专利名称：：用于行星齿轮传动的配齿方法
技术领域：
：本发明专利涉及机械工程领域，具体涉及行星齿轮传动系统设计。技术背景行星齿轮传动机构是一种传递运动或动力的机械装置。该装置具有传动比大、效率高、体积小和结构紧凑等优点，广泛应用于飞机、舰船、汽车以及其它领域。在各种行星齿轮传动中，3K(II)行星传动是一种常见的传动形式，如图1所示。该图示出的3K(II)行星齿轮传动的基本结构，包括中心外齿轮a、中心内齿轮b、中心内齿轮e、行星轮c和行星架x。通常，该传动适合短期工作制，具有结构紧凑、传动比大等优点，尤其在小功率传递场合，其传动比可达500以上，优选的传动比范围为约50300，其传动效率为约0.700.S4(参见北京化学工业出版社2003出版，作者为饶振纲的《行星齿轮传动设计》)。由于存在时变啮合刚度和综合啮合误差激励，因而振动和噪声就成为3K(II)行星传动的主要技术问题之一。目前，常用的减振降噪方法如提高制造精度、浮动构件和合理选择设计参数等。但对于由时变啮合刚度引起的振动而言，即使提高加工精度也不能凑效；而浮动构件将使传动装置复杂化，并增加成本。在各种设计参数中，中心轮齿数和行星轮个数是显著影响动态特性的两个基本参数，需要精心选取。我国近20年来的有关机械设计手册中，在谈到行星齿轮传动的基本参数选择时，除了要求应满足渐开线圆柱齿轮齿数的选择原则和轮齿强度等条件之外，还特别强调了中心轮齿数和行星轮个数应当满足四个基本条件，即传动比条件、装配条件、邻接条件和同心条件。此外，还几乎无一例外地直接或间接引用了源于前苏联的"参数互质原则"，参见B.H.KynpaBueB，K).H.K邵HflineBa.nnaHeTapHbienepe朋朋cnpaBOH朋K,JIeHHHip叫1977.(前苏联1977年出版的作者为B.H.Ky邵朋ueB和K).H.KHpmiiiieBa的《行星齿轮传动手册》)，及北京机械工业出版社2004出版的，由中国机械设计手册编委会编写的《机械设计手册》(第三巻)，以"增强齿轮耐磨性，提高运转平稳性"。所谓"参数互质原则"是指在选择行星齿轮传动的基本参数时，应该使相互啮合的齿轮齿数以及中心轮齿数与行星轮个数互质，或具有尽可能小的最大公约数，以增强齿轮耐磨性，提高运转平稳性。该原则认为，齿数互质可以产生远离固有频率的很低的啮频激励，进而减小由此激起的振动，实现"提高运转平稳性"的目的。然而，对于较复杂的行星齿轮传动而言，由于配齿困难，通常取中心轮齿数为行星轮个数的整数倍，即"参数整除原则"，我国近20年来的设计手册一直沿用了上述两原则。显然，在具体配齿过程中，二者不能同时成立。"参数互质原则"的不妥之处是首先，从齿数互质角度分析，齿数互质可以使相互啮合的齿轮磨损均匀，从而增强齿轮的耐磨性(参见由上海华东化工学院出版社1990年出版，作者为[苏]鲍洛托夫斯基的《渐开线齿轮与蜗杆传动几何计算手册》及由上海科学技术文献出版社1989年出版，作者为[美]林旺德P.的《齿轮传动装置设计和应用》)，这已是众所周知的事实。许多设计手册和书籍均推荐在开式传动中选择互质的齿数，这是因为磨损是开式传动的主要失效形式之一。但行星齿轮传动多为闭式传动，润滑条件良好，因而磨损并不是主要问题。因此，仅从耐磨性角度考虑，在设计行星齿轮传动时不必严格遵守"参数互质原则"。如果从动态特性角度考虑，在某些工况下，保证齿数互质并不能提高系统的动态性能。首先，从"参数互质原则"的实施情况看，选择互质的参数将造成配齿困难。例如由化学工业出版社1998年出版的，作者为成大先的《机械设计手册》中已经指出对于NGWN型行星传动，一般比NGW型传动配齿更不容易，因此通常取中心轮齿数为行星轮个数的整数倍，即遵循了"参数整除原则"。显然，"参数互质原则"基本上仅适用于容易配齿的简单行星齿轮传动，而"参数整除原则"通常应用于较复杂的行星齿轮传动，因此，后者就成为一种不得已而为之的折中方法。其次，由于在"参数互质原则"所关心的频率处并不存在一个与之对应的较大激励，因此也不可能激起较大的振动。所以，即使选择互质的齿数，也不能产生预期的显著减振效果。最后，从齿数与行星轮个数的互质角度分析，在某些情况下，互质的参数非但不能提高传动系统的动态性能，相反却激起某方向上的较大振动，或者加剧箱体的噪声辐射。因为二者之间存在较复杂的映射关系，该关系并非"参数互质"这一简单原则所能够概括。行星轮相位调谐理论研究的是行星齿轮传动的中心轮齿数和行星轮个数等基本参数与系统的动态响应之间的映射关系。