雙曲柄四環(huán)板式針擺行星減速器減振降噪研究

楊冰，劉巖

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連116028;2.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶400044;3.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連116028)

0 引言

雙曲柄四環(huán)板式針擺行星減速器是一種新型環(huán)式擺線針輪行星傳動裝置，它結合了環(huán)式減速器和針擺行星減速器的優(yōu)點。與現(xiàn)有的各種主要齒輪傳動形式相比，具有結構簡單、體積小、質(zhì)量輕、傳動比大、傳動效率高及承載能力強等優(yōu)點［1］。但該減速器在運轉時會產(chǎn)生比較大的振動和噪聲，在一定程度上影響了其推廣和應用進程。目前國內(nèi)外學者分別對環(huán)式減速器以及行星輪系減速器的振動與噪聲問題進行了一定的研究，取得了一定的研究成果［2-5］，但是對環(huán)板式針擺行星減速器聲振方面的研究很少，因此，開展環(huán)板式針擺行星減速器減振降噪研究具有重要的理論價值和實際應用意義。本文對三齒輪聯(lián)動雙曲柄四環(huán)板式針擺行星減速器進行了振動和噪聲測試，分析和研究了減速器內(nèi)部振動和噪聲特性，得到了減速器主要部件振動和噪聲分布規(guī)律，識別出減速器主要噪聲源，提出了減振降噪改進措施，并對改進后的減速器進行了測試，結果表明，取得了良好效果。

1 雙曲柄四環(huán)板式針擺行星減速器結構及傳動原理

雙曲柄四環(huán)板式針擺行星減速器傳動簡圖如圖1所示。當輸入軸轉動時，帶動主動齒輪轉動，主動齒輪帶動兩個從動齒輪轉動，兩個從動齒輪分別驅(qū)動曲柄軸轉動，兩個曲柄軸帶動裝有針輪的環(huán)板做各點軌跡為圓的平動，針輪帶動擺線輪轉動，擺線輪上裝有輸出軸，因而輸出軸轉動［6］。該減速器的內(nèi)部振動頻率計算主要包括三齒輪嚙合振動頻率計算以及擺線輪與針輪嚙合振動頻率計算。

當嚙合齒輪副中有一個齒輪軸線與軸不重合時或齒輪上的某些齒出現(xiàn)故障時，振動信號被調(diào)制，往往會產(chǎn)生以嚙合頻率為載波頻率，軸的旋轉頻率為調(diào)制頻率的調(diào)幅現(xiàn)象。調(diào)制的結果就是在頻譜圖上特征頻率旁邊出現(xiàn)一些邊頻帶。

雙曲柄四環(huán)板式針擺行星減速器的三齒輪聯(lián)動中的主從齒輪齒數(shù)均為78，針輪齒數(shù)為35，擺線輪齒數(shù)為34，因此可以計算出在不同工況下的漸開線直齒圓柱齒輪嚙合頻率以及擺線輪與環(huán)板上針輪嚙合頻率。例如當轉速為250 r/min 時，軸的旋轉頻率為4.17 Hz，漸開線直齒圓柱齒輪嚙合頻率為325 Hz，擺線輪與針輪的嚙合頻率為145.83 Hz。

圖1 雙曲柄四環(huán)板式針擺行星減速器傳動簡圖Fig.1 Transmission sketch of double crank four crank ring-plate-type cycloid speed reducer

