楊冰，劉巖

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連116028;2.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044;3.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)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(jié)合了環(huán)式減速器和針擺行星減速器的優(yōu)點(diǎn)。與現(xiàn)有的各種主要齒輪傳動形式相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、傳動比大、傳動效率高及承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［1］。但該減速器在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(yīng)用進(jìn)程。目前國內(nèi)外學(xué)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(jìn)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(jià)值和實(shí)際應(yīng)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(jìn)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(jìn)措施，并對改進(jìn)后的減速器進(jìn)行了測試，結(jié)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(jié)構(gòu)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(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)動時(shí)，帶動主動齒輪轉(zhuǎn)動，主動齒輪帶動兩個從動齒輪轉(zhuǎn)動，兩個從動齒輪分別驅(qū)動曲柄軸轉(zhuǎn)動，兩個曲柄軸帶動裝有針輪的環(huán)板做各點(diǎn)軌跡為圓的平動，針輪帶動擺線輪轉(zhuǎn)動，擺線輪上裝有輸出軸，因而輸出軸轉(zhuǎn)動［6］。該減速器的內(nèi)部振動頻率計(jì)算主要包括三齒輪嚙合振動頻率計(jì)算以及擺線輪與針輪嚙合振動頻率計(jì)算。

當(dāng)嚙合齒輪副中有一個齒輪軸線與軸不重合時(shí)或齒輪上的某些齒出現(xiàn)故障時(shí)，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(zhuǎn)頻率為調(diào)制頻率的調(diào)幅現(xiàn)象。調(diào)制的結(jié)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(jì)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(dāng)轉(zhuǎn)速為250 r/min 時(shí)，軸的旋轉(zhuǎn)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(yàn)及結(jié)果分析

2.1 測試內(nèi)容

圖2 振動測點(diǎn)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(jī)構(gòu)的噪聲有影響，變速器為封閉式的箱體結(jié)構(gòu)，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(jìn)行測量即可，根據(jù)上述振動分析結(jié)果，在箱體上對應(yīng)的3 個齒輪附近布置了振動加速度計(jì)，還在環(huán)板上方布置了振動加速度計(jì)，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(diǎn)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(jì)，G.R.A.S.傳聲器等。這樣，5 個振動加速度計(jì)和2 個噪聲傳聲器所測量的數(shù)據(jù)可以同時(shí)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(zhuǎn)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(jìn)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(jìn)行了測試。

表1 測點(diǎn)位置說明Tab.1 Test points location explanation

圖3 噪聲測點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of noise test points

2.2 測試結(jié)果與分析

2.2.1 相同轉(zhuǎn)速和不同載荷下的振動分析

振動加速度計(jì)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(diǎn)1 在轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)不同載荷下的振動加速度頻譜分析圖，圖5為測點(diǎn)1 在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min 時(shí)不同載荷下的振動加速度頻譜分析圖。圖6為各測點(diǎn)在轉(zhuǎn)速為750 r/min時(shí)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(zhuǎn)速時(shí)，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(yīng)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(zhuǎn)速增加，振動加速度增加。隨著轉(zhuǎn)速的提高，振動加速度的峰值對應(yīng)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(zhuǎn)速和相同載荷下，不同測點(diǎn)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(yīng)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(diǎn)不固定。例如，在350 Hz 附近，測點(diǎn)1 的振動加速度最大，峰值為100 ×10-3g.而在1 757 Hz 附近，測點(diǎn)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(zhuǎn)速下的振動分析

圖4 測點(diǎn)1 在轉(zhuǎn)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(diǎn)1 在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速750 r/min 時(shí)各測點(diǎn)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(diǎn)3 在100%載荷下不同轉(zhuǎn)速時(shí)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(zhuǎn)速變化時(shí)，振動加速度曲線有著較明顯的變化。轉(zhuǎn)速增加，振動加速度增加。當(dāng)雙曲柄四環(huán)式板針擺行星減速器的轉(zhuǎn)速為250 r/min 時(shí)，振動加速度均值為6.23 ×10-3g，峰值為20.17 ×10-3g，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min 時(shí)，振動加速度均值為21.79 ×10-3g，峰值為119.5 ×10-3g.

圖7 測點(diǎn)3 在100%載荷時(shí)不同轉(zhuǎn)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(diǎn)6 在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min 時(shí)不同載荷下的聲壓級頻譜分析圖。圖9為測點(diǎn)7 在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min 時(shí)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(zhuǎn)速時(shí)，不同載荷下的聲壓級曲線趨勢基本一致，聲壓級峰值對應(yīng)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(diǎn)6 在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速時(shí)，不同載荷下的聲壓級曲線趨勢基本一致，聲壓級峰值對應(yīng)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(zhuǎn)速時(shí)，測點(diǎn)6 和測點(diǎn)7 的聲壓級趨勢大致相同。在1 500 r/min 轉(zhuǎn)速時(shí)，75%載荷下，測點(diǎn)6 的聲壓級峰值為93.3 dB(A)，測點(diǎn)7 的聲壓級峰值為91.8 dB(A)。

圖9 測點(diǎn)7 在轉(zhuǎn)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(diǎn)的頻譜分析可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min 時(shí)，振動加速度峰值對應(yīng)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(dāng)轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，振動加速度峰值對應(yīng)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(shí)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(shí)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(shí)，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(jìn)而減速器向外輻射噪聲。因此，要實(shí)現(xiàn)減速器減振降噪，必須改善減速器箱體結(jié)構(gòu)。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(jìn)后的減速器進(jìn)行測試，測試布點(diǎn)和原減速器布點(diǎn)位置相同，這樣能夠保證減速器改進(jìn)前后分析的可比性。表2列出了改進(jìn)前后減速器測點(diǎn)6在不同轉(zhuǎn)速時(shí)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(diǎn)7 在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min 時(shí)50%載荷下改進(jìn)前后減速器的聲壓級頻譜分析圖。從圖中可以看出，該測點(diǎn)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(jìn)前后減速器測點(diǎn)1 在不同轉(zhuǎn)速時(shí)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(zhuǎn)速下均有明顯的降低。

表2 改進(jìn)前后減速器測點(diǎn)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(jìn)前后測點(diǎn)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(jìn)前后減速器測點(diǎn)1 的振動加速度Tab.3 Vibration acceleration of test point 1 of the original and improved speed reducers

5 結(jié)論

1)在相同轉(zhuǎn)速時(shí)，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(yīng)頻率基本相同，但峰值的大小不同。

2)在相同轉(zhuǎn)速時(shí)，載荷增加，振動加速度增加。

3)相同載荷時(shí)，轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)改進(jìn)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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