陳 兵,孫建偉
(西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,西安 710065)
齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)比精確、工作可靠等優(yōu)點(diǎn),被廣泛運(yùn)用在各領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)備中。齒輪傳動(dòng)裝置在運(yùn)行中產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲是機(jī)械設(shè)備振動(dòng)噪聲的主要來(lái)源之一[1],不僅影響著設(shè)備的機(jī)械性能,還嚴(yán)重影響著設(shè)備的使用壽命。因此,齒輪箱減振降噪的研究對(duì)人們?nèi)粘I钣兄匾饬x。
齒輪系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,由外部載荷和內(nèi)部激勵(lì)所引起的振動(dòng),是齒輪箱振動(dòng)噪聲的主要來(lái)源[2]。對(duì)齒輪箱振動(dòng)噪聲的研究可以追溯到20世紀(jì)初期。學(xué)者對(duì)振動(dòng)噪聲的研究最初是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)及大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行的,直到眾多數(shù)值方法(如FEM、BEM、SEA 等)的出現(xiàn),才為齒輪箱振動(dòng)噪聲的研究提供了更多的手段。
本文從齒輪箱振動(dòng)噪聲的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法、分析方法及減振降噪措施等方面,對(duì)國(guó)內(nèi)外近年來(lái)研究現(xiàn)狀及取得的成果進(jìn)行綜述,同時(shí)還給出了需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。
搭建科學(xué)規(guī)范的試驗(yàn)臺(tái)在驗(yàn)證并完善理論分析時(shí)是必不可少的一步。針對(duì)功率流不同的流向,可將齒輪箱振動(dòng)噪聲研究試驗(yàn)臺(tái)分為開(kāi)式試驗(yàn)臺(tái)和閉式試驗(yàn)臺(tái)兩種[3],如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)研究表明,開(kāi)式試驗(yàn)臺(tái)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性好等特點(diǎn)適用于短時(shí)間的測(cè)試實(shí)驗(yàn),而閉式試驗(yàn)臺(tái)雖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,通用性較差,但試驗(yàn)臺(tái)精度等級(jí)較高,適合精度要求較高的實(shí)驗(yàn)。
圖1 齒輪箱加載試驗(yàn)臺(tái)類型
圖2 聲學(xué)攝像機(jī)系統(tǒng)
在實(shí)驗(yàn)研究中,齒輪箱振動(dòng)噪聲的測(cè)量器可分為加速度計(jì)和聲級(jí)計(jì)兩種。Dalpiaz[4]和Wang[5]在對(duì)齒輪箱振動(dòng)噪聲進(jìn)行研究時(shí),便搭建了開(kāi)式試驗(yàn)臺(tái),用加速度計(jì)對(duì)箱體表面振動(dòng)加速度進(jìn)行測(cè)量。韓少軍等[6]采用加速度傳感器配合分析軟件,對(duì)齒輪箱振動(dòng)情況進(jìn)行分析,研究了固有頻率、齒形誤差及裝配誤差等因素引起的振動(dòng)噪聲對(duì)車輛舒適性的影響。齒輪箱聲級(jí)測(cè)量方法又分為聲壓法和聲強(qiáng)法[7]:劉文[8]和Lin[9]等采用聲壓法分別對(duì)船舶齒輪箱箱體表面、內(nèi)齒圈、軸承等測(cè)點(diǎn)處的聲壓級(jí)進(jìn)行了測(cè)量;朱才朝等[10]采用聲學(xué)攝像機(jī)系統(tǒng)(圖2)繪制了齒輪箱表面的噪聲聲強(qiáng)分布圖,對(duì)噪聲源進(jìn)行識(shí)別和分析。近年來(lái),人們對(duì)能夠直接測(cè)量機(jī)器表面振動(dòng)量的新測(cè)量?jī)x器的研究,為試驗(yàn)臺(tái)發(fā)展提供了新方向。
齒輪箱振動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)方法一般分為經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)值法,經(jīng)驗(yàn)公式法一般用于研究初期的振動(dòng)噪聲大致預(yù)測(cè)中,數(shù)值法則用于精確估算齒輪箱加工完成之后的振動(dòng)噪聲。
早期的經(jīng)驗(yàn)公式是由Niemann[11]經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究得出的,隨后,Kato[12]在Niemann的基礎(chǔ)上,又考慮了重合度、速度、傳動(dòng)功率、螺旋角、傳動(dòng)比、精度等級(jí)對(duì)齒輪噪聲的影響,提出了半經(jīng)驗(yàn)公式:
