CN111306258B - 一种自适应变啮合间隙齿轮传动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应变啮合间隙齿轮传动装置及方法。该装置包括主动轴、从动轴，主动轴上安装有主动齿轮，从动轴上安装有与主动齿轮啮合的从动齿轮，主动齿轮两侧的主动轴上分别安装有主动轴承，主动轴承的外圈安装有变隙阻尼环和推缸，变隙阻尼环为包括内环和外环的环形结构，在内环和外环之间设有四个两两对称交错布置，且处于不同半径位置处的月牙形槽，推缸相对安装在变隙阻尼环的两侧，推缸的缸杆端固定安装有弧形板，弧形板与变隙阻尼环的内表面接触。本发明可以显著提高系统稳定运行工况范围，并能提高传动精度，降低振动和噪声，提高系统寿命，保证设备系统的可靠性。

Description

一种自适应变啮合间隙齿轮传动方法

技术领域

本发明涉及一种齿轮传动装置及方法，特别涉及一种啮合间隙可调节的齿轮传动装置及方法。

背景技术

在当前的齿轮传动系统中，轮齿和轮齿之间啮合传动时有一定的间隙b，该间隙的主要目的是提供润滑空间，防止出现啮合卡死现象，如图1所示。但啮合齿侧间隙15的大小对系统传动的稳定性有着决定性的作用。一定的间隙可以保证系统在一定的转速范围均可以保持稳定的工况，在其它的转速范围内可能会出现不稳定的多周期甚至混沌的运动状态，对系统产生强烈的噪声和振动。另外，随着轮齿表面的磨损加剧，会导致间隙过大，从而导致系统运动状态的改变。

图2是某齿轮传动系统在某一固定转速下和不同啮合间隙下的运动状态图。其中，横坐标为归一化的啮合间隙，纵坐标为齿轮的振动速度，也可用通过对其求导获得其加速度值，该加速度值反应了系统的振动强度。由图2可以看出系统的运动状态随着间隙的不同产生了显著的不同，具有稳定运动区域、混沌运动区域和双周期运动区域等各种运动状态。

为了让系统能够在不同的转速和负载工况下均具有稳定的运动状态，提高系统的稳定运动区域，可以通过建立系统的数学模型的方法，如图3所示，图中参数b代表齿侧间隙。分析系统在不同转速或不同负载时，使得系统处于稳定运动状态时的间隙值，从而通过实时调整其间隙，使得系统从不稳定运动状态重新过渡到稳定运动状态，从而降低齿轮传动系统的振动、噪声并提高系统的寿命。

由于系统运行时存在不稳定的工况，导致系统存在冲击问题，会显著降低齿轮的寿命和传动精度，从而影响设备的可靠性。对于高精密齿轮传动系统，尤其是对于高附加值的军舰和航空器设备，更加有必要增加附加模块，调整其啮合间隙，降低系统振动和噪声，并提高系统寿命。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种自适应变啮合间隙齿轮传动装置及方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种自适应变啮合间隙齿轮传动装置，包括主动轴、从动轴，所述主动轴上安装有主动齿轮，所述从动轴上安装有与主动齿轮啮合的从动齿轮，所述主动齿轮两侧的主动轴上分别安装有主动轴承，所述主动轴承的外圈安装有变隙阻尼环和推缸，所述变隙阻尼环为包括内环和外环的环形结构，在内环和外环之间设有四个两两对称交错布置，且处于不同半径位置处的月牙形槽，所述推缸相对安装在变隙阻尼环的两侧，推缸的缸杆端固定安装有弧形板，所述弧形板与变隙阻尼环的内表面接触。

更进一步的，还包括箱体和上箱盖，所述从动轴通过从动轴承安装于箱体和上箱盖之间，所述主动轴安装于箱体和上箱盖之间，所述从动轴与主动轴并列安装。

更进一步的，所述变隙阻尼环的内环在水平方向上具有可变形性。

更进一步的，所述上箱盖上设有观察盖，所述观察盖通过密封垫固定于从动轴与主动轴之间的上箱盖上。

一种自适应变啮合间隙齿轮传动方法，包括如下步骤：

1)启动设备；

2)通过获取安装在变隙阻尼环的箱体座上加速度传感器所测试到的加速度值，对比“加速度-间隙-液压压力”数学模型，实时分析当前运动是否是稳定运动转动，如果稳定，则无需调整间隙；

