CN103953695A - 高阻尼滤波减速器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高阻尼滤波减速器，涉及减速器领域，提供一种能够控制和过滤动力传递与运动变换过程中的噪声和振动的减速器。高阻尼滤波减速器包括具有内齿轮I的固定模块，具有输入轴主体和偏心段的偏心输入轴，具有内齿轮Ⅱ和内齿轮Ⅲ的输出模块以及具有外齿轮I、外齿轮Ⅱ和外齿轮Ⅲ中间模块；固定模块与输入轴主体同轴设置；输出模块与输入轴主体同轴设置并可旋转；中间模块套装于偏心段上并可旋转；内齿轮I、内齿轮Ⅱ和内齿轮Ⅲ分别与外齿轮I、外齿轮Ⅱ和外齿轮Ⅲ啮合形成少齿差啮合副；外齿轮Ⅱ的轮齿与外齿轮Ⅲ的齿槽正对，内齿轮Ⅱ的轮齿与内齿轮Ⅲ的齿槽正对,外齿轮Ⅱ和内齿轮Ⅱ由高阻尼复合材料制成。本发明可用于机械传动***中。

Description

高阻尼滤波减速器
技术领域
本发明涉及一种减速机，尤其涉及一种采用少齿差啮合原理减速的高阻尼滤波减速器。
背景技术
航空航天、船舶海洋、武器装备、先进制造等工程领域技术的迅猛发展对其传动件及传动***提出了高精度、高可靠、长寿命、大转矩、低能耗、小体积、轻量化和免维护等高性能需求。但是在各种装备的动力传递与运动控制***中，由于动力装置通过齿轮将动力传递并转换为机械能，输入端的高转速、小转矩转变为输出端的低转速、大转矩，不可避免地导致传动***的转速和转矩产生波动；各零件自身的制造及装配误差，轮齿啮合时的啮入、啮出冲击，运行过程中零部件的磨损、负载等各种因素的影响，也必将使其产生更大波动，加大振动、噪声、摩擦、磨损、疲劳和无功能耗等问题，从而影响动力传递与运动控制***的传动精度、高可靠性、使用寿命等综合性能。因此探索高性能传动件及传动***的创新设计理论、方法和技术，对提高我国机电装备的可靠性、运动精度，延长使用寿命等综合性能，具有非常重要的科学意义和工程使用价值。
有鉴于此，本发明旨在探索一种高阻尼滤波减速器，该减速器利用高阻尼复合材料齿轮的阻尼性能，有效控制和过滤动力传递与运动变换过程中的噪声和振动，延长承受循环载荷和冲击的服役时间，从而具有高精度、高可靠、长寿命、减振降噪等优点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种能够控制和过滤动力传递与运动变换过程中的噪声和振动的高阻尼滤波减速器。
为解决上述问题采用的技术方案是：高阻尼滤波减速器包括固定模块、偏心输入轴、输出模块和中间模块；偏心输入轴包括输入轴主体和偏心段；固定模块与输入轴主体同轴设置；输出模块与输入轴主体同轴设置并可旋转；中间模块套装于偏心段上并可旋转；
固定模块包括内齿轮I；输出模块包括内齿轮Ⅱ和内齿轮Ⅲ；中间模块包括外齿轮I、外齿轮Ⅱ和外齿轮Ⅲ；内齿轮I、内齿轮Ⅱ和内齿轮Ⅲ分别与外齿轮I、外齿轮Ⅱ和外齿轮Ⅲ一一对应设置并啮合形成少齿差啮合副；
外齿轮Ⅱ的轮齿与外齿轮Ⅲ的齿槽正对,外齿轮Ⅱ由高阻尼复合材料制成；内齿轮Ⅱ的轮齿与内齿轮Ⅲ的齿槽正对,内齿轮Ⅱ由高阻尼复合材料制成。
进一步的是：外齿轮I、外齿轮Ⅱ和外齿轮Ⅲ均为斜齿轮且沿偏心输入轴轴线方向依次设置，外齿轮I和外齿轮Ⅱ与外齿轮Ⅲ旋向相反。
进一步的是：外齿轮I、外齿轮Ⅱ和外齿轮Ⅲ均进行了齿向修形处理使轮齿在齿宽中央鼓起，齿面与端面圆弧过渡，齿面半径为Ry，齿面与端面的过渡圆弧半径为r，Ry和r取值随齿宽变化而变化，具体如下：当齿宽为2～3mm，r取20～50mm，Ry取400～600mm；齿宽为3～4mm，r取50～100mm，Ry取650～900mm；齿宽为5～8mm，r取70～110mm，Ry取700～950mm。