Kato 公式形式較簡(jiǎn)單,又能夠在齒輪設(shè)計(jì)初期對(duì)振動(dòng)噪聲進(jìn)行預(yù)估,因此廣泛的用于齒輪箱的設(shè)計(jì)中。Masuda[13]考慮到振動(dòng)噪聲隨振幅的變化,提出了Kato公式的修正公式:
修正后的公式增加了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,但由于代入公式前需要先計(jì)算出振動(dòng)位移振幅,計(jì)算較繁瑣。周建星等[14]考慮了齒輪精度等級(jí)對(duì)振動(dòng)噪聲的影響,經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究,擬合出新的振動(dòng)噪聲預(yù)估公式,并將其運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)中,驗(yàn)證了公式的準(zhǔn)確性。
在實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn),僅僅靠經(jīng)驗(yàn)公式往往無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)估齒輪箱復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲。為此,許多能夠較精確預(yù)估振動(dòng)噪聲的數(shù)值方法被提出。目前對(duì)齒輪箱振動(dòng)噪聲的研究中常用的數(shù)值方法就包括有限元法(FEM)、邊界元法(BEM)、有限元/邊界元法(FEM/BEM 法)、統(tǒng)計(jì)能量分析(SEA)等[15],適用頻率范圍如圖3所示。
圖3 噪聲預(yù)測(cè)方法適用范圍
2.2.1 有限元法(FEM)
有限元法是將聲場(chǎng)離散成有限個(gè)首尾相連的小單元,通過(guò)相連的節(jié)點(diǎn)聲壓可以換算得到任一單元上某點(diǎn)的聲壓值。但是若要用有限元法來(lái)離散外聲場(chǎng),將會(huì)因?yàn)閱卧獢?shù)量過(guò)多而計(jì)算復(fù)雜,故而有限元法對(duì)內(nèi)聲場(chǎng)問(wèn)題更適用。
研究人員最初是用有限元法齒輪箱進(jìn)行模態(tài)分析,從而得到模態(tài)頻率和振型。在此基礎(chǔ)上,朱才朝等[10]利用有限元法研究了內(nèi)部激勵(lì)于齒輪箱動(dòng)態(tài)特性的關(guān)系,分析了嚙合剛度和誤差等因素對(duì)齒輪箱振動(dòng)特性的影響。蔣仁科等[16]利用此法分析了包括轉(zhuǎn)速、嚙合沖擊等因素在內(nèi)的外部激勵(lì)對(duì)齒輪箱動(dòng)態(tài)的影響。Ding等[17]在對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱振動(dòng)噪聲研究時(shí),首次提出了3步分析法,建立了新的齒輪箱輻射噪聲預(yù)測(cè)方法。
2.2.2 邊界元法(BEM)
邊界元法是將齒輪箱外表面提取并劃分為網(wǎng)格,通過(guò)結(jié)構(gòu)表面的壓強(qiáng)和速度或勢(shì),計(jì)算出場(chǎng)點(diǎn)上的聲壓值。Graf等[18]分別研究了3種復(fù)雜程度不同的齒輪箱,對(duì)邊界元法預(yù)測(cè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)齒輪箱輻射噪聲的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。宋建軍等[19]以軸承處支反力為邊界條件,利用邊界元法對(duì)所建的模型進(jìn)行分析,預(yù)測(cè)齒輪箱表面及場(chǎng)點(diǎn)的輻射噪聲,對(duì)比優(yōu)化前后的噪聲大小,以此驗(yàn)證減振降噪的效果。
2.2.3 FEM/BEM法
由于有限元法和邊界元法對(duì)齒輪箱振動(dòng)噪聲的研究中都存在限制,研究人員結(jié)合有限元法在振動(dòng)分析中的優(yōu)勢(shì)及邊界元法在聲學(xué)分析中的優(yōu)勢(shì),提出先以有限元法對(duì)齒輪箱結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析,再以分析結(jié)果為邊界條件用邊界元法進(jìn)行聲學(xué)分析的新方法。FEM/BEM法是目前研究中運(yùn)用最為廣泛的方法[19]。
最初FEM/BEM法用來(lái)預(yù)測(cè)振動(dòng)噪聲時(shí)僅考慮了內(nèi)部激勵(lì)的影響。隨后,林騰蛟等[20]在對(duì)同軸雙輸出行星齒輪箱振動(dòng)噪聲進(jìn)行研究時(shí),又考慮了不平衡慣性激勵(lì),驗(yàn)證了此法在中低頻段十分適用。焦映厚等[21]用有限元/邊界元法對(duì)齒輪箱輻射噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè),所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相差極小。Zhou[22]等用該方法對(duì)齒輪箱的振動(dòng)噪聲進(jìn)行了預(yù)測(cè),結(jié)果同樣證明基于有限元和邊界元的齒輪箱振動(dòng)噪聲分析在中低頻段具有極高的準(zhǔn)確性。