3)如果测试到的数值显示系统处于非稳定运动状态，则根据“加速度-间隙 -液压压力”数学模型的数据曲线，获得需要调节的液压压力值，调整系统压力，从而驱动推缸推动一定的位移；推缸产生的推力作用在变隙阻尼环的内侧弧面上，利用变隙阻尼环在水平方向上的柔性特点，带动变隙阻尼环的内表面推动主动轴承和主动轴向指定方向发生位移，该位移直接影响主动齿轮和从动齿轮的啮合间隙。

4)从动态监测到的加速度值，分析间隙调整后的运动状态，如果在稳定范围内，则保持系统压力，如果尚未达到稳定范围，则微调压力，直到加速度值在设定范围内。

更进一步的，所述“加速度-间隙-液压压力”数学关系模型的建立方法为：

2-1)建立传动系统数学模型，获得运动稳定性特征图，分析其在不同啮合间隙下的运动状态，以及在非稳定运动状态下，需要调整的间隙量，并形成“加速度-间隙”关系曲线图；

2-2)根据设计的阻尼环结构，通过有限元分析，获得其在不同液压压力下所能产生的位移量，并形成“位移-液压压力”关系曲线图，所述曲线图等效于“间隙-液压压力”关系曲线图；

2-3)根据实验，验证基于有限元分析获得的“间隙-液压压力”关系曲线图，并对其进行修正，获得准确的关系曲线；

2-4)结合2-1)和2-3)，获得“加速度-间隙-液压压力”的数学关系模型。

本发明具有如下有益效果：

本发明通过建立齿轮传动系统的数学模型，分析系统在额定设计齿侧间隙下，以及不同转速和不同负载下的非稳定运动区间，并研究这些不稳定运动区间转变为稳定运动区间时系统所需齿侧间隙值；利用电液伺服控制系统驱动间隙柔性阻尼可调机构，实现齿轮啮合间隙的定量调节，从而将系统的不稳定运动转变为稳定运动；基于数学模型、有限元分析方法和实验修正，建立间隙柔性可调机构在电液伺服控制下的“振动加速度-啮合间隙-液压压力”的数学模型，从而实现啮合间隙的精准调节；利用实时动态测量的动态数据，将实时测试数据对比“振动加速度-啮合间隙-液压压力”的系统数学模型，动态调节系统液压压力，实现稳定运动参数的快速适配，避免滞后现象。

本发明可以显著提高系统稳定运行工况范围，并能提高传动精度，降低振动和噪声，提高系统寿命，保证设备系统的可靠性。

附图说明

图1是齿轮啮合及齿侧间隙图；

图2是不同啮合间隙下的系统运动状态变化图；

图3是齿轮传动系统的数学模型图；

图4是齿轮箱总成图；

图5是齿轮箱分解图；

图6是传动系统总成立体图；

图7是传动系统总成平面图；

图8是轴-轴承-阻尼环-推缸系统图；

图9是阻尼环-推缸系统立体图；

图10是阻尼环-推缸系统平面图；

图11是阻尼环零件图；

图12是水平方向受力变形图；

图13是自适应间隙单参数调节方法示意图。

图中标记：1、大端盖；2、小端盖；3、箱体；4、变隙阻尼环；5、推缸；6、从动轴承；7、主动轴承；8、从动轴；9、从动齿轮；10、主动齿轮；11、主动轴；12、上箱盖；13、观察盖；14、密封垫；15、齿侧间隙。

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4为某带柔性高阻尼可调间隙结构的一级齿轮箱的总成图，其外部结构主要包括盖板、箱体、大端盖、小端盖和轴等主要部件组成。

图5为该齿轮箱的分解图，主要由驱动齿轮-轴系统、从动齿轮-轴系统和箱体总成这三大部分组成。其中，驱动齿轮-轴系统包括小端盖2、变隙阻尼环4、推缸5、主动轴承7、主动齿轮10、主动轴11；从动齿轮-轴系统包括大端盖1、从动轴承6、从动轴8和从动齿轮9。箱体总成包括箱体3、上箱盖12、观察盖 13和密封垫14。

