CN113565946A - 实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法 - Google Patents

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徐俊
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Abstract

本发明涉及齿轮箱技术领域，尤其涉及一种实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法，在齿轮箱的轮系与壳体之间设置非线性弹性支撑结构，轮系包括轴承，非线性弹性支撑结构弹性顶压于轴承的外圈端面与壳体之间。在不改变齿轮箱原有设计的前提下，通过在轴承的外圈端面与壳体之间设置非线性弹性支撑结构，能够消除轴承的外圈端面与壳体之间的间隙；同时，通过非线性弹性支撑结构的轴向压缩刚度的调节和设计，可使非线性弹性支撑结构作为壳体与轮系之间的轴向隔振元件吸收和缓冲轮系的轴向振动，隔离从齿轮轴传递到壳体的轴向振动，实现轮系与壳体之间的有效隔振，从而降低壳体表面的振动幅度，减小壳体表面的辐射噪声。

Description

实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法
技术领域
本发明涉及齿轮箱技术领域，尤其涉及一种实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法。
背景技术
齿轮箱包括壳体和轮系，轮系由齿轮、齿轮轴和轴承组成。齿轮工作过程中产生的啮合误差作为振动的激励源，通过轴承传递到齿轮箱壳体，进而引起壳体和壳体附近空气的振动，产生了辐射噪声，这种现象通常被叫做齿轮箱啸叫。为了保证齿轮的啮合精度，一般要求轴承稳定地安装在齿轮箱壳体上，轴承和齿轮箱壳体之间接触刚度很高，在这种情况下，轴承与齿轮箱壳体之间没有隔振效果，齿轮轴的振动无衰减地传递到齿轮箱壳体上，同时激起壳体的振动。
对于电驱动齿轮箱，通常使用较大螺旋角的平行轴圆柱齿轮，而螺旋角会使齿轮啮合力(激励源)产生沿着轴承轴向的分量，这个轴向分量通过轴承外圈传递到齿轮箱壳体，从而激励壳体轴向振动。齿轮箱壳体轴向刚度通常比径向刚度弱很多，会有很多阶次的沿着轴向的固有模态特征频率，所以壳体轴向更容易被激励振动。
目前的齿轮箱设计，为了保证轴承的工作状态，在轴承和壳体之间：轴承径向为间隙配合，允许齿轮轴沿着轴向滑动；轴承轴向为间隙配合(球轴承)或者过盈装配(锥轴承预紧装配)。在齿轮轴向力的作用下，轴承端面和壳体紧密接触，轴向振动将无衰减地传递到壳体上，引发振动和噪音。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法，以克服现有技术的上述缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法，在齿轮箱的轮系与壳体之间设置非线性弹性支撑结构，轮系包括轴承，非线性弹性支撑结构弹性顶压于轴承的外圈端面与壳体之间。
优选地，根据轮系的轴向刚度、壳体的轴向刚度以及隔振率目标取值范围设计非线性弹性支撑结构的轴向压缩刚度。
优选地，非线性弹性支撑结构的轴向压缩刚度为K，轮系的轴向刚度为Kg，壳体的轴向刚度为Kh，隔振率为TR且TR＝(1/Kh+1/Kg)/(1/Kh+1/K+1/Kg)，K的取值使TR满足：0.05<TR<0.25。
优选地，K的取值还满足：Kh/20<K<Kh/5。
优选地，非线性弹性支撑结构为与轴承的外圈端面相适配的环形弹性垫圈。
优选地，根据非线性弹性支撑结构的轴向压缩刚度设计非线性弹性支撑结构的厚度。
优选地，非线性弹性支撑结构采用超弹性材料制成。
与现有技术相比，本发明具有显著的进步：