相关文献中，诸如SchlegelR.G.andMardK.C.Transmissionnoisecontrolapproachesinhelicopterdesign.ASME67-DE-58.ASMEDesignEngineeringConference,NewYork,1967.(作者是SchlegelR.G.和MardK.C，1967年发表的《直升机设计中的传动噪声控制方法》)；及ParkerR.G.APhysicalexplanationfortheeffectivenessofplanetphasingtosuppressplanetarygearvibration.JournalofSoundandVibration,2000,263(4):561~573.(作者是ParkerR.G.，2000年出版的《声与振动学报》第263(4)期第561~573页的《行星轮相位调谐抑制行星传动振动效果的物理解释》)；及作者是张策、王世宇和宋轶民等，2005年在《天津大学学报》第38(4)期第283287页的《行星传动基本参数选择理论的再认识》，均以行星传动为例，研究了机械传动领域的相位调谐现象，其中，美国学者Parker首次揭示了该映射关系——t于星轮相位调谐(PlanetPhasing)。相位调谐理论清晰地揭示了基本参数与动态特性之间的映射关系，为行星齿轮传动参数的合理选择提供了新依据。综上所述，在如何合理、简便地选择行星齿轮传动参数方面，仍然存在以下技术难题(1)由于行星齿轮传动自身结构方面的原因，造成了配齿困难，该问题尤其是对于诸如3K行星齿轮传动这种复杂的传动机构更为突显；(2)现有配齿方法中未充分考虑配齿方案对行星齿轮传动振动和噪声所产生的影响，只是片面的认为以"齿数互质原则"进行配齿能够降低行星齿轮传动振动和噪声，实质上，依据"齿数互质原则"进行配齿，并不能降低振动和噪声，以该原则进行配齿能够降低行星齿轮传动振动和噪声是一种技术偏见。
发明内容依据给定的传动比确定行星齿轮传动的基本参数，是设计行星齿轮传动的基本任务。为此，应当考虑各种不同的参数组合方案并从中择优，以提高系统的动态性能。为了克服现有技术中的技术偏见和有效地保证在某些重要应用场合(例如航空、航天以及精密传动等领域)下显著降低行星齿轮传动的振动和噪声，本发明提供一种以行星轮相位调谐理论为基本依据、容易配齿、并可以有效地提高传动系统运转平稳性的用于行星齿轮传动的配齿方法。本发明的配齿方法中给出如何确定行星齿轮传动的中心轮齿数和行星轮个数，解决现有行星齿轮传动，尤其是3K(II)型行星齿轮传动配齿技术中所存在的配齿困难、依据不尽充分合理及振动和噪声较大等问题。本发明用于行星齿轮传动中的配齿方法予以实现的技术方案是该方法包括以下步骤(1)按照设计条件拟定理论传动比；(2)确定中心齿轮的齿数和行星轮个数；(3)判断是否满足基本装配条件；(4)根据传动系统应用场合的不同要求修正中心轮的齿数，包括下列A、B、C、D和E五种情形之一A应用场合对横向振动敏感，应满足中心轮齿数与行星轮个数的最大公因子大于l;B应用场合对扭转振动敏感，应满足中心轮齿数与行星轮个数的最大公因子等于1;C应用场合对噪声敏感，应满足中心轮齿数能够被行星轮个数整除；D应用场合对振动和噪声均敏感，应满足中心轮齿数与行星轮个数的最大公因子大于1;E应用场合期望提高传动系统的寿命，应满足中心轮齿数能够被行星轮个数整除；(5)根据上述中心轮的齿数，进一步修正行星轮的齿数，并得出拟算传动比；(6)判断所述拟算传动比是否满足设计要求，若满足要求，执行下一步，否则，返回步骤(2);(7)进行系统的振动特性分析，判断在给定转速下是否存在谐波共振，若产生谐波共振，则返回步骤(2);否则，将上述配齿方案作为最终结果。.与现有技术相比，本发明用于行星齿轮传动的配齿方法具有如下有益效果(1)理论依据充分在行星齿轮传动的配齿计算过程中，通常要遵循"参数互质原则"。若严格遵循该原则，则作为结构较为复杂的行星齿轮传动的配齿计算将变得十分复杂和困难。因此，为了简化配齿计算，设计手册通常将中心轮齿数取为行星轮个数的整数倍。行星轮相位调谐理论清晰简捷地阐明了行星齿轮传动的基本参数与系统的振动和噪声特性之间的映射关系，理论依据充分。据此，本发明提出了基于相位调谐理论的基本参数选取原则。(2)配齿方便本发明提供了多种应用场合要求不同的参数选取原则，以此来实现不同的减振和/或降噪的有益效果。尤其应当指出的是，所述配齿方法可以得到多组备选参数方案(参见表2)，且整个配齿过程简单、方便，可操作性强。