变变位齿轮传动的振动响应测试及分析

邵明辉,侯玉洁,韩继光,韩跃进

(1.江苏师范大学机电工程学院,江苏徐州 221116;2.徐州徐工汽车制造有限公司,江苏徐州 221116)

变变位齿轮传动的振动响应测试及分析

邵明辉1,侯玉洁1,韩继光1,韩跃进2

(1.江苏师范大学机电工程学院,江苏徐州 221116;2.徐州徐工汽车制造有限公司,江苏徐州 221116)

利用WS-5921/U60512型信号采集仪及加速度传感器,对变变位齿轮传动不同速度下的振动响应进行了测试及量化研究,得到了振动加速度信号的时域曲线及自功率谱密度曲线,并与变位齿轮的振动响应进行对比。研究表明:齿轮传动过程中,主动轮产生的振动能量基本相同,从动轮的振动主要来源于主、从动轮的啮合过程,变变位齿轮啮合过程中产生的振动能量小,传动更平稳;随着电机输入频率的增加,主、从动轮的振动能量逐渐增大,变变位齿轮传动最大自功率谱值对应的振动频率波动较小,约为100 Hz;变位齿轮、变变位齿轮从动轮的振动信号自功率谱密度的比值最大达到4∶1以上。

变变位齿轮;振动响应;自功率谱密度;振动能量

齿轮传动是机械传动中应用最广泛的一种,在国民经济建设中起着举足轻重的作用。偏心渐开线齿轮因其设计简单、加工方便且能实现变速比传动的优点,在工程上得到了广泛的应用[1-4]。但是,偏心齿轮的齿侧间隙在传动中会产生周期性的变化,运转时会引起振动和转速跳动,影响传动的平稳性。研究表明:机械的振动和噪声大部分来源于齿轮传动时产生的振动,因此机械传动中对齿轮动态性能的要求就更为突出,齿轮的传动动态特性可直接反映传动系统的性能与工作可靠性。

孙智民等[5]研究了齿侧间隙对星型齿轮传动扭振特性的影响,从理论上分析了齿侧间隙对系统的稳态响应、动载荷等动态特性的影响;王家序等[6]对新型少齿差行星齿轮装置进行了振动特性分析与实验研究;文献[7]提出的变变位齿轮,将移距变位方法应用到偏心齿轮的设计中,得到了变变位系数偏心渐开线齿轮的齿廓曲线数学模型,使得偏心齿轮传动在理论上达到无侧隙。但目前对变变位齿轮传动特性的研究成果很少,作为一种广泛应用的传动部件,不仅要有理论方面的研究,必须对齿轮的各种性能进行测定。本文结合近几年广泛应用的虚拟测试技术[8-10],使用WS-5921/U60512型信号采集仪对变变位齿轮传动的横向振动响应进行测试研究,对采集的时域信号进行自功率谱分析,并与变位齿轮特征进行对比,探索其传动特性及振动频谱值的分布规律,为变变位齿轮在现代机械机构中的应用提供理论基础。

1 实验装置

1.1 实验对象

采用电火花线切割机床对齿轮进行加工,根据文献[7]提出的变变位系数偏心渐开线齿轮的齿廓曲线数学模型,结合Matlab、Pro/E和CAD软件,最终将齿轮的齿廓曲线保存为.dxf格式的CAD文件,导入到电火花线切割机床对其进行加工。齿轮材料选用45号钢,采用去重法进行调平衡,齿轮的具体参数见表1。同时为了更好地研究其动态特性,用相同的方法加工一对变位齿轮,其变位系数根据最小几何中心距进行选择,其他参数相同,作为对比。

表1 变变位齿轮传动系统参数

1.2 实验台

为了满足实验的需求,针对变变位齿轮,结合已有的齿轮传动实验台及实验的要求,搭建变变位齿轮实验台见图1。实验台由交流电机、齿轮、轴、轴承等组成,齿轮的安装中心距为150 mm,由变频器控制输入电机的频率,从而控制电机的输出转速。

图1 实验台实物照片

1.3 采集设备

采用2个压电式加速度传感器获取主、从轴的振动信号,利用北京波普的WS-5921/U60512型信号采集仪采集、分析和存储振动信号。如图2所示,2个压电式加速度传感器分别安装在轴承座的侧面,其导线输出端分别接入数据采集仪(见图3)前面板上的“通道10”和“通道11”上。装在主动轴轴承座上传感器的灵敏度为4.83 Pc/(m·s－2),装在从动轴轴承座上的传感器的灵敏度为4.84 Pc/(m·s－2)。

