文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
前言
随着世界船舶工业的快速发展，各种大型船用减振器在船舶上得到了广泛的应用，而这些减振器均以行星齿轮传动为基础进行设计，其中最典型的减振器是人字齿轮减振器。人字齿轮减振器的减振性能主要取决于齿轮副的啮合刚度、齿宽、齿数以及啮合线速度等参数。
人字齿轮减振器的设计是基于对人字齿轮传动系统振动特性及结构设计特点的分析，对不同位置、不同参数进行优化设计，从而得到理想的人字齿轮传动系统，使系统工作在最佳状态下。
本文以某型船用行星人字齿轮减振器为例，进行相位调谐减振设计，以期达到最佳减振效果。
行星人字齿轮传动的特点和存在的振动问题
行星人字齿轮传动，是在传统齿轮传动的基础上，在啮合原理、齿轮材料、制造工艺等方面都有了很大的改进和提高。由于齿轮传动具有传动比大、结构紧凑、承载能力强、运转平稳等优点，使其在现代船舶中得到了广泛的应用。
但是，由于这种齿轮传动装置采用行星机构，在运动过程中，每个行星轮都要依次与另一个行星轮啮合，这样就不可避免地存在着两个行星轮啮合产生的齿侧间隙，使每个行星轮产生齿侧载荷，引起啮合振动。
这是由于行星轮与行星架之间存在一个相对运动而产生的周期性变化的压力和拉力所致。而这种周期性变化的压力和拉力会造成行星人字齿轮传动装置产生较大的振动和噪声，甚至使人感觉到难受，这也是行星人字齿轮传动装置常被人们所诟病的地方。
要克服行星人字齿轮传动装置带来的振动和噪声问题，必须先找出引起振动和噪声的原因，并进行针对性地处理。
行星人字齿轮传动装置的特点是：每个行星轮上都有一个与之啮合的行星架，它将每个行星轮分成两个部分，每个部分均与行星架啮合。这就不可避免地使两个行星轮之间存在一个相对运动而产生的齿侧间隙，同时产生的压力和拉力也会导致啮合振动，从而引起啮合噪声。
产生振动和噪声的原因是多方面的，主要有：①齿轮制造误差、安装误差以及装配和安装时存在的各种误差，使各个行星轮之间存在齿侧间隙。
②行星架偏心或在垂直方向上弯曲变形；③行星轮的滚动和滑动产生的相对位移；④齿轮制造误差、安装误差、弹性变形等造成的啮合振动等。另外，由于现代船舶空间狭小，空间布置紧凑，在这种情况下要尽量减少各个行星轮之间的啮合频率范围。
相位调谐技术的工作原理和优势
相位调谐减振技术的工作原理是通过在行星人字齿轮传动系统中加入相位调谐装置，使其在不同位置处产生不同的啮合频率，从而在发生啮合冲击的同时，对啮合频率进行调整，使其振动幅值和频率得到有效控制，以降低其在运转过程中产生的振动。
相位调谐装置由驱动电机、相位调谐控制机构及相位测量传感器三部分组成，通过改变驱动电机的转速，就可以实现对相位调谐装置内各齿轮啮合频率的控制。
（1）相位调谐控制机构是由驱动电机、行星人字齿轮及相位调谐控制机构组成，其工作原理如下：
驱动电机通过内部的伺服系统带动行星人字齿轮旋转，由于行星人字齿轮属于低速、高速两种类型，当转速变化时，行星人字齿轮传动系统会产生不同的啮合频率。
相位调谐控制机构根据这一现象产生的变化情况，调整驱动电机转速，使之与相位调谐控制机构中各齿轮啮合频率相适应，从而使行星人字齿轮传动系统在发生啮合冲击时能避免产生较大的振动。
（2）相位调谐控制机构内各齿轮啮合频率与行星人字齿轮传动系统中各齿轮啮合频率相适应后，就可以消除由于行星人字齿轮传动系统中各齿轮啮合频率不同而引起的振动现象。
（3）相位测量传感器由安装在行星人字齿轮传动系统中的两个磁棒组成，当两个磁棒相对位置发生变化时，两个磁棒上的感应电压会随之发生改变。
从而使磁棒上感应电压与相位调谐控制机构中各齿轮啮合频率相适应后，就可以使行星人字齿轮传动系统在发生啮合冲击时能避免产生较大的振动。
基于相位调谐技术的行星人字齿轮传动减振
在船用行星人字齿轮传动的减振设计中，其振动特性不仅与齿轮的设计和制造有关，而且还与其运行工况的振动特性密切相关。
以一种典型的行星人字齿轮传动为例，当行星齿轮和人字齿轮之间啮合时，两个齿轮的齿廓同时啮合，且均与太阳轮齿圈（或行星轮齿圈）相切，两者之间的啮合间隙较小。因此，两个齿轮的啮合刚度为零。