进一步的是：内齿轮Ⅱ齿宽为内齿轮Ⅲ齿宽的65％～100％，外齿轮Ⅱ齿宽为外齿轮Ⅲ齿宽的65％～100％。
进一步的是：高阻尼复合材料为高阻尼聚合物基复合材料，外齿轮Ⅱ阻尼性能比外齿轮Ⅲ高1～2个数量级，内齿轮Ⅱ阻尼性能比内齿轮Ⅲ高1～2个数量级。
进一步的是：高阻尼复合材料为高阻尼智能型复合材料，阻尼性能与结构振动响应的变化相匹配，外齿轮Ⅱ阻尼性能比外齿轮Ⅲ高1～2个数量级，内齿轮Ⅱ阻尼性能比内齿轮Ⅲ高1～2个数量级。
进一步的是：固定模块内设置有轴承孔I，轴承孔I内安装有滚动轴承I，输入轴主体安装于滚动轴承I的内孔内。
进一步的是：输出模块内设置有轴承孔Ⅱ，轴承孔Ⅱ内安装有滚动轴承Ⅱ，输入轴主体安装于滚动轴承Ⅱ的内孔内。
进一步的是：固定模块内设置有轴承孔Ⅲ，轴承孔Ⅲ内安装有滚针轴承，输出模块安装于滚针轴承的内孔内。
本发明的有益效果是：(1)降低噪声和振动。本发明的减速器，通过在少齿差啮合副中设置一对高阻尼复合材料齿轮，利用高阻尼复合材料的阻尼性能，可以有效吸收由于减速器齿轮制造及装配误差、齿轮啮入及啮出冲击、负载突变以及齿轮磨损等带来的噪声和振动，从而可以延长承受循环载荷和冲击的服役时间。
(2)提高减速器的运行寿命。本发明的减速器传动形式属于少齿差行星传动，主要通过两对齿的内啮合进行运动和动力的传递，和普通少齿差传动相比较，本发明减速器的不同之处在于引入了高阻尼复合材料，能够吸收运动及动力传递过程中的振动和噪声，降低了齿轮的磨损程度，因此可以保证长时间内的高效传动，提高减速器的运行寿命。
附图说明
图1是高阻尼滤波减速器结构图；
图2是齿向修形处理示意图；
图3是图2中A处放大视图；
图中标记为：固定模块1、偏心输入轴2、输入轴主体3、偏心段4、输出模块5、中间模块6、内齿轮I7、内齿轮Ⅱ8、内齿轮Ⅲ9、外齿轮I10、外齿轮Ⅱ11、外齿轮Ⅲ12、轴承孔I13、滚动轴承I14、滚动轴承Ⅱ15、轴承孔Ⅱ16、轴承孔Ⅲ17、滚针轴承18。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，高阻尼滤波减速器包括固定模块1、偏心输入轴2、输出模块5和中间模块6；偏心输入轴2包括输入轴主体3和偏心段4；固定模块1与输入轴主体3同轴设置；输出模块5与输入轴主体3同轴设置并可旋转；中间模块6套装于偏心段4上并可旋转；
固定模块1包括内齿轮I7；输出模块5包括内齿轮Ⅱ8和内齿轮Ⅲ9；中间模块6包括外齿轮I10、外齿轮Ⅱ11和外齿轮Ⅲ12；内齿轮I7、内齿轮Ⅱ8和内齿轮Ⅲ9分别与外齿轮I10、外齿轮Ⅱ11和外齿轮Ⅲ12一一对应设置并啮合形成少齿差啮合副；
外齿轮Ⅱ11的轮齿与外齿轮Ⅲ12的齿槽正对,外齿轮Ⅱ11由高阻尼复合材料制成；内齿轮Ⅱ8的轮齿与内齿轮Ⅲ9的齿槽正对,内齿轮Ⅱ8由高阻尼复合材料制成。
外齿轮Ⅱ11由高阻尼复合材料制成，外齿轮I10和外齿轮Ⅲ12由齿轮常用的钢材制成，外齿轮Ⅱ11与外齿轮Ⅲ12材料不同，两齿轮难以制成一体，可以将外齿轮Ⅱ11通过螺纹连接与中间模块6的主体连接。基于同样的原因，内齿轮Ⅱ8也可以通过螺纹连接与输出模块5的主体连接。
本高阻尼滤波减速器减速原理如下：驱动装置(例如电动机)带动偏心输入轴2旋转。中间模块6套装于偏心段4上并可自由旋转，因此中间模块6不与偏心输入轴2同步旋转，只是绕输入轴主体3公转。中间模块6绕输入轴主体3公转过程中，外齿轮I10的轮齿与内齿轮I7的轮齿依次啮合，内齿轮I7固定不动，因此内齿轮I7推动外齿轮I10自转。外齿轮I10与内齿轮I7齿数差越少则外齿轮I10自转速度越慢。外齿轮I10带动中间模块6旋转也就带动了外齿轮Ⅱ11和外齿轮Ⅲ12旋转，外齿轮Ⅱ11和外齿轮Ⅲ12与内齿轮Ⅱ8和内齿轮Ⅲ9啮合即带动输出模块5旋转完成减速过程。