图2 加速度传感器安装图

图3 数据采集仪

2 实验方案

通过获取主动轴和从动轴轴承座的振动信号,间接获得齿轮啮合转动产生的振动量大小,从而获得齿轮传动的振动响应参数。

为了测试变变位齿轮传动在不同转速时的振动响应,通过变频器设置不同的电机输入频率,使得主动轮的输入转速不同,并与变位齿轮的特性进行比较。选取10种不同的输入转速对其进行振动响应的测量,变频器的输入频率分别采用了2～11 Hz,每个输入频率下采集2个通道的振动信号。

3 实验结果与分析

设定动态信号的采集频率为3 000 Hz,每次采样记录文件的时间为1 s。通过在计算机上安装信号采集程序,可以在信号采集界面上实时显示采集加速度信号的时域波形。

将采集的振动信号存为.TIM格式的文件,由动态信号分析仪的频谱分析功能模块对信号进行分析和处理,得到采集信号的各种频谱图。

3.1 变变位齿轮的振动响应

图4给出了电机输入频率f为2 Hz时,变变位齿轮传动采样文件的时域信号波形和相应的自功率谱密度曲线,由图4可知,变变位齿轮传动的振动响应是个时变信号。

图4 2 Hz时变变位齿轮传动振动响应的时域信号及自功率谱密度曲线

根据文献[11],采用自功率谱密度函数(该函数表示随机振动的能量按频率分布的度量)对振动信号进行频率分析,实验分析时记录每个采样文件中的最大自功率谱密度及其对应的频率值。表2和表3分别给出了10、11两通道各采集信号的最大自功率谱密度ρ及其相应的频率f。

表2 不同频率下10通道最大自功率谱密度值及其相应的频率

表3 不同频率下11通道最大自功率谱密度值及其相应的频率

为了更直观地比较不同转速对齿轮啮合传动振动响应的影响,根据表2和表3绘制出的最大自功率谱随变频器输入频率的变化曲线见图5。

图5 变变位齿轮最大自功率谱密度值的变化曲线

由表2、表3和图5可知:随着电机输入频率的增大,也就是主动轴转速的增加,10通道和11通道的最大自功率谱值逐渐增大,其对应的振动频率基本相同。相比于10通道主动轮的振动响应,11通道的最大自功率谱值明显小于10通道;变变位齿轮啮合传动中主、从动轮产生的振动的最大自功率谱密度值都是随着输入频率的增加逐渐增大,主动轮产生的最大自功率谱密度值明显大于从动轮,这主要是因为主动轴与电机相连,电机的振动会影响测量结果。图6为最大自功率谱密度值对应的振动频率随电机输入频率的变化曲线。

图6 变变位齿轮振动频率的变化曲线

由图6可以看出,主动轮和从动轮振动的最大自功率谱对应的振动频率基本相同,变化趋势一致,振动频率波动比较平稳,其值为100 Hz左右。

3.2 变位齿轮的振动响应

采用相同的分析方法对变位齿轮的实验数据进行分析,表4和表5分别给出了变位齿轮传动10通道和11通道各采集信号的最大自功率谱密度ρ及其相应的频率f。最大自功率谱密度随电机输入频率变化曲线见图7。

表4 不同频率、变位齿轮下10通道最大自功率谱密度值及其相应的频率

表5 不同频率、变位齿轮下11通道最大自功率谱密度值及其相应的频率

由表4、表5和图7可以看出,随着电机输入频率的增大,10通道和11通道的最大自功率谱值逐渐增大,其对应的振动频率波动较大。相比于10通道主动轮的振动响应,11通道的最大自功率谱值明显大于10通道。变位齿轮啮合传动中主、从动轮产生的振动的最大自功率谱密度值随着输入频率的增加逐渐增大,从动轮产生的最大自功率谱密度值明显大于主动轮,说明从动轮产生的振动能量较大。

由图8可以看出,主动轮、从动轮振动的最大自功率谱对应的振动频率相差较大,主动轮的振动频率波动较大,其值在120 Hz上下波动,相较于主动轮,从动轮振动频率相对平稳,其值为140 Hz左右。

图8 变位齿轮振动频率的变化曲线

3.3 对比分析

两对齿轮在不同输入频率下的最大自功率谱密度的变化曲线的比较见图9。

图9 两对齿轮最大自功率谱密度值的变化曲线比较

由图9(a)可以看出,变变位齿轮和变位齿轮主动轮产生的振动能量基本相同,差别很小。这是因为主动轮通过联轴器与电机相连,振动的来源主要是电机带动主动轮转动,电机输入相同频率时的输出转速基本一致,所以各齿轮主动轮产生的振动能量基本相同。

由图9(b)可以看出,相对于变位齿轮,变变位齿轮的振动能量较小,这是因为从动轮的振动主要来源于主动轮和从动轮啮合过程中,齿轮侧隙的存在会产生冲击、噪声和振动,通过啮合传递给从动轮,变变位齿轮侧隙较小且较均匀,基本上能达到无侧隙啮合,产生的振动量较小;而变位齿轮的侧隙不均匀,且侧隙值较大,因此会造成传动不平稳,振动较大的现象。