(3)具有减振降噪效果本发明配齿方法的显著有益效果是可实现行星齿轮传动的减振降噪。依据相位调谐理论，若应用场合对噪声敏感，例如在武装直升机等应用行星齿轮传动的军用装备中，可采用抑制中心构件横向振动的参数方案；若应用场合对扭转振动敏感(例如高速机械手的周向定位精度)，可采用抑制中心构件扭转振动的参数选择方案；若应用场合对振动和噪声均敏感，可采用既能抑制中心构件横向振动，又可以抑制中心构件扭转振动的参数选择方案。图1为3K(II)型行星齿轮传动示意图；图2-l是在对噪声敏感场合下，采用本发明配齿方法的传动方案实测时域噪声信号图；图2-2是在对噪声敏感场合下，釆用本发明配齿方法的传动方案实测频域噪声信号图；图2-3是在对噪声敏感场合下，现有技术配齿方案的实测时域噪声信号图；图2-4是在对噪声敏感场合下，现有技术配齿方案的实测频域噪声信号图；.图3-1是本发明用于行星齿轮传动的配齿方法实施例的流程图；图3-2是图3-1中所示307至308过程的流程图。下面是本发明说明书附图中附图标记的说明a~—中心外齿轮b、e——中心内齿轮c——行星轮x——行星架具体实施方式下面结合图l、图3-l和图3-2，以3K(II))型行星齿轮传动系统为例，详细描述本发明配齿方法的实施过程。(301)启动系统；(302)按照设计要求，根据公式(l)拟定理论传动比/p;<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(1)(303)拟定行星传动系统中的齿轮个数iV和中心外齿轮a的齿数Za;(304)根据公式(2)拟定中心内齿轮b的齿数Zb:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(2)根据公式(3)拟定中心内齿轮e的齿数ze:H±7V(3)(306)根据上述拟定的基本参数，及公式(4)和公式(5)判断是否满足基本的装配条件WqiV(4)Za+Ze=C2W(5)(307)若公式(4)和公式(5)中的d和C2均为正整数，则根据确定的应用场合进行齿数试配。例如若应用场合对噪声敏感，则选择可以抑制箱体噪声辐射的参数；取Zb为7V的整数倍，即满足MOD(ZaM/)-0;否则，返回上述步骤(303)重新拟定iV和Za，直至试配出符合应用场合的参数Zb和iV为止；以此类推，根据图3-2所示的A、B、C、D和E几种不同应用场合的具体要求可以分别拟定出符合条件的参数Zb和iV。根据公式(6)、公式(7)及公式(8)修正参数Ze、Zc:由公式(3)可得Ze=Zb+iV(6)判断Ze-Za的奇偶性若4-Za为偶数，则行星轮齿数Zc-会"-Za)—1(7)若4-^为奇数，则行星轮齿数Zc=*(Ze-Za)—0.5(8)(308)至此完成了根据应用场合要求拟定相关参数的过程。(309)判断上述拟定的传动比是否满足条件，利用公式(l)/p气l+Zb/Za)[Ze/(Ze-Zb)]计算出传动比，传动比误差W+p-4|/zp<4%，若满足A/=|/p-zt|//p<4%，则表明上述的配齿结果符合传动系统的传动比要求。否则，返回步骤(303)重新拟定参数iV和Za，直至满足传动比条件为止。(310)根据啮频及其谐波与系统固有频率的接近程度，判断是否存在共振。即根据输入转速和中心轮齿数计算啮频，然后建立系统的振动方程求解固有频率，确定各固有频率处系统的振动模式，使啮频及其谐波激励远离固有频率，以避开有害共振。若产生共振，则返回步骤(303)，重新选择中心轮的齿数Za，直至达到要求为止。若不存在谐波共振，则执行下一步。(311)确定并输出Za、Zb、Ze和Ze，完成此次配齿方案的工作。为了体现本发明配齿方法的简单易行，下面通过一个具体的设计过程加以说明。首先根据用户要求确定3K(II)型行星齿轮传动的传动比/p-^-220，行星传动系统的行星轮个数iV=4，且已知应用场合对噪声敏感。确定该行星齿轮传动的各轮齿数，可通过如下步骤得以实现1.由于应用场合对振动和噪声均敏感，因此，应满足GCD(Za，iV)M，因而预选中心轮齿数4=14;2.由公式(2)可得Zb，艮P:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>、依据公式(4)，并考虑到应用场合的要求，取^=102。3.由公式(6)可得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>4.