2.2.4 統(tǒng)計(jì)能量法(SEA)
統(tǒng)計(jì)能量法一般是用于預(yù)測(cè)高頻噪聲的,在設(shè)計(jì)初始階段,不明確結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)時(shí)尤為適用。統(tǒng)計(jì)能量法是根據(jù)子系統(tǒng)劃分的原則[23],將復(fù)雜的齒輪箱系統(tǒng)劃分為多個(gè)相互連接的子系統(tǒng),以各子系統(tǒng)的參數(shù)為基礎(chǔ)得到整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)參數(shù)。
統(tǒng)計(jì)能量法最初僅是用來(lái)對(duì)齒輪箱振動(dòng)功率傳遞特性進(jìn)行分析的,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的研究才用來(lái)解決齒輪箱的振動(dòng)噪聲問(wèn)題。趙蓓蕾等[24]簡(jiǎn)化了齒輪箱的SEA 模型,如圖4所示,構(gòu)建了多個(gè)子系統(tǒng),當(dāng)某個(gè)或某些子系統(tǒng)受到激勵(lì)而振動(dòng)時(shí),子系統(tǒng)間便通過(guò)接觸邊界進(jìn)行能量交換,同時(shí)還研究了子系統(tǒng)間耦合損耗因子的計(jì)算方法。張秀芳等[25]用導(dǎo)納法和統(tǒng)計(jì)能量法分別計(jì)算通過(guò)軸承傳遞到箱體的功率流,對(duì)比分析了統(tǒng)計(jì)能量法預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。
圖4 齒輪箱SEA分析模型
在對(duì)齒輪箱振動(dòng)噪聲進(jìn)行分析后,針對(duì)分析結(jié)果選擇合適的減振降噪措施是降低齒輪箱振動(dòng)噪聲的關(guān)鍵。本文從齒輪參數(shù)的選用、輪齒修形、齒輪箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化、阻尼材料的應(yīng)用、安裝形式優(yōu)化及振動(dòng)噪聲的主動(dòng)控制幾個(gè)方面對(duì)常用的減振降噪措施進(jìn)行分析。
齒輪參數(shù)的不同,對(duì)齒輪箱振動(dòng)噪聲的影響也是相差極大的。早期有關(guān)齒輪參數(shù)對(duì)振動(dòng)噪聲影響的研究表明:漸開(kāi)線齒輪振動(dòng)噪聲低于非漸開(kāi)線齒輪、斜齒輪振動(dòng)噪聲低于直齒輪,高重合度齒輪振動(dòng)噪聲低于低重合度齒輪[26]。齒輪參數(shù)對(duì)齒輪箱振動(dòng)噪聲的影響如表1所示。
表1 齒輪參數(shù)對(duì)齒輪箱振動(dòng)噪聲的影響
當(dāng)然,除了齒輪參數(shù)以外,齒輪的各項(xiàng)誤差同樣是造成齒輪箱振動(dòng)噪聲的重要原因。Chen 等[27]通過(guò)建立存在傳動(dòng)誤差的齒輪箱模型,分析了其對(duì)齒輪箱振動(dòng)噪聲的影響。常樂(lè)浩等[28]在對(duì)齒廓偏差對(duì)齒輪箱振動(dòng)噪聲的影響進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),無(wú)論是正壓力角偏差還是負(fù)壓力角偏差,對(duì)齒輪箱振動(dòng)噪聲的影響都是隨著載荷而變化的。何澤銀等[29]在研究中發(fā)現(xiàn)安裝誤差、加工誤差對(duì)齒輪傳遞性能影響較大,可以通過(guò)對(duì)傳遞系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)齒輪箱的減振降噪。
齒輪修形可以在不改變齒輪箱整體尺寸和一些基本參數(shù)的前提下,改善齒輪箱嚙合狀態(tài)與傳遞性能,達(dá)到減振降噪的效果。經(jīng)過(guò)不斷的研究改進(jìn),齒輪修形方法也漸漸成熟,成為齒輪減振降噪的主要手段之一[30]。
就輪齒修形而言,修形曲線的不同會(huì)導(dǎo)致減振降噪效果的不同。一般來(lái)說(shuō),當(dāng)載荷較大、轉(zhuǎn)速和頻率較高時(shí),正弦和拋物線修形效果較好[31]。隨著輪齒修形方法的不斷發(fā)展,人們開(kāi)始研究簡(jiǎn)化的修形方法和新的修形曲線。Marcello[32]和Wu等[33]分別使用蒙特卡洛搜索法和有限元靜力學(xué)分析法對(duì)齒輪進(jìn)行研究,得出齒廓修形參數(shù)的最優(yōu)值,通過(guò)齒廓修形實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪的優(yōu)化。楊欣茹等[34]通過(guò)對(duì)所建立的熱-結(jié)構(gòu)耦合模型的分析,研究出在不同溫度差異的影響下,得到最佳齒廓齒向修形量的方法。袁亞洲等[35]結(jié)合正弦曲線和二次曲線修形的優(yōu)點(diǎn),擬合出一條適用于漸開(kāi)線齒輪的新修形曲線。陳馨雯等[36]提出使用指數(shù)函數(shù)修形法對(duì)擺線輪齒廓進(jìn)行修形,該方法可以使修形部分與未修形部分過(guò)渡更加平穩(wěn)。
