CN111288148A - 一种高阻尼双频率动力减振齿轮传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高阻尼双频率动力减振齿轮传动装置，包括啮合频率减振机构和轴动转频减振机构；啮合频率减振机构包括第一压簧、导杆和质量块，质量块套设于导杆上，导杆的两端固定于一对支撑架上，第一压簧设置于质量块和支撑架之间；轴动转频减振机构包括质量块、轴承、第二压簧，质量块套装于轴承外部，轴承的内圈安装在底座的轴承安装套上，质量块的内侧设置有上压簧座和下压簧座，中压簧座设置于上压簧座和下压簧座之间，第二压簧设置于中压簧座与上压簧座之间、以及中压簧座与下压簧座之间。本发明能在系统处于额定运转工况下，显著降低齿轮传动系统中因为齿轮啮合振动和轴的旋转振动导致的中高频振动和噪声问题。

Description

一种高阻尼双频率动力减振齿轮传动装置

技术领域

本发明涉及一种齿轮传动装置，特别涉及一种具有动力减振功能的齿轮传动装置。

背景技术

齿轮箱的振动和噪声问题由来已久，至今尚未得到较好的解决。在民用领域的产品中，其直接影响着设备运行的稳定性和可靠性。而在军用领域，其作用更为重要。以舰艇为例，齿轮箱的振动和噪声水平直接决定着其传播距离，也就意味着被敌方探测到的距离。振动和噪声越大，则越容易被敌方探测到，反之，如果敌方舰艇的噪声振动越小，则我方越难以探测到。故不管是在民用领域还是军用领域，如何降低传动系统的振动和噪声是所有动力传动系统都均需急迫解决的问题。

齿轮传动系统中的振动和噪声主要来源于轮齿在啮合时产生的振动以及齿轮轴在旋转时产生的振动，这两个振源通过齿轮箱箱体传播出去，从而导致了系统在运行时出现较强的振动和噪声问题。

发明内容

本发明的目的是在系统处于额定运转工况下，显著降低齿轮传动系统中因为齿轮啮合振动和轴的旋转振动导致的中高频振动和噪声问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种高阻尼双频率动力减振齿轮传动装置，包括主动轴、从动轴、可绕主动轴旋转的主动齿轮、与主动齿轮相啮合的可绕从动轴旋转的从动齿轮，所述从动齿轮的腹板上固定安装有套设于从动轴上的底座，所述底座上安装有啮合频率减振机构和轴动转频减振机构；所述底座上绕圆周方向固定设置若干对支撑架，所述啮合频率减振机构包括第一压簧、导杆和质量块，所述质量块套设于导杆上，所述导杆的两端固定于一对支撑架上，所述第一压簧设置于质量块和支撑架之间；所述底座的中间位置固定设置有轴承安装套，所述轴承安装套与底座交界的位置设置有若干块加强板，所述加强板上设置有中压簧座，所述轴动转频减振机构包括质量块、轴承、第二压簧，所述质量块套装于轴承外部，轴承的内圈安装在底座的轴承安装套上，所述质量块的内侧设置有上压簧座和下压簧座，所述中压簧座设置于上压簧座和下压簧座之间，所述第二压簧设置于中压簧座与上压簧座之间、以及中压簧座与下压簧座之间。

更进一步的，包括四个啮合频率减振机构，所述四个啮合频率减振机构沿从动轴中心对称布置。

更进一步的，所述质量块只具有绕其轴心旋转的自由度，且质量块绕其轴心方向上的旋转角度受到第二压簧的限制。

更进一步的，所述加强板设置有若干个，其中两个加强板相对设置，其上设置有中压簧座，其它加强板与设置有压簧座的两个加强板交错安装在底座上。

更进一步的，包括两个上压簧座和两个下压簧座，分别组合对称安装在质量块的内圈上，即一个上压簧座和一个下压簧座组合安装在一侧，另外一个上压簧座和另外一个下压簧座安装在对称位置。

更进一步的，所述轴承安装套的高度高于加强板的高度，且高出的部分与轴承的高度相同。

更进一步的，所述第一压簧和第二压簧均采用高锰基高阻尼的合金材料。

更进一步的，所述装置的最优设计尺寸参数[P,Q]_min为：

[P,Q]_min＝f([A],[B],[C],[D])

C₁:L₁≥x₁,σ₁≤σ_f,k₁,m₁

C₂:L₂≥x₂,σ₂≤σ_f,k₂,m₂

C₃:R

式中,C1、C2和C3分别表示该优化设计需要满足的条件1、条件2和条件3。

本发明具有如下有益效果：

(1)计算齿轮传动系统在额定工况下的轴动频率、啮合频率、齿轮和轴的重量，并采用齿轮-轴组合配合安装的方法，将双频率旋转动力减振模块安装在齿轮轴上，将原来属于轴和齿轮的两种不同频率的振动传递给减振模块，从而达到降低轴和齿轮的振动的目的；

(2)利用机械振动中的减振原理，并根据齿轮轴的旋转频率和轮齿的啮合频率、轴和齿轮的重量以及外部负载等参数，设计合适的减振质量块和压簧，并采用两端安装压簧的方法来适配齿轮和轴在正反转两种工况下的减振需求；