本发明的实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法，在不改变齿轮箱原有设计的前提下，通过在轴承的外圈端面与壳体之间设置非线性弹性支撑结构，能够消除轴承的外圈端面与壳体之间的间隙，可以有效缓冲轮系对壳体的冲击载荷，减少金属撞击异响问题；同时，通过非线性弹性支撑结构的轴向压缩刚度的调节和设计，可使非线性弹性支撑结构作为壳体与轮系之间的轴向隔振元件吸收和缓冲轮系的轴向振动，隔离从齿轮轴传递到壳体的轴向振动，实现轮系与壳体之间的有效隔振，从而降低壳体表面的振动幅度，减小壳体表面的辐射噪声，提升齿轮箱的振动和噪音性能。
附图说明
图1是本发明实施例实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法的示意图。
图2是本发明实施例实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法中，环形弹性垫圈的主视示意图。
图3是本发明实施例实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法中，环形弹性垫圈的剖面示意图。
图4是本发明实施例实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法中，环形弹性垫圈的力-位移曲线和刚度曲线。
其中，附图标记说明如下：
1 壳体
2 轴承
21 外圈
22 内圈
3 齿轮
4 齿轮轴
5 非线性弹性支撑结构
5a 环形弹性垫圈
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1至图4所示，本发明实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法的一种实施例。参见图1，齿轮箱包括壳体1和安装在壳体1内部的轮系，轮系包括轴承2、齿轮3和齿轮轴4，齿轮3安装在齿轮轴4上，齿轮轴4通过轴承2支撑在壳体1上，轴承2的外圈21与壳体1相连接，轴承2的内圈22与齿轮轴4相连接。
参见图1，本实施例的实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法为，在齿轮箱的轮系与壳体1之间设置非线性弹性支撑结构5，非线性弹性支撑结构5弹性顶压于轴承2的外圈21端面与壳体1之间，因此，非线性弹性支撑结构5连接轴承2的外圈21端面与壳体1。
本实施例的实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法，在不改变齿轮箱原有设计的前提下，通过在轴承2的外圈21端面与壳体1之间设置非线性弹性支撑结构5，能够消除轴承2的外圈21端面与壳体1之间的间隙，可以有效缓冲轮系对壳体1的冲击载荷，减少金属撞击异响问题；同时，通过非线性弹性支撑结构5的轴向压缩刚度的调节和设计，可使非线性弹性支撑结构5作为壳体1与轮系之间的轴向隔振元件吸收和缓冲轮系的轴向振动，隔离从齿轮轴4传递到壳体1的轴向振动，实现轮系与壳体1之间的有效隔振，从而降低壳体1表面的振动幅度，减小壳体1表面的辐射噪声，提升齿轮箱的振动和噪音性能。
本实施例中，优选地，根据轮系的轴向刚度、壳体1的轴向刚度以及隔振率目标取值范围设计非线性弹性支撑结构5的轴向压缩刚度。
具体地，非线性弹性支撑结构5的轴向压缩刚度为K，轮系的轴向刚度为Kg，壳体1的轴向刚度为Kh，隔振率为TR，由隔振原理可知，TR＝(1/Kh+1/Kg)/(1/Kh+1/K+1/Kg)，对齿轮箱而言，轮系的轴向刚度Kg和壳体1的轴向刚度Kh为确定值，非线性弹性支撑结构5的轴向压缩刚度K和隔振率TR为设计值，因此，隔振率TR的大小由设计的非线性弹性支撑结构5的轴向压缩刚度K的大小决定，故而可由隔振率TR的目标取值范围来确定非线性弹性支撑结构5的轴向压缩刚度K的取值。本实施中，为达到较好的隔振效果，K的取值使TR满足：0.05<TR<0.25，即隔振率TR的目标取值范围为0.05<TR<0.25，该目标取值范围内的隔振率TR能够保证轮系与壳体1之间的有效隔振，非线性弹性支撑结构5的轴向压缩刚度K的设计值则使得隔振率TR计算值在该目标取值范围内。
通常，轮系的轴向刚度Kg要远大于壳体1的轴向刚度Kh，因此进一步地，设计非线性弹性支撑结构5的轴向压缩刚度K时还以壳体1的轴向刚度Kh作为参考值，本实施例中，非线性弹性支撑结构5的轴向压缩刚度K的取值还满足：Kh/20<K<Kh/5。