2 振動與噪聲試驗及結果分析

2.1 測試內(nèi)容

圖2 振動測點布置圖Fig.2 Layout of vibration test points

通過研究表明，只有暴露在外面的部件才會對整個機構的噪聲有影響，變速器為封閉式的箱體結構，其噪聲中90%～95%均來自于箱體振動而輻射到箱體外面［7-8］。因此，對減速器振動噪聲測試，只需在減速器表面和周圍進行測量即可，根據(jù)上述振動分析結果，在箱體上對應的3 個齒輪附近布置了振動加速度計，還在環(huán)板上方布置了振動加速度計，如圖2所示。另外，在減速器方正上方1 m 處和正前方1 m 處分別布置了1 個傳聲器用于測量噪聲，如圖3所示。測點位置說明如表1所示。測試儀器采用Artemis 集成化多通道聲與振動分析系統(tǒng)，KISTLER 振動加速度計，G.R.A.S.傳聲器等。這樣，5 個振動加速度計和2 個噪聲傳聲器所測量的數(shù)據(jù)可以同時由數(shù)據(jù)采集器采集并分析，做到同步測試與分析。為了全面了解該減速器的噪聲與振動的分布規(guī)律，分別在輸入軸5 種不同的轉速(250 r/min，500 r/min，750 r/min，1 000 r/min 和1 500 r/min)下對減速器進行測試，每種速度下又分別對空載，加載25%，加載50%，加載75%以及加載100%的情況下進行了測試。

表1 測點位置說明Tab.1 Test points location explanation

圖3 噪聲測點布置圖Fig.3 Layout of noise test points

2.2 測試結果與分析

2.2.1 相同轉速和不同載荷下的振動分析

振動加速度計采集的數(shù)據(jù)采用快速傅里葉變換頻譜分析處理。圖4為測點1 在轉速為500 r/min時不同載荷下的振動加速度頻譜分析圖，圖5為測點1 在轉速為1 000 r/min 時不同載荷下的振動加速度頻譜分析圖。圖6為各測點在轉速為750 r/min時50%載荷下的振動加速度頻譜分析圖。

從圖4和圖5可以看出，在相同轉速時，不同載荷下的振動加速度曲線趨勢基本一致，振動加速度的峰值對應頻率基本相同，但峰值的大小不同。載荷增加，振動加速度增加。轉速增加，振動加速度增加。隨著轉速的提高，振動加速度的峰值對應頻率有所變化，但變化不是很明顯。

從圖6可以看出，在相同轉速和相同載荷下，不同測點振動加速度曲線趨勢基本一致，產(chǎn)生振動加速度的峰值對應頻率基本相同，但峰值的大小有所變化。每個峰值頻率下取得振動加速度最大峰值的測點不固定。例如，在350 Hz 附近，測點1 的振動加速度最大，峰值為100 ×10-3g.而在1 757 Hz 附近，測點5 的振動加速度最大，峰值為113 ×10-3g.

2.2.2 相同載荷和不同轉速下的振動分析

圖4 測點1 在轉速500 r/min 和不同載荷下的頻譜圖Fig.4 Spectrum diagram of test point 1 under different loads at the speed of 500 r/min

圖5 測點1 在轉速1 000 r/min 和不同載荷下的頻譜圖Fig.5 Spectrum diagram of test point 1 under different loads at the speed of 1 000 r/min

圖6 轉速750 r/min 時各測點在50%載荷下的頻譜圖Fig.6 Spectrum diagram of test points under 50% loads at the speed of 750 r/min

圖7為測點3 在100%載荷下不同轉速時的振動加速度頻譜分析圖。從圖中可以看出，在相同載荷且轉速變化時，振動加速度曲線有著較明顯的變化。轉速增加，振動加速度增加。當雙曲柄四環(huán)式板針擺行星減速器的轉速為250 r/min 時，振動加速度均值為6.23 ×10-3g，峰值為20.17 ×10-3g，當轉速為1 000 r/min 時，振動加速度均值為21.79 ×10-3g，峰值為119.5 ×10-3g.

圖7 測點3 在100%載荷時不同轉速下的頻譜圖Fig.7 Spectrum diagram of test point 3 at different speeds under 100% load

3 噪聲源識別與分析

對于傳聲器測得的數(shù)據(jù)，采用1/3 倍頻程處理。圖8為測點6 在轉速為1 500 r/min 時不同載荷下的聲壓級頻譜分析圖。圖9為測點7 在轉速為1 500 r/min 時不同載荷下的聲壓級頻譜分析圖。從圖中可以看出，在相同轉速時，不同載荷下的聲壓級曲線趨勢基本一致，聲壓級峰值對應頻率基本相同，僅是峰值的大小有所變化。載荷增加，聲壓級增加。

圖8 測點6 在轉速1 500 r/min 和不同載荷下的頻譜圖Fig.8 Spectrum diagram of test point 6 under different loads at the speed of 1 500 r/min