由于驱动齿轮-轴系统端输入速度高，负载低，齿轮和轴的占用空间小，另外考虑到调整间隙时，只需要调整一侧齿轮轴的位置即可以实现，故在本设计中选择对驱动齿轮进行位置调整，实现啮合间隙的改变。

图5中，主动齿轮10通过键安装在主动轴11上，在不考虑变间隙功能的情况下，齿轮10的两端通过轴承7直接与箱体3和上箱盖12安装在一起。当考虑变间隙功能时，需要在主动轴承7的外圈安装变隙阻尼环7和推缸5。4个推缸 5分别水平安装固定在箱体3的两侧阻尼环4的两边，推缸5的缸杆端固定安装一个弧形板，该弧形板与阻尼环4的个内表面接触在一起。该液压缸5具有两个作用，第一是当需要调整间隙时，通过调整推缸5的液压压力，从而推动阻尼环 4的内圈发生位移，进而改变间隙。第二是当需要保持主动轴11的位置和刚度时，具备辅助支撑的作用。

图6是齿轮箱内部传动系统的总成立体图，图7是传动系统总成平面图，图8是轴-轴承-阻尼环-推缸系统的安装平面图，图9是阻尼环-推缸系统的立体图，图10是阻尼环-推缸系统的平面图，图11是阻尼环的零件图。由图6-图11可以看出变隙调整系统的安装和作用方式。

需要注意的是，阻尼环4的结构设计特点可以确保其内环在水平方向上具有较大的柔性，即可变形性，其材质可以用常规钢材，也可以使用具有较强阻尼效应且能更好抑制系统振动的高阻尼高锰基合金材料，如M2052等。

结合图10和图11可知，阻尼环4本质上是一个环形结构，在其环形结构中有四个两两对称交错布置，且处于不同半径位置处的月牙形槽，该该月牙形槽的结构设计需要兼顾系统的间隙调整能力、轴的支承刚度和强度等多方面的问题，设计和参数选择方法如下：

(1)提取该月牙形槽的基本形状设计参数[P1,P2,P3...Pn]；

(2)基于间隙调整能力要求下，计算各设计参数的可变范围 [x1,x2,x3...xn]；

(3)基于支承刚度能力要求下，计算各设计参数的可变范围 [y1,y2,y3...yn]；

(4)基于强度因素要求下，计算各设计参数的可变范围[z1,z2,z3...zn]；

(5)将(2)、(3)和(4)所获得的参数在其可变范围求交集P，即 P＝[x1,x2,x3...xn]∩[y1,y2,y3...yn]∩[z1,z2,z3...zn]；

(6)基于实际生产成本的角度考虑，选择P中一组参数对阻尼环4进行详细结构设计。

推缸5的缸杆推力面作用在阻尼环4的内侧月牙形槽面上，当调整间隙时，推缸5产生的推力作用在阻尼环4的内侧弧面上，利用阻尼环4在水平方向上的柔性特点，带动阻尼环4的内表面推动轴承7和轴11向指定方向发生位移，该位移会直接影响主动齿轮10和从动齿轮9的啮合间隙。

图12为基于有限元分析得到的轴承7和轴11在推缸5的作用下产生的位移云图，可以看出在右侧推缸的作用下，轴承7和轴11向左侧产生了一定的位移，该位移会改变主动轴12和从动轴8的中心距，从而影响啮合间隙，从而改变系统的运动稳定性。

为了能够使得系统具备自适应调整间隙并保证运动状态的稳定性的能力，需要建立“加速度-间隙-液压压力”数学关系模型，该数学模型的建立方法如下：

(1)建立图3所示的传动系统数学模型，获得图2；所示的运动稳定性特征图，分析其在不同啮合间隙下的运动状态，以及在非稳定运动状态下，需要调整的间隙量，并形成“加速度-间隙”关系曲线图；

(2)根据设计的阻尼环结构，通过有限元分析，获得其在不同液压压力下所能产生的位移量，并形成“位移-液压压力”关系曲线图，由于此处获得的位移本质上一一映射对应于啮合间隙，故此曲线图等效于“间隙-液压压力”关系曲线图；

