英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

一种用于自动变速箱的新型斜齿轮多速齿轮箱的设计与仿真

摘要：本文开发了一种作为同心轴之间动力传递的齿轮箱的新型机构。通过这种方法，单级减速比范围可能从10：1降到数百万比一。这个机构比行星齿轮便宜得多。该机构包括一个驱动轴和一个从动轴，其中一个锥形齿轮是固定的，而其余的则是被驱动的。在这种机构中，由于注意到设计类型，尽管占用空间非常小，通过组合多个比例的锥齿轮可以被用作变速箱。我们首先提出运动图，然后提出运动方程。使用Visual Nastran，Autodesk Inventor Dynamic和具有三种不同输入转速的COSMOS Motion软件的仿真结果表明，该机制可以具有较高的减速比。最后，使用ANSYS工作台软件的机构张力分析表明，2号固定齿轮上的张力最大。

关键词：齿轮;运动图;动力传输;减速器;Visual Nastran软件，

1.前言

大多数农业和建筑机械的动力传输系统都使用各种机械来将输入速度降低到期望值。根据能量守恒定律，减小速度，则传递扭矩增加[Shirkhorshidian，2004]。目前，齿轮主要用于汽车差速器（轮式），拖拉机的后驱动和重型机械的减速器中。因为它们占用很多空间，所以不能用于高速减速。行星齿轮箱占用空间较小，减速比其他减速机构更快[Bennett，1979; Hojjati，2000; Makevet等人，2001;Martin，1969]。众所周知，在齿轮系统中要有更多的扭矩比，必须选择较大的齿轮半径或增加齿轮数。因此，由于它占用空间太大，也因为在行星齿轮箱中使用齿圈，所以这些机构的生产成本很高（图1）[Shirkhorshidian，2004;马丁，1969]。另一种减速器是具有更多减速比的蜗轮。它也用于一些直升机的动力传递。但是由于其耗损很大，为了提高效率，通常使用静液压润滑（图2）[Michael，1987;塞缪尔，1988;塞缪尔，1975; Seth，1986]。另一种机构由大太阳齿轮和减速比大的齿圈组成。但由于其太阳齿轮偏离中心，在输出时产生了轻微的脉动[Oberto等人，2000;赖特，1993; Reimpel等，2002; Cantor，2008]。本文提出的机构由一些圆锥齿轮组成，相对于齿圈具有较小的成本，并且应用于紧凑型汽车中，具有高比例的减速比和同心输入输出轴。在机构中组合一些具有不同比例的小齿轮，它可以用作多速齿轮箱。

2．材料和方法

本文所提出的机构由8个圆锥齿轮组成。两个是水平的，其中一个（齿轮1）是固定的，另一个是具有更多齿数的另一个是从动齿轮（齿轮4），它连接到输出轴。输入轴连接到驱动轴。小齿轮（齿轮2和3）通过轴承与其连接。两个小齿轮被锁定在一起，这是减速机构原理的基础。

2.1．机构设计与理论

物体通常有两种类型的速度，即线速度和角速度[Shirkhorshidian，2004]。总速度是以上两个速度的结果。如图4所示，如果作为小齿轮的间距锥的L 2和L 3不同源，则在旋转期间各自具有不同的角速度（齿轮1固定，齿轮2和齿轮4连接到输出轴和齿轮3）。由于输入轴的旋转，齿轮2具有角速度，因为齿轮2和齿轮3被锁定，被传送到齿轮3，于是现在齿轮3有两个速度。其中之一是连接到驱动轴的线速度结果，另一个是的角速度()结果.这些速度的结果被传递到齿轮4（图5）。

2.2．机械结构的动力学分析

从图6可以得到如下的机械结构动力学方程：

在这里：=输入轴角速度(rad/s)


=齿轮2或3的角速度（rad / s）

=输出轴的角速度或档4号（rad / s）

=

=（m/s）

=（m/s）

=齿轮2和3的圆锥花序

考虑等式，如果和保持恒定以限制空间，则可以设计任意尺寸以达到所需的速度。如果Ngt; 0，则输入轴和输出轴的旋转方向相同，如果N lt;0，则它们的旋转方向相反。

2.3.机械结构的运动学分析

图7显示了整个机构及其主要坐标系的示意图。由于机械对称性，在一个驱动轴上进行动态分析。从图8和直齿锥齿轮方程[Hojjati，2000]，可以得到如下的运动方程：