通过以上分析可知,变变位齿轮在传动过程中产生的振动能量很小,主动轮的振动量大主要是电机产生的振动。变变位齿轮传动有效地降低了变位齿轮由于侧隙存在产生的冲击和振动,传动更平稳。

4 结论

通过改变电机的输入频率,测试了变变位齿轮啮合传动过程中主动轮和从动轮的振动响应,得到采样信号的时域曲线及自功率谱密度曲线。研究表明:

(1)变变位齿轮啮合过程中产生的振动能量较小,有效地降低了变位齿轮由于侧隙存在产生的冲击和振动,传动更平稳;

(2)随着电机输入频率的增加,主动轮和从动轮的振动能量逐渐增大,变变位齿轮传动的主动轮和从动轮的最大自功率谱值对应的振动频率基本相同,约为100 Hz;

(3)变位齿轮、变变位齿轮从动轮的振动信号自功率谱密度的比值最大达到4∶1多。

References)

[1]韩继光,高德,于影.偏心渐开线齿轮在高速包装机上的应用[J].包装工程,1997,18(2):72-74.

[2]俞高红,张玮炜,孙良,等.偏心齿轮-非圆齿轮行星轮系在后插旋转式分插机构中的应用[J].农业工程学报,2011,26(4):100-105.

[3]韩玄武,向继平.偏心齿轮变速输纸机构优化设计[J].包装工程, 2009,30(12):18-20.

[4]范素香,侯书林,赵匀.偏心变位齿轮在分插机构中的设计及应用[J].机械传动,2013,37(1):105-108.

[5]孙智民,季林红,沈允文,等.齿侧间隙对星型齿轮传动扭振特性的影响研究[J].机械设计,2003,20(2):3-6,17.

[6]王家序,黄超,肖科,等.新型少齿差行星齿轮装置振动特性分析与实验研究[J].振动与冲击,2013,32(5):31-37.

[7]Zhang C Y,Han J G.Establishment of Tooth Profile Curve Mathematical Model of Varying-Coefficient-Shift-Modification Gears [C]//Applied Mechanics and Materials Vol 391,2013:172-177.

[8]殷祥超.振动理论与测试技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2007.

[9]江伟,袁芳.基于虚拟仪器技术的振动测试系统的设计[J].微计算机信息,2006,22(10-1):313-314,240.

[10]刘成文,乔斌.虚拟仪器在悬臂梁固有频率测量实验中的应用[J].煤矿机械,2004(11):34-35.

[11]孟华,李顺才,刘玉庆.车削过程中刀具振动响应测试及分析[J].实验技术与管理,2012,29(3):80-82.

Testing and analysis on vibration responses of vary-coefficentshift-modification gear transmission

Shao Minghui1,Hou Yujie1,Han Jiguang1,Han Yuejin2
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Jiangsu Normal University,Xuzhou 221116,China; 2.Xuzhou Automobile Manufacturing Co.,Ltd.Xugong,Xuzhou 221116,China)

By means of the WS-5921/U60512 analysis instrument of vibration signals and acceleration senor,the vibration responses of vary-coefficent-shift-modification gears transmission are tested and quantitatively studied under the different speeds,and the time series curves and the self-power spectral density curves are obtained.The vibration responses are compared with the modified gears transmission.The study indicates that(1)the vibration energy of the driving gear is basically the same in the process of gears transmission.The vibration response of the driven gear mainly comes from the meshing process of the driving and driven gears.The vibration response of vary-coefficent-shift-modification gear transmission is small.The stability of transmission of the gears is improved;(2)with the increase of the input frequency,the vibration energy of the driving and driven gear is increased gradually.the vibration frequency corresponding to maximum self-power spectrum density of the vary-coefficent-shift-modification gear is about 100 Hz,and the fluctuation is small;(3)the maximum ratio of self-power spectrum density of vibration signal between the modified gear and the varycoefficent-shift-modification gear is over 4∶1.

vary-coefficent-shift-modification gear;vibration response;self-power spectrum density;vibration energy

TH132

B

1002-4956(2015)4-0056-06

2014-09-26修改日期：2014-11-21

国家自然科学基金委员会资助项目“变变位系数偏心渐开线齿轮传动的研究”(51075347);江苏师范大学2014年度研究生科研创新计划重点项目“内积法抑制LMD端点效应的研究”(2014YZD017);江苏师范大学科研基金项目(14XLB09)

邵明辉(1982—),男,江苏丰县,硕士,实验师,研究方向为机械设计与快速成型制造

E-mail:15252108731＠163.com

韩继光(1963—),黑龙江海伦,男,博士,教授,硕士生导师,主要从事机械传动及CAD方面的研究.

E-mail:hjg＠jsnu.edu.cn