(3)根据实验，验证基于有限元分析获得的“间隙-液压压力”关系曲线图，并对其进行修正，获得准确的关系曲线；

(4)结合(1)和(3)，获得“加速度-间隙-液压压力”的数学关系模型。

图13为系统自适应间隙单参数调节模块，其控制原理和方法如下：

(1)启动设备；

(2)通过获取安装在阻尼环4的箱体座上加速度传感器所测试到的加速度值，对比“加速度-间隙-液压压力”数学模型，实时分析当前运动是否是稳定运动转动，如果稳定，则无需调整间隙；

(3)如果测试到的数值显示系统处于非稳定运动状态，则根据“加速度- 间隙-液压压力”数学模型的数据曲线，获得需要调节的液压压力值，通过电液伺服控制模块，调整系统压力，从而驱动推缸推动一定的位移；

(4)从动态监测到的加速度值，分析间隙调整后的运动状态，如果在稳定范围内，则通过电液伺服控制模块保持系统压力、如果尚未达到，则系统自动微调压力，直到加速度值在设定范围内；

(5)至此，系统完成了一次自适应调整过程；

(6)当外部工况改变导致系统再次处于非稳定状态时，系统会自动根据测试到的加速度数据，对比加速度-间隙-液压压力数学模型，控制电液伺服模块控制液压系统的压力稳定在所需的压力值。

综上所述，本发明的装置及方法消除了系统在某些工况和载荷下，由于不稳定运动状态产生的高噪声高振动问题。

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 (2)

1.一种自适应变啮合间隙齿轮传动方法，所述方法基于一种自适应变啮合间隙齿轮传动装置，该装置包括主动轴（11）、从动轴（8），所述主动轴（11）上安装有主动齿轮（10），所述从动轴（8）上安装有与主动齿轮（10）啮合的从动齿轮（9），所述主动齿轮（10）两侧的主动轴（11）上分别安装有主动轴承（7），其特征在于：所述主动轴承（7）的外圈安装有变隙阻尼环（4）和推缸（5），所述变隙阻尼环（4）为包括内环和外环的环形结构，在内环和外环之间设有四个两两对称交错布置，且处于不同半径位置处的月牙形槽，所述推缸（5）相对安装在变隙阻尼环（4）的两侧，推缸（5）的缸杆端固定安装有弧形板，所述弧形板与变隙阻尼环（4）的内表面接触；所述方法包括如下步骤：

1）启动设备；

2）通过获取安装在变隙阻尼环（4）的箱体座上加速度传感器所测试到的加速度值，对比“加速度-间隙-液压压力”数学模型，实时分析当前运动是否是稳定运动转动，如果稳定，则无需调整间隙；

3）如果测试到的数值显示系统处于非稳定运动状态，则根据“加速度-间隙-液压压力”数学模型的数据曲线，获得需要调节的液压压力值，调整系统压力，从而驱动推缸推动一定的位移；推缸（5）产生的推力作用在变隙阻尼环（4）的内侧弧面上，利用变隙阻尼环（4）在水平方向上的柔性特点，带动变隙阻尼环（4）的内表面推动主动轴承（7）和主动轴（11）向指定方向发生位移，该位移直接影响主动齿轮（10）和从动齿轮（9）的啮合间隙；

4）从动态监测到的加速度值，分析间隙调整后的运动状态，如果在稳定范围内，则保持系统压力，如果尚未达到稳定范围，则微调压力，直到加速度值在设定范围内。

2.根据权利要求1所述的一种自适应变啮合间隙齿轮传动方法，其特征在于：所述“加速度-间隙-液压压力”数学模型的建立方法为：

2-1）建立传动系统数学模型，获得运动稳定性特征图，分析其在不同啮合间隙下的运动状态，以及在非稳定运动状态下，需要调整的间隙量，并形成“加速度-间隙”关系曲线图；

2-2）根据设计的阻尼环结构，通过有限元分析，获得其在不同液压压力下所能产生的位移量，并形成“位移-液压压力”关系曲线图，所述曲线图等效于“间隙-液压压力”关系曲线图；

2-3）根据实验，验证基于有限元分析获得的“间隙-液压压力”关系曲线图，并对其进行修正，获得准确的关系曲线；

2-4）结合2-1）和2-3），获得“加速度-间隙-液压压力”的数学模型。

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