考虑到能源守恒定律，输入轴和输出轴功率相等。那么上面的方程可以用于齿轮3和4，如下所示：

在这里：齿轮1，2，3，4的轴向力

齿轮1，2，3，4的径向力

齿轮1，2，3，4的切向力

齿轮分支数

输入功率

输入和输出轴向力矩轴分别

节圆的线速度齿轮2和4

2.4.机械结构的空间（体积）

在旋转期间，该机构占据等于从以上等式（图9）获得的值的恒定空间。

如果Ngt; 0（相同旋转方向），方程式为：

如果N lt;0（相反旋转方向），则占据的空间如下：

在这里：机械结构所占用的空间

齿轮2，3，4的外圆半径

如以上方程式所示，为了达到任意速比，必须分别改变和。因此，对于任何N，由于和是恒定的，通过改变等式中的和，占用空间保持恒定。但N的通常范围为-1le;Nle;1。对于gt; 1或以速度增加，必须使用图10所示的不同的配置。

2.5.通用机械结构

通过改变机构配置并将几种不同比例的小齿轮和耦合主题结合到磁力或液压离合器，可以实现新的多速变速箱，如图11所示。该变速箱的一个显著优点是输入和输出轴用于紧凑型动力传动系。例如：如果齿轮箱用于汽车，通过改变一对小齿轮的比例，直接动力传动系中的倒档方向（N lt;0）将达到倒档。通过其图11中所示的配置，获得了输入和输出轴之间的四个比率。同样值得注意的是，通过连接小齿轮2可以实现更多的比例。

3.结果及其讨论

对于等式（5），如果=，将导致N = 0，在每一个输入角速度下，没有实现任何输出。因此，通过精确的设计和制造，该机构能够具有无限的减速比。另外，通过计算方程式6,8,9,11和13的轴向和径向载荷，设计人员将能够选择齿轮2,3和4上的合适的轴承，这样可以在其空间设计中承受目录中的载荷。

3.1.建模及其结果

该减速器的最大优点是其占用的空间小。只要在初步设计中改变或，就能实现所需的速度。使用强大的COSMOS Motion，Autodesk Inventor和Visual Nastran进行模拟。图12显示了模拟结果。图12(a)中的模拟通过Visual Nastran建模的比例为1/10000，在图12-b中，Autodesk Inventor的比例为1/1000，在图12-c中，COSMOS Motion的比例为1/3600。另外，由图12可以清楚地看出，这项研究的目的已得到确认。在分别来自Visual Nastran和COSMOS运动软件的图12-a和12-c中，输入和输出结果分别被打印出来，但在Autodesk Inventor的图12-b中，输入和输出结果打印在一张纸上，以获得更好的比较。可以看出，所有软件模拟的结果已被批准为研究报告，并且输出已按预期改变为所需的速度。

3.2.有限元分析

使用ANSYS Workbench软件分析了该机构，仿真结果如图13所示。模拟结果表明，最大张力发生在图2所示的齿轮2中。因此，为了传输更多的功率，比起其他部件，设计人员必须将更多的关注和重点放在这种机构的齿轮2上，并为其设计更大的空间，从而实现安全和低维护成本的动力传递。

4.结论

（1）在比例的初步设计中，提出的机构可以用于紧凑列车中减小或增加速度，相同或相反方向，并且可能在其他重要的应用中很有用。

（2）在需要直接动力传动系中的非常高的减速（输入轴和输出轴的同心度）的动力传动中，可以非常好地实现该机构的优点。

（3）使用工程软件的动态分析表明，只有改变或值才能获得每个速比。

（4）使用ANSYS软件，齿轮2中发生最大应力。因此，该部件必须由其他部件的较高工程生产线中的加固材料制成。

（5）推广这种机构，包括组合几种不同比例的小齿轮和与磁力或液压离合器的耦合，可以产生一个新的多速变速箱。

齿轮箱噪声和振动预测和控制

本文将研究用于静音齿轮箱和传动装置的实用技术和程序。作者更倾向于解决齿轮噪声问题，引入外壳作为减少辐射噪声的手段，这似乎很容易，但其对声压级的影响很小。齿轮箱噪声问题解决方案侧重于齿轮设计的改进;验证其对辐射噪声的影响，以及确定齿轮对卡车或汽车整体噪声水平的影响以及执行齿轮轴系统信号处理和诊断所需的基于计算机的分析和/或数字工具。所有的分析方法都是基于时域和频域的方法。特别注意由于网格周期期间的传输误差变化而导致的驱动器的平滑度。本文将研究齿轮角振动分析技术的进展及其对自激振动在齿轮噪声方面的影响。这篇陈述将包括在实际工程问题中使用这些方法的一些例子。

1. 前言

齿轮箱的主要功能是以给定的比例改变速度和扭矩并改变旋转轴。齿轮箱的主要部件是齿轮，轴，轴承，外壳以及齿轮箱离合器和联轴器的外部。齿轮是通过连续的啮合齿来传递运动的机器元件。速度的转变没有滑动和失去同步。因此，驱动齿轮与从动齿轮的角速度或一对配合齿的速度比之间的关系与驱动齿轮和从动齿轮的齿数有关。一个齿轮系由两个或更多个齿轮（小齿轮和齿轮）组成，用于将运动从一个轴传递到另一个轴。齿轮系的运行状况取决于驱动系统。一些变速箱以稳态转速工作，其他变速箱的转速在一定范围内变化。独立于转速，传递功率可以是恒定的或可变的。