通过在少齿差啮合副中设置一对高阻尼复合材料齿轮，利用高阻尼复合材料的阻尼性能，可以有效吸收由于减速器齿轮制造及装配误差、齿轮啮入及啮出冲击、负载突变以及齿轮磨损等带来的噪声和振动，从而可以延长承受循环载荷和冲击的服役时间，降低了齿轮的磨损程度，可以保证减速器长时间内的高效传动，提高减速器的运行寿命。
高阻尼复合材料为现有材料，具有宽温域高阻尼特性，可以保证在减速器正常工作温度范围内都能起到良好的减振降噪作用，并同时具有一定的刚度和强度，以利于加工和安装，避免在传动过程中过于粘滞，降低减速器传动效率。
通过设置外齿轮Ⅱ11的轮齿与外齿轮Ⅲ12的齿槽正对和内齿轮Ⅱ8的轮齿与内齿轮Ⅲ9的齿槽正对，使这两对齿轮错位啮合，两对齿轮啮合相位相反，单周传动误差显著减小，而单周传递误差正是传递误差的主要成分，因此可以在较低加工精度的情况下，获得高的传动精度；并且能够提高齿轮传动的重合度，有效减少了轮齿啮合对数交替变化过程中的刚度激励，使得啮合更加平稳，轮齿载荷分布更加均匀，降低了振动和噪声。
进一步的，外齿轮I10、外齿轮Ⅱ11和外齿轮Ⅲ12均为斜齿轮且沿偏心输入轴2轴线方向依次设置，外齿轮I10和外齿轮Ⅱ11与外齿轮Ⅲ12旋向相反。采用斜齿轮结构可以减少啮入及啮出的冲击振动，使传动平稳、噪声小，而且重合度较直齿轮结构大，承载能力也更高；然而斜齿轮传动会产生轴向力，所以利用旋向相反的斜齿轮可以部分抵消该轴向力。
进一步的，如图2和图3所示，外齿轮I10、外齿轮Ⅱ11和外齿轮Ⅲ12均进行了齿向修形处理使轮齿在齿宽中央鼓起，齿面与端面圆弧过渡，齿面半径为Ry，齿面与端面的过渡圆弧半径为r，Ry和r取值随齿宽变化而变化，具体如下：当齿宽为2～3mm，r取20～50mm，Ry取400～600mm；齿宽为3～4mm，r取50～100mm，Ry取650～900mm；齿宽为5～8mm，r取70～110mm，Ry取700～950mm。通过对外齿轮I10、外齿轮Ⅱ11和外齿轮Ⅲ12进行齿向修形处理，使得轮齿接触的边缘效应弱化，避免了应力集中，同时，通过齿向修形，获得了一个较好的沿齿向油膜分布，使得轮齿处于弹流润滑状态，有效改善了轮齿的润滑状况，提高减速器的运行寿命。
进一步的，内齿轮Ⅱ8齿宽为内齿轮Ⅲ9齿宽的65％～100％，外齿轮Ⅱ11齿宽为外齿轮Ⅲ12齿宽的65％～100％。通过减少非承载内齿轮Ⅱ8和外齿轮Ⅱ11的齿宽，可以节约成本，减小减速器轴向尺寸，方便制造安装。
为了进一步降低减速器的振动和噪声，高阻尼复合材料为具有比强度高、比模量大、耐疲劳、良好的耐冲击性、耐磨性以及加工工艺好的高阻尼聚合物基复合材料，外齿轮Ⅱ11阻尼性能比外齿轮Ⅲ12高1～2个数量级，内齿轮Ⅱ8阻尼性能比内齿轮Ⅲ9高1～2个数量级。或者高阻尼复合材料为能自感知、自判断和自适应振动的高阻尼智能型复合材料，其阻尼性能与结构振动响应的变化相匹配，外齿轮Ⅱ11阻尼性能比外齿轮Ⅲ12高1～2个数量级，内齿轮Ⅱ8阻尼性能比内齿轮Ⅲ9高1～2个数量级。高阻尼聚合物基复合材料是通过在聚合物基体中加入填料制备而成，加工方法一般选择互穿聚合物网络(IPN)技术或梯度IPN技术。高阻尼智能型复合材料一般选择压电阻尼材料，在高分子材料中加入一类导电的压电粒子，实现将振动能转化为电能，最后转换成热能消耗。