当两个行星轮分别与太阳轮进行啮合时，由于其啮合刚度很小，而且与太阳轮齿圈（或行星轮齿圈）的接触区域较小，因此，两个行星轮分别与太阳轮齿圈（或行星轮齿圈）相切时，两个行星轮的齿廓将同时与太阳轮齿圈（或行星轮齿圈）相切。
在实际运行中，由于外部载荷和齿轮自身振动的影响，会导致两个行星轮分别与太阳轮齿圈（或行星轮齿圈）发生相对运动。由于在相对运动中两个行星轮的啮合刚度较小，因此在啮合过程中会产生较大的冲击载荷和振动。
上述分析表明：当两个行星轮分别与太阳轮齿圈（或行星轮齿圈）相切时，由于太阳轮和行星轮之间的接触区域较小，导致太阳轮齿圈（或行星轮齿圈）与太阳轮齿圈齿面之间的接触冲击载荷较大。
由于两个行星轮分别与太阳轮齿圈（或行星轮齿圈）相切时会产生较大的冲击载荷和振动载荷。
在实际运行过程中，由于齿轮自身的振动特性和外部载荷等因素，导致两个行星轮之间啮合刚度较小、啮合接触区域较小、啮合冲击载荷和振动载荷较大。因此，在实际运行过程中会出现上述问题。
相位调谐技术在船舶传动中的应用前景
船舶传动系统是船舶设备的重要组成部分，其运行的可靠性、平稳性直接关系到船舶设备的性能和使用寿命，同时，由于振动噪声问题，也会降低船舶设备的使用效率和维护成本。
传统的机械传动系统因其固有频率高，对外部激励响应敏感，从而产生共振，使其振动加剧、噪声增大。采用相位调谐技术对齿轮传动进行优化设计，可以使其在传动过程中受到振动激励时具有较好的共振抑制能力和噪声控制能力，从而有效地避免共振产生。
另外，通过优化设计来调整传动系统的固有频率和振动幅值等参数，可以实现对不同激励频率下振动响应和噪声指标的灵活控制。
以人字齿轮作为减振传动系统的核心部件，并将其应用于船舶设备中具有很大的应用前景。基于相位调谐技术对人字齿轮进行优化设计，使其在不同振动频率下均能获得较好的减振性能，从而可以有效地避免共振产生。
同时，通过相位调谐技术对齿轮进行优化设计以实现对不同振动幅值下齿轮啮合刚度的灵活控制，从而可以进一步提高齿轮减振性能和提高其使用寿命。因此，相位调谐技术在船舶减振传动系统中具有广泛的应用前景。
此外，由于相位调谐技术的应用能够实现对不同振动频率下齿轮啮合刚度和啮合阻尼等参数的灵活控制。
从而可以实现对不同振动幅值下齿轮啮合刚度和啮合阻尼等参数的灵活控制，使得采用相位调谐技术对人字齿轮进行优化设计后，其减振性能、使用寿命和使用稳定性等均得到了较大幅度提升。
从上述分析可知，相位调谐技术具有振动与噪声性能好、结构简单紧凑、动态响应性能好等优点，其在人字齿轮减振传动系统中的应用前景广阔。
本文提出的基于相位调谐技术的行星人字齿轮传动系统，通过合理优化设计，可使其在不同振动频率下均能获得较好的减振性能，从而可以有效地避免共振产生。
同时，通过对不同振动幅值下齿轮啮合刚度和啮合阻尼等参数的灵活控制，可实现对不同振动幅值下齿轮啮合刚度和啮合阻尼等参数的灵活控制，从而进一步提高齿轮减振性能、使用寿命和使用稳定性等。
此外，通过对相位调谐技术进行优化设计，也可使其在不同振动幅值下具有较好的减振性能。综上所述，本文提出的基于相位调谐技术的行星人字齿轮减振传动系统，通过合理优化设计，可使其在不同振动频率下均能获得较好的减振性能。
从而可以有效地避免共振产生；同时，通过对相位调谐技术进行优化设计，可实现对不同振动幅值下齿轮啮合刚度和啮合阻尼等参数的灵活控制，从而可以进一步提高齿轮减振性能、使用寿命和使用稳定性等。
此外，本文提出的基于相位调谐技术的行星人字齿轮减振传动系统，还可以通过对相位调谐技术进行优化设计来改善齿轮的动态性能，从而进一步提高齿轮减振性能和使用稳定性等。
笔者观点
针对船舶行业中，行星人字齿轮传动的振动问题，通过上述分析可知，其振动是由于齿面接触疲劳导致的；因此，降低齿面接触疲劳，是降低振动的关键所在。
通过对人字齿啮合特性分析，明确了人字齿的齿形、齿数、模数、压力角和啮合频率等关键参数对人字齿的接触疲劳寿命影响程度，并据此对人字齿进行相位调谐减振设计。
相位调谐技术是一种新型减振技术，该技术不改变人字齿轮副啮合形式，通过改变啮合频率和相位来抑制振动；在降低振动方面具有突出的优势；且在保证齿面接触疲劳寿命的前提下，可有效改善系统的动态性能。
参考文献
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