由此，根据隔振率TR的目标取值范围、壳体1的轴向刚度Kh以及轮系的轴向刚度Kg设计确定了非线性弹性支撑结构5的轴向压缩刚度K。
参见图2和图3，本实施例中，优选地，非线性弹性支撑结构5为与轴承2的外圈21端面相适配的环形弹性垫圈5a。环形弹性垫圈5a与轴承2的外圈21端面相适配，是指环形弹性垫圈5a的内径和外径分别与轴承2的外圈21端面的内径和外径相匹配。由此，环形弹性垫圈5a的内径和外径由轴承2的外圈21端面的内径和外径限定，在环形弹性垫圈5a的材质选定的情况下，仅有环形弹性垫圈5a的厚度可调节设计，以此来调节环形弹性垫圈5a的轴向压缩刚度，获得设计确定的非线性弹性支撑结构5的轴向压缩刚度K。因此，本实施例中，非线性弹性支撑结构5的轴向压缩刚度K为非线性弹性支撑结构5的厚度T的函数，在非线性弹性支撑结构5的轴向压缩刚度K设计确定后，根据非线性弹性支撑结构5的轴向压缩刚度K设计非线性弹性支撑结构5的厚度T。而非线性弹性支撑结构5的厚度T大小决定了齿轮轴4的轴向位移量t大小，非线性弹性支撑结构5的厚度T越大，则齿轮轴4的轴向位移量t越大，因此，非线性弹性支撑结构5的轴向压缩刚度K亦为齿轮轴4的轴向位移量t的函数，是随齿轮轴4的轴向位移量t大小而变化的非线性刚度，非线性刚度使得轴承2预紧装配的预紧量具有更宽的公差范围，能更好地平衡轴承2寿命和隔振效果。
本实施例中，优选地，非线性弹性支撑结构5采用超弹性材料制成，超弹性材料包括橡胶、橡塑、塑料等。超弹性材料的初始弹性模量仅为普通钢材的1/2000，因此可以设计出很低的非线性弹性支撑结构5的轴向压缩刚度K。
在一个具体的实施例中，参见图4，示出的是采用超弹性材料制成的环形弹性垫圈5a的力-位移曲线和刚度曲线，可知，在轮系齿轮轴4的轴向位移量为1mm时，该环形弹性垫圈5a可以承载40KN的轴向载荷以及仅仅25KN/mm的轴向刚度；而相对应的壳体1的轴向刚度范围为(1e5-5e5)N/mm，可以实现0.05到0.2之间的隔振率，使齿轮啮合激励轴向分量衰减到原有的5％到20％，进一步使壳体1表面辐射噪声达到同等比例的降低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法，其特征在于，在齿轮箱的轮系与壳体之间设置非线性弹性支撑结构，所述轮系包括轴承，所述非线性弹性支撑结构弹性顶压于所述轴承的外圈端面与所述壳体之间。
2.根据权利要求1所述的实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法，其特征在于，根据所述轮系的轴向刚度、所述壳体的轴向刚度以及隔振率目标取值范围设计所述非线性弹性支撑结构的轴向压缩刚度。
3.根据权利要求2所述的实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法，其特征在于，所述非线性弹性支撑结构的轴向压缩刚度为K，所述轮系的轴向刚度为Kg，所述壳体的轴向刚度为Kh，隔振率为TR且TR＝(1/Kh+1/Kg)/(1/Kh+1/K+1/Kg)，K的取值使TR满足：0.05<TR<0.25。
4.根据权利要求3所述的实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法，其特征在于，K的取值还满足：Kh/20<K<Kh/5。
5.根据权利要求2所述的实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法，其特征在于，所述非线性弹性支撑结构为与所述轴承的外圈端面相适配的环形弹性垫圈。
6.根据权利要求5所述的实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法，其特征在于，根据所述非线性弹性支撑结构的轴向压缩刚度设计所述非线性弹性支撑结构的厚度。
7.根据权利要求1所述的实现齿轮箱壳体与轮系之间有效隔振的方法，其特征在于，所述非线性弹性支撑结构采用超弹性材料制成。
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