因Ze-Za=106-14=92为偶数，因此，由公式(7)可得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>5.经上述计算可得齿数^=14，Zb=102，Ze=106,Ze=46;6.'由公式(l)可得传动比<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>，其传动比误差<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>，因此，上述配齿计算结果满足传动比要求。7.判断是否存在谐波共振该判断过程属于本领域技术人员所公知的，在此不再赘述。若不存在谐波共振，则确定并输出传动系统的配齿结果；若存在谐波共振，则返回步骤l，重新试算，直至符合要求为止。经过实验检测表明，本发明配齿方法具有显著的减振降噪的效果，如图2-1和图2-2分别示出了利用本发明配齿方法在对要求行星齿轮传动系统对噪声敏感场合下的配齿方案进行实测的时域噪声信号图和频域噪声信号图。图2-3和图2-4是现有技术配齿方案的实测噪声信号的时域及其频谱分析。显然，本发明配齿方法得到的设计方案具有很好的降噪效果。上述实验所采用的主要设备见表l。表l主要实验设备的名称及型号<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>利用本发明配齿方法，可以获得大量的方便于工程应用的配齿方案。表2中示出了具有降噪性能的配齿方案。表2具有降噪性能的配齿方案<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>本发明的配齿方法是依据相位调谐所揭示的中心轮齿数与行星轮个数等基本参数与行星齿轮传动的动态特性之间的关系进行配齿计算。依据声振分析原理，与扭转振动相比，中心构件的横向振动将更容易通过轴承传至箱体，然后由箱体辐射发出噪声。因此，若能抑制中心构件的横向振动，则必然有利于降噪。依据相位调谐理论，若中心轮的齿数可以被行星轮的个数整除，将激起中心构件的扭转振动，并抑制中心构件的横向振动。因此从降噪角度考虑，本发明配齿方法推荐使中心轮齿数可以被行星轮个数整除的配齿方案。尽管结合附图对本发明进行了上述描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之列。权利要求1.一种用于行星齿轮传动的配齿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)按照设计条件拟定理论传动比；(2)确定中心齿轮的齿数和行星轮个数；(3)判断是否满足基本装配条件；(4)根据传动系统应用场合的不同要求修正中心轮的齿数，包括下列五种情形之一(A)应用场合对横向振动敏感，应满足中心轮齿数与行星轮个数的最大公因子大于1；(B)应用场合对扭转振动敏感，应满足中心轮齿数与行星轮个数的最大公因子等于1；(C)应用场合对噪声敏感，应满足中心轮齿数能够被行星轮个数整除；(D)应用场合对振动和噪声均敏感，应满足中心轮齿数与行星轮个数的最大公因子大于1；(E)应用场合期望提高传动系统的寿命，应满足中心轮齿数能够被行星轮个数整除；(5)根据上述中心轮的齿数，进一步修正行星轮的齿数，并得出拟算传动比；(6)判断所述拟算传动比是否满足设计要求，若满足要求，执行下一步，否则，返回步骤(2)；(7)进行系统的振动特性分析，判断在给定转速下是否存在谐波共振，若产生谐波共振，则返回步骤(2)；否则，将上述配齿方案作为最终结果。全文摘要本发明公开了一种用于行星齿轮传动的配齿方法，从而解决现有行星齿轮传动配齿技术中所存在的配齿困难、依据不尽充分合理及振动和噪声较大等问题。本发明配齿方法包括以下步骤(1)按照设计条件拟定理论传动比；(2)确定中心齿轮的齿数和行星轮个数；(3)判断是否满足基本装配条件；(4)根据传动系统应用场合的不同要求修正中心轮的齿数；(5)根据上述中心轮的齿数，进一步修正行星轮的齿数，并得出拟算传动比；(6)判断所述拟算传动比是否满足设计要求，若满足要求，执行下一步，否则，返回步骤(2)；(7)进行系统的振动特性分析，判断在给定转速下是否存在谐波共振，若产生谐波共振，则返回步骤(2)；否则，将上述配齿方案作为最终结果。文档编号F16H1/32GK101216090SQ20071006064公开日2008年7月9日申请日期2007年12月28日优先权日2007年12月28日发明者刘建平,宋轶民,王世宇申请人:天津大学