齿轮箱是振动源，因此也是噪音源。除了承担致命缺陷或增大极端结构共振之外，即使在新建单位中，齿轮也是高频振动和噪声的主要来源。齿轮箱的整体声压级（SPL）与和啮合齿轮相关的SPL相比，最高也只高出5分贝。有两种可能的解决方案来保持传递单元安静。引入外壳以防止噪音辐射 – 这很容易导致效率低下和维护困难的后果。更复杂和更有效的解决方案是基于解决噪声问题的根源。这意味着引入针对齿轮设计和制造的改进，从而最大限度地减少了SPL。

1. 历史记录

本文作者是TATRA齿轮箱降噪组的成员，该公司是一家生产越野和公路卡车的捷克公司。 TATRA卡车用于运载货物，最大承重量超过12吨。过去，TATRA卡车变速箱以设计非常坚固而著称。他们唯一的缺点是他们“有点嘈杂”。1994年欧洲公路卡车的80 dB最高通过噪音水平限制引发了一场关于开始齿轮降噪研究的挑战。值得注意的是，研究人员应该通过距离测试轨迹中心7.5米距离的dB刻度上的时间F加权和频率A加权来进行通过噪声测量。在美国，SPL的距离为50英尺（与欧洲测试方法相比增加了一倍），因此必须将6 dB加到美国的限制标准以使其符合欧洲水平。在过载噪声测量中，卡车的运行状况基于国际标准ISO R362-1982（E）“加速道路车辆噪声测量噪声测量法 - 工程方法”中规定的全加速试验，或SAE J366 表面车辆标准 -（R）“重型卡车和公共汽车的外部声级（发布于1969年07月，重申于1987-02）。”测试要求车辆以完全加速的方式驾驶通过测试轨道。

道路车辆的噪音水平每隔一段时间减少，因为它有可能达到车辆噪音规定的要求。上述类别的卡车的最高SPL在1994年之前设定为84 dB。84 dB的卡车很容易生产，但SPL最近一次下降了4 dB，这就需要根本改进。卡车发动机是最嘈杂的单位。降低在1989年生产的T 815-2型TATRA卡车的发动机噪音是通过使用适合发动机部件的盖板和护罩来达到的，并且通过降低气缸气压的上升速率。减少SPL以达到最后4 dB的目标是不容易的。为了解决齿轮箱噪声问题，有必要决定是否将特殊外壳延伸到齿轮箱上。如前所述，设计师决定在最终来源解决变速箱噪音问题。实验结果表明，带有万向轴开口的外壳可以在距离为1 m时在SPL上减小3dB。 TATRA卡车动力传动系具有与发动机分离的变速箱，并且这些单元通过万向轴连接到它，因此，设计阻止噪声辐射的齿轮箱外壳是不容易的。本文介绍了卡车变速箱静音的研究工作。如前所述，卡车齿轮箱没有外壳，其运行转速和负载不稳定，而是变量。从卡车齿轮箱降噪研究工作中获得的经验可以应用于任何其他传动系之中。

1. 汽车通过噪声测量

传递噪声应根据外部车辆噪声进行评估。为了分析每个独立简单齿轮系对整体噪声水平的影响，最好在通过试验期间测量声压和发动机每分钟转数（RPM）的时间历程。车辆变速器单元包含多个轴，其可以通过固定变速器相干运行，或者通过变矩器滑动部分地相连，或者彼此独立，例如发动机室中的冷却风扇。发出的音调噪声由谐波分量组成，其频率是相应部分转速（RPM）的倍数。假设瞬时转速以脉冲串的形式测量，然后通过无线电发射器传输，并与噪声和阈值信号一起记录。总体通过车辆噪声水平几乎由所提及的音调分量的影响所给出。因此，可以分析每个独立的简单齿轮系以及发动机点火噪声和轮胎噪声对总体噪声水平的贡献。噪声谱分析需要通过引入测试过程中瞬时发动机转速的方法来扩展测量仪器。与使用固定车辆的测量相反，在通过噪声测试期间，噪声源和麦克风的相对速度的影响被转换为多普勒现象，并且在麦克风接收到的信号中导致正（接近）或负（后退）频移（通常为2到5％）。由相对于接收它的静止麦克风，以速度移动的源发出的声波的频率将声波频率移动到f1值：

其中c是声速。多普勒频移可能导致使用纳波段带通滤波器进行跟踪的相当

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[138387]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word