高阻尼滤波减速器具体设置方式可以如下：固定模块1内设置有轴承孔I13，轴承孔I13内安装有滚动轴承I14，输入轴主体3安装于滚动轴承I14的内孔内。输出模块5内设置有轴承孔Ⅱ16，轴承孔Ⅱ16内安装有滚动轴承Ⅱ15，输入轴主体3安装于滚动轴承Ⅱ15的内孔内。固定模块1内设置有轴承孔Ⅲ17，轴承孔Ⅲ17内安装有滚针轴承18，输出模块5安装于滚针轴承18的内孔内。上述设置可以使高阻尼滤波减速器结构更加紧凑，有利于减小高阻尼滤波减速器体积。

Claims (9)

1.高阻尼滤波减速器，其特征在于：包括固定模块(1)、偏心输入轴(2)、输出模块(5)和中间模块(6)；偏心输入轴(2)包括输入轴主体(3)和偏心段(4)；固定模块(1)与输入轴主体(3)同轴设置；输出模块(5)与输入轴主体(3)同轴设置并可旋转；中间模块(6)套装于偏心段(4)上并可旋转；
固定模块(1)包括内齿轮I(7)；输出模块(5)包括内齿轮Ⅱ(8)和内齿轮Ⅲ(9)；中间模块(6)包括外齿轮I(10)、外齿轮Ⅱ(11)和外齿轮Ⅲ(12)；内齿轮I(7)、内齿轮Ⅱ(8)和内齿轮Ⅲ(9)分别与外齿轮I(10)、外齿轮Ⅱ(11)和外齿轮Ⅲ(12)一一对应设置并啮合形成少齿差啮合副；
外齿轮Ⅱ(11)的轮齿与外齿轮Ⅲ(12)的齿槽正对,外齿轮Ⅱ(11)由高阻尼复合材料制成；内齿轮Ⅱ(8)的轮齿与内齿轮Ⅲ(9)的齿槽正对,内齿轮Ⅱ(8)由高阻尼复合材料制成。
2.根据权利要求1所述的高阻尼滤波减速器，其特征在于：外齿轮I(10)、外齿轮Ⅱ(11)和外齿轮Ⅲ(12)均为斜齿轮且沿偏心输入轴(2)轴线方向依次设置，外齿轮I(10)和外齿轮Ⅱ(11)与外齿轮Ⅲ(12)旋向相反。
3.根据权利要求2所述的高阻尼滤波减速器，其特征在于：外齿轮I(10)、外齿轮Ⅱ(11)和外齿轮Ⅲ(12)均进行了齿向修形处理使轮齿在齿宽中央鼓起，齿面与端面圆弧过渡，齿面半径为Ry，齿面与端面的过渡圆弧半径为r，Ry和r取值随齿宽变化而变化，具体如下：当齿宽为2～3mm，r取20～50mm，Ry取400～600mm；齿宽为3～4mm，r取50～100mm，Ry取650～900mm；齿宽为5～8mm，r取70～110mm，Ry取700～950mm。
4.根据权利要求3所述的高阻尼滤波减速器，其特征在于：内齿轮Ⅱ(8)齿宽为内齿轮Ⅲ(9)齿宽的65％～100％，外齿轮Ⅱ(11)齿宽为外齿轮Ⅲ(12)齿宽的65％～100％。
5.根据权利要求4所述的高阻尼滤波减速器，其特征在于：高阻尼复合材料为高阻尼聚合物基复合材料，外齿轮Ⅱ(11)阻尼性能比外齿轮Ⅲ(12)高1～2个数量级，内齿轮Ⅱ(8)阻尼性能比内齿轮Ⅲ(9)高1～2个数量级。
6.根据权利要求4所述的高阻尼滤波减速器，其特征在于：高阻尼复合材料为高阻尼智能型复合材料，阻尼性能与结构振动响应的变化相匹配，外齿轮Ⅱ(11)阻尼性能比外齿轮Ⅲ(12)高1～2个数量级，内齿轮Ⅱ(8)阻尼性能比内齿轮Ⅲ(9)高1～2个数量级。
7.根据权利要求5或6所述的高阻尼滤波减速器，其特征在于：固定模块(1)内设置有轴承孔I(13)，轴承孔I(13)内安装有滚动轴承I(14)，输入轴主体(3)安装于滚动轴承I(14)的内孔内。
8.根据权利要求7所述的高阻尼滤波减速器，其特征在于：输出模块(5)内设置有轴承孔Ⅱ(16)，轴承孔Ⅱ(16)内安装有滚动轴承Ⅱ(15)，输入轴主体(3)安装于滚动轴承Ⅱ(15)的内孔内。
9.根据权利要求8所述的高阻尼滤波减速器，其特征在于：固定模块(1)内设置有轴承孔Ⅲ(17)，轴承孔Ⅲ(17)内安装有滚针轴承(18)，输出模块(5)安装于滚针轴承(18)的内孔内。
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