從圖8、圖9中可以看出，在相同轉速時，不同載荷下的聲壓級曲線趨勢基本一致，聲壓級峰值對應頻率基本相同，僅是峰值的大小有所變化。載荷增加，聲壓級增加。相同轉速時，測點6 和測點7 的聲壓級趨勢大致相同。在1 500 r/min 轉速時，75%載荷下，測點6 的聲壓級峰值為93.3 dB(A)，測點7 的聲壓級峰值為91.8 dB(A)。

圖9 測點7 在轉速1 500 r/min 和不同載荷下的頻譜圖Fig.9 Spectrum diagram of test point 7 under different loads at the speed of 1 500 r/min

由所有工況下各測點的頻譜分析可知，當轉速為1 000 r/min 時，振動加速度峰值對應的主要頻率為350 Hz、653 Hz 和1 054 Hz.653 Hz 為擺線輪和環(huán)板上針輪的嚙合頻率的邊頻帶，1 054 Hz 為漸開線直齒圓柱齒輪的嚙合頻率的邊頻帶。當轉速為500 r/min時，振動加速度峰值對應的主要頻率為468 Hz和703 Hz.468 Hz 為擺線輪和環(huán)板上針輪的嚙合頻率的邊頻帶，703 Hz 為漸開線直齒圓柱齒輪的嚙合頻率的邊頻帶。因此，減速器工作時的噪聲，擺線輪和針輪嚙合產(chǎn)生的振動噪聲所占的比重比漸開線直齒圓柱齒輪的大。減速器內(nèi)部主要噪聲源為擺線輪和針輪嚙合時產(chǎn)生的噪聲。

4 減速器減振降噪研究

雙曲柄四環(huán)板式針擺行星減速器內(nèi)部各部件，如軸、軸承、環(huán)板、擺線輪等產(chǎn)生的噪聲，在箱內(nèi)傳播遇到箱壁時，有一部分透過箱壁傳播到減速器外。另外，減速器內(nèi)部各部件產(chǎn)生的振動，激勵箱體，使箱體產(chǎn)生振動，進而減速器向外輻射噪聲。因此，要實現(xiàn)減速器減振降噪，必須改善減速器箱體結構。本文經(jīng)過分析比較選用的方案是在減速器箱體上增加肋板和散熱片。針對減速器內(nèi)部的擺線輪和針輪嚙合噪聲源，選用的方案為將擺線輪和針輪傳動比由原來的34 改為20，即將針輪齒數(shù)改為21，擺線輪齒數(shù)改為20.

對改進后的減速器進行測試，測試布點和原減速器布點位置相同，這樣能夠保證減速器改進前后分析的可比性。表2列出了改進前后減速器測點6在不同轉速時滿載的聲壓級。從表中可以看出，噪聲聲壓級有明顯的降低。圖10為測點7 在轉速為1 500 r/min 時50%載荷下改進前后減速器的聲壓級頻譜分析圖。從圖中可以看出，該測點的噪聲聲壓級在各頻帶下均有不同幅度的降低。表3為改進前后減速器測點1 在不同轉速時75%載荷情況下的振動加速度。從表中可以看出，振動加速度在各轉速下均有明顯的降低。

表2 改進前后減速器測點6 的聲壓級Tab.2 Sound pressure levels of test point 6 of the original and improved speed reducers

圖10 改進前后測點7 的頻譜分析圖Fig.10 Spectrum diagram of test point 7 of the original and improved speed reducers

表3 改進前后減速器測點1 的振動加速度Tab.3 Vibration acceleration of test point 1 of the original and improved speed reducers

5 結論

1)在相同轉速時，各不同載荷情況下振動加速度曲線趨勢基本一致，振動加速度峰值對應頻率基本相同，但峰值的大小不同。

2)在相同轉速時，載荷增加，振動加速度增加。

3)相同載荷時，轉速增加，振動加速度增加。

4)減速器內(nèi)部主要噪聲源為擺線輪和齒輪嚙合產(chǎn)生的噪聲。

5)通過對箱體的結構改進與針擺齒輪傳動比的改變有效地降低了該減速器的振動與噪聲。

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