(3)给出减振质量块和压簧结构的优化设计方法，获得最优的结构设计方案，确保齿轮传动系统减振方案的紧凑性和可行性；

(4)采用高锰基高阻尼的合金材料制作减振压簧，使得振动能量能够通过高阻尼压簧耗散掉，从而实现有效减振；

(6)当额定工作转速改变时，只需要更换减振压簧，即可以适配新的工况，从而达到减振降噪的目的。

附图说明

图1是高阻尼双频率动力减振齿轮传动装置总成图；

图2是高阻尼双频率动力减振齿轮传动装置分解图；

图3是减振系统总成图；

图4是减振系统分解图；

图5是减振系统平面剖视图；

图6是沿图5中A-A方向减振系统的剖视图。

图中标记：1、主动轴；2、主动齿轮；3、从动齿轮；4、从动轴；5、主动轴承；6、从动轴承；7、底座；8、支撑架；9、中压簧座；10、加强版；11、第一压簧；12、导杆；13、质量块；14、第二压簧；15、轴承；16、质量块；17、上压簧座；18、下压簧座；19、轴承安装套；20、减振总成；201、啮合频率减振总成；202、轴动转频减振总成。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1是齿轮传动系统的总成图，可以看出系统主要有主动齿轮、主动轴承、主动轴、从动轴、从动轴承、从动齿轮和双频率减振总成组成。图2是系统的分解图，图中，主动轴承5、主动齿轮2和主动轴1组成驱动齿轮-轴系统，从动轴承6、从动轴4和从动齿轮3组成从动齿轮-轴系统。双频率减振模块通过螺栓安装在从动齿轮3的腹板上。

图3是减振系统的总成图，主要由啮合频率减振总成、轴动转频减振总成和底座三部分组成。图4是减振系统的分解图。由图可以看出，第一压簧11、导杆12和质量块13安装在两个支撑架8组成的安装座上，构成一个啮合频率减振总成，为了达到更好的减振效果，系统总共由四个啮合频率减振总成构成。导杆12用来限制质量块13只能在导杆的轴心方向运动，第一压簧11安装在支撑架8和质量块13之间，用来限制质量块13的最大位移量。轴承15的内圈安装在底座7的轴承安装套19上，质量块16的内圈安装在轴承15的外圈上，此时质量块16只具有绕其轴心旋转的自由度。

两个中压簧座9分别对称安装在底座7上，起到加强强度和提高第二压簧14的一个安装面的作用,底座7通过螺栓安装在从动齿轮3的腹板上。另外两个加强版10与中压簧座9交错对称安装在底座7上，只起到加强强度的作用。两个上压簧座17和两个下压簧座18分别组合对称安装在质量块的内圈上，即上压簧座17和下压簧座18组合安装在一侧，另外两个安装在对称位置。第二压簧14分别安装在上压簧座17和中压簧座9之间，以及中压簧座9和下压簧座18之间，另外两个压簧安装在对称位置。此时，质量块16绕其轴心方向上的旋转角度受到第二压簧14的限制。由质量块16、上压簧座17、下压簧座18、轴承15和中压簧座9组成了轴动频率动力减振总成。图5和图6为该减振总成的平面图和剖面图，由剖面图可以清晰看出轴动频率的安装结构和方法。

双频率控制的动力减振器的核心原理在于将作用在齿轮和轴上的振动转移给减振模块中的质量块，即实现了振动能量的转移和消耗。第一压簧11和第二压簧14均采用高锰基高阻尼合金材料制作，这样减振块的振动能量将进一步由高阻尼压簧以热能形式耗散掉。

该双频率动力减振模块的设计方法和过程如下：

(1)获取齿轮传动的额定工况转速n，单位为rpm，即每分钟的转数；

(2)获取齿轮的重量m₁、齿数z和轴的重量m₂

(3)计算得到系统的齿轮啮合频率f₁和轴动频率f₂，f₁＝n*z/60，f₂＝n/60；

(4)设计啮合频率减振质量块13的质量为m₁，轴动频率减振质量块16的质量为m₂，确保m₁和m₂的质量分别约等于齿轮重量M₁和轴的重量M₂的十分之一，即m₁≈M₁/10，m₂≈M₂/10；

(5)根据公式

和

由于f₁、f₂，m₁和m₂均为已知量，则可以通过公式计算出刚度k₁和k₂，此处刚度k₁和k₂即为第一压簧11和簧14所需要设计的刚度；

(6)假设系统输入负载扭矩为T，作用在轴上的力

其中r₁为齿轮的半径，r₂为轴的半径，从而可以得到第一压簧11和14的最大设计压缩量分别为

(7)至此，完成了爽频率动力减振模块中三大重要设计参数的计算：质量块的重量m、压簧刚度k和压簧的设计压缩量x。

最后对该减振模块进行结构优化设计，以达到尺寸最小、空间最紧凑的目的。

对于啮合频率减振模块，以啮合频率减振质量块11的半径和高度尺寸为设计变量，用[A]表示，同时以第一压簧11的长度L₁、截面长宽尺寸、压簧的内径和外径尺寸和螺距为设计变量,用[B]表示。最后以第一压簧11的长度尺寸加上质量块的高度尺寸的总长度尺寸P的最小化为优化目标，并以压簧压缩量x₁、刚度k₁、高锰基高阻尼压簧材料的疲劳强度σ_f、原有齿轮箱内的轴承-轴-齿轮系统的内部可用空间尺寸R和质量块的重量m₁为边界条件。

