴向相邻低表面恢复系数颗粒5间隙δ2为0.9mm，凹槽3的加工精度、低表面恢复系数颗粒5的形状精度等的公差范围须满足低表面恢复系数颗粒之间的间隙δ。齿轮密封板8由两片组成，在齿轮本体和齿轮密封板上均匀加工出4个孔(如图6所示)，在齿轮减重孔内安装好耦合耗能颗粒和固定器后，用螺栓将两个齿轮密封板固定在齿轮上，以起到密封作用。
在齿轮高速旋转时，在齿轮减重孔通过颗粒非弹性碰撞和滚动粘滞阻力耦合耗能，能在振动传递路径上有效抑制齿轮和轴的径向振动、周向振动和轴向振动，大幅降低对轴承、箱壳等外部零件的振动辐射，从而能明显降低齿轮传动的噪音。
对本发明齿轮和传统齿轮进行稳定性和噪音加载实验对比，转速范围为100～1100r/min，输出扭矩为270Nm，图7为传统齿轮与采用本发明的方法后加速度幅值对比曲线。在100～500r/min低转速范围内，本发明比传统齿轮的加速度幅值下降13％～42％，噪音值下降了5～9dB；在500～900r/min中转速范围内，本发明比传统齿轮的加速度幅值下降22％～51％，噪音值下降了7～12dB；在900～1100r/min较高转速范围内，本发明比传统齿轮的加速度幅值下降54％～63％，噪音值下降了11～30dB。由此可以看出，采用本发明后，通过低表面恢复系数颗粒5的低恢复系数非弹性碰撞和高表面粘滞阻力高分子颗粒4的粘滞阻力的耦合耗能将齿轮冲击传递来的径向振动、周向振动和轴向振动能量迅速逐级耗散，大幅降低对轴承、箱壳等外部零件的振动辐射，有效提升了齿轮传动系统稳定性并降低了噪音。
根据齿轮模数、齿数、齿宽、轴径、减重孔特性、转速和负载，经离散元计算等条件，经离散元计算，减重孔上的凹槽3的排布与上述条件相关，凹槽3的位置如图2和3所示，在振动传递到低表面恢复系数颗粒5后，速度的衰减如下式所示：
v n = Π i = 2 n μ p m i - 1 [ 1 + e ( i - 1 ) i ] m i + m i - 1 · v 1
式中，mi为低表面恢复系数颗粒的质量，ei为低表面恢复系数颗粒的恢复系数，v1为低表面恢复系数颗粒初速度，vn为第n个低表面恢复系数颗粒初速度，μp为动力学粘滞系数。
每个低表面恢复系数颗粒周围都有分布均匀的4个低表面恢复系数颗粒，通过3～5个低表面恢复系数颗粒低恢复系数的非弹性碰撞和高表面粘滞阻力高分子颗粒的粘滞阻力的耦合耗能后，能量可降低85％以上，能迅速抑制齿轮振动。

Claims (9)

1.非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能低噪音齿轮，其特征在于设有齿轮本体、齿轮减重孔、减重孔凹槽、高表面粘滞阻力高分子颗粒、低表面恢复系数颗粒、高聚合物薄膜、低表面恢复系数颗粒固定器、减重孔密封板；
所述减重孔凹槽设在齿轮减重孔内，在减重孔凹槽内放置1粒低表面恢复系数颗粒和至少2粒高表面粘滞阻力高分子颗粒，在每个齿轮减重孔上设有1个低表面恢复系数颗粒固定器，齿轮减重孔由减重孔密封板密封，所述高表面粘滞阻力高分子颗粒包覆高聚合物薄膜；在圆周向相邻低表面恢复系数颗粒之间留有间隙δ1，在轴向相邻低表面恢复系数颗粒之间留有间隙δ2。
2.如权利要求1所述非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能低噪音齿轮，其特征在于所述减重孔凹槽的宽度L1为0.91～0.95d，d为低表面恢复系数颗粒的直径，凹槽深度h1为0.19～0.24d，凹槽内填放的高表面粘滞阻力高分子颗粒距表面的深度h2为0.075～0.083d。
3.如权利要求1所述非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能低噪音齿轮，其特征在于所述间隙δ1为0.05～0.19d，所述间隙δ2为0.09～0.22d，d为低表面恢复系数颗粒的直径。
4.如权利要求1所述非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能低噪音齿轮，其特征在于所述高表面粘滞阻力高分子颗粒为互穿网络型聚合物。
5.如权利要求4所述非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能低噪音齿轮，其特征在于所述互穿网络型聚合物是通过双网络之间相互交叉渗透、机械缠结而产生强迫互容和协同效应的甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿聚合物高分子材料，高表面粘滞阻力高分子颗粒的粒径为0.1～0.3mm。
6.如权利要求1所述非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能低噪音齿轮，其特征在于所述低表面恢复系数颗粒采用金属颗粒外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿网络型聚合物，金属颗粒的密度为4.3～18.3g/cm3，低表面恢复系数颗粒的粒径d为0.067D≤d≤0.42D，D为齿轮减重孔直径。
7.如权利要求6所述非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能低噪音齿轮，其特征在于所述包覆的甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿网络型聚合物的厚度为0.15～0.3mm。
8.如权利要求1所述非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能低噪音齿轮，其特征在于低表面恢复系数颗粒固定器的表面依据低表面恢复系数颗粒的粒径和数量加工出安装槽，安装槽宽度L2为0.263d+3δ1≤L2≤0.263d+3.8δ1，d为低表面恢复系数颗粒的直径。
9.如权利要求1所述非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能低噪音齿轮，其特征在于所述减重孔密封板由2片组成，在齿轮本体和减重孔密封板上均匀加工出2～8个孔，装好耦合耗能颗粒后，用螺栓将2片减重孔密封板固定在齿轮上，以起到密封作用。
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