对于转轴减振模块，以环形回转质量块16的内径、外径和厚度尺寸为设计变量，用[C]表示，同时以第二压簧14的长度L₂、截面长宽尺寸、外径尺寸和螺距为设计变量,用[D]表示。最后以回转质量块16的外径为直径、厚度为高度构成的圆柱体积Q的最小化为优化目标，并以压簧的压缩量x₂、刚度k₂、压簧阻尼合金材料的疲劳强度σ_f、原有齿轮箱内的轴承-轴-齿轮系统的内部可用空间尺寸R和质量块的重量m₂为边界条件。

基于以上分析，通过优化设计，获得最优设计尺寸参数[P,Q]_min。用公式可表示如下:

[P,Q]_min＝f([A],[B],[C],[D])

C₁:L₁≥x₁,σ₁≤σ_f,k₁,m₁

C₂:L₂≥x₂,σ₂≤σ_f,k₂,m₂

C₃:R

式中,C₁、C₂和C₃分别表示该优化设计需要满足的条件1、条件2和条件3。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高阻尼双频率动力减振齿轮传动装置，包括主动轴(1)、从动轴(4)、可绕主动轴(1)旋转的主动齿轮(2)、与主动齿轮相啮合的可绕从动轴(4)旋转的从动齿轮(3)，其特征在于：所述从动齿轮(3)的腹板上固定安装有套设于从动轴(4)上的底座(7)，所述底座(7)上安装有啮合频率减振机构和轴动转频减振机构；所述底座(7)上绕圆周方向固定设置若干对支撑架(8)，所述啮合频率减振机构包括第一压簧(11)、导杆(12)和质量块(13)，所述质量块(13)套设于导杆(12)上，所述导杆(12)的两端固定于一对支撑架(8)上，所述第一压簧(11)设置于质量块(13)和支撑架(8)之间；所述底座(7)的中间位置固定设置有轴承安装套(19)，所述轴承安装套(19)与底座(7)交界的位置设置有若干块加强板(10)，所述加强板(10)上设置有中压簧座(9)，所述轴动转频减振机构包括质量块(16)、轴承(15)、第二压簧(14)，所述质量块(16)套装于轴承(15)外部，轴承(15)的内圈安装在底座(7)的轴承安装套(19)上，所述质量块(16)的内侧设置有上压簧座(17)和下压簧座(18)，所述中压簧座(9)设置于上压簧座(17)和下压簧座(18)之间，所述第二压簧(14)设置于中压簧座(9)与上压簧座(17)之间、以及中压簧座(9)与下压簧座(18)之间。

2.根据权利要求1所述的一种高阻尼双频率动力减振齿轮传动装置，其特征在于：包括四个啮合频率减振机构，所述四个啮合频率减振机构沿从动轴(4)中心对称布置。

3.根据权利要求1所述的一种高阻尼双频率动力减振齿轮传动装置，其特征在于：所述质量块(16)只具有绕其轴心旋转的自由度，且质量块(16)绕其轴心方向上的旋转角度受到第二压簧(14)的限制。

4.根据权利要求1所述的一种高阻尼双频率动力减振齿轮传动装置，其特征在于：所述加强板(10)设置有若干个，其中两个加强板(10)相对设置，其上设置有中压簧座(9)，其它加强板(10)与设置有压簧座(9)的两个加强板(10)交错安装在底座(7)上。

5.根据权利要求4所述的一种高阻尼双频率动力减振齿轮传动装置，其特征在于：包括两个上压簧座(17)和两个下压簧座(18)，分别组合对称安装在质量块的内圈上，即一个上压簧座(17)和一个下压簧座(18)组合安装在一侧，另外一个上压簧座(17)和另外一个下压簧座(18)安装在对称位置。

6.根据权利要求1所述的一种高阻尼双频率动力减振齿轮传动装置，其特征在于：所述轴承安装套(19)的高度高于加强板(10)的高度，且高出的部分与轴承(15)的高度相同。

7.根据权利要求1所述的一种高阻尼双频率动力减振齿轮传动装置，其特征在于：所述第一压簧(11)和第二压簧(14)均采用高锰基高阻尼的合金材料。

8.根据权利要求1所述的一种高阻尼双频率动力减振齿轮传动装置，其特征在于：所述装置的最优设计尺寸参数[P,Q]_min为：

[P,Q]_min＝f([A],[B],[C],[D])

C₁:L₁≥x₁,σ₁≤σ_f,k₁,m₁

C₂:L₂≥x₂,σ₂≤σ_f,k₂,m₂

C₃:R

式中,C₁、C₂和C₃分别表示该优化设计需要满足的条件1、条件2和条件3。

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