齒輪箱結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)噪聲影響是巨大的,在早期的研究中,研究人員通常采用模態(tài)分析法對(duì)齒輪箱模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,對(duì)結(jié)構(gòu)壁厚進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到減振降噪的目的?,F(xiàn)在常用的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法通常分為兩類,分別是聲學(xué)貢獻(xiàn)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[37]。
劉更等[38]運(yùn)用FEM/BEM 法求解外部激勵(lì)下的聲學(xué)響應(yīng),利用聲學(xué)貢獻(xiàn)度分析確定對(duì)輻射噪聲貢獻(xiàn)較大的板面,分析流程如圖5所示,對(duì)此板面進(jìn)行改進(jìn),結(jié)果表明改進(jìn)后的聲壓峰值頻率明顯降低。Kostie[39]研究了齒輪箱壁厚與振動(dòng)噪聲的關(guān)系。隨后,李宏坤等[40]對(duì)齒輪箱結(jié)構(gòu)模態(tài)貢獻(xiàn)度進(jìn)行分析,識(shí)別出第三階模態(tài)為主要貢獻(xiàn)模態(tài),通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到齒輪箱的最優(yōu)壁厚,優(yōu)化后齒輪箱振動(dòng)噪聲有明顯改善。Xu[41]和王峰[3]等都通過(guò)對(duì)齒輪箱進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,使其振動(dòng)噪聲得到明顯改善。王世棟等[42]則通過(guò)改變齒輪箱主要傳遞路徑上的傳遞函數(shù)來(lái)解決齒輪箱機(jī)腳結(jié)構(gòu)噪聲超標(biāo)的問(wèn)題。張?jiān)撇ǖ萚43]先依據(jù)材料密度分布云圖對(duì)原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu),再對(duì)齒輪箱進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化來(lái)解決振動(dòng)噪聲超標(biāo)的問(wèn)題。
圖5 齒輪箱聲學(xué)貢獻(xiàn)量分析流程
阻尼減振技術(shù)是通過(guò)在結(jié)構(gòu)體表面敷設(shè)、嵌入阻尼類彈性材料,將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成熱能或其他能量,從而達(dá)到減振降噪目的一種技術(shù),使用阻尼材料可以有效地改善齒輪箱的振動(dòng)特性。
阻尼材料在齒輪箱中的運(yùn)用最早是直接敷設(shè)在軸承或內(nèi)外壁。隨后,研究人員將其粘黏在齒輪腹板的兩側(cè)形成阻尼環(huán),通過(guò)改變阻尼環(huán)的位置及形狀大小可以實(shí)現(xiàn)齒輪箱的減振降噪[44]。Zhang 等[45]通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式,將阻尼材料敷設(shè)特定位置。張一麟等[46]基于聲學(xué)貢獻(xiàn)度分析確定了阻尼材料敷設(shè)位置,簡(jiǎn)化了優(yōu)化配置的計(jì)算過(guò)程,提高了阻尼材料的利用效率。He 等[47]在對(duì)自由阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)優(yōu)化時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)阻尼材料體積占優(yōu)化前結(jié)構(gòu)材料體積60%時(shí),齒輪箱結(jié)構(gòu)達(dá)到拓?fù)鋬?yōu)化的最理想構(gòu)型,減振降噪效果也達(dá)到最佳。
齒輪箱通常是安裝在基座上的,而基座往往能夠?qū)X輪箱起到隔振作用,因此對(duì)基座與安裝形式進(jìn)行優(yōu)化也十分必要。Xie等[48]在研究中發(fā)現(xiàn),基座的阻抗對(duì)其隔振效果影響較大,為了方便不同阻抗基座的對(duì)比研究,還提出了基座阻抗與隔振效果之間的轉(zhuǎn)換公式:
郭嬌嬌等[49]分別對(duì)改變基座面板厚度、基座腹板敷設(shè)阻尼層和連接處鋪設(shè)方鋼3種控制措施進(jìn)行分析,研究了這3種措施對(duì)齒輪箱振動(dòng)噪聲的影響。
振動(dòng)噪聲的主動(dòng)控制通常是指在特定位置施加一定的外部能量來(lái)抑制振動(dòng)噪聲。Wu[50]和Ding 等[51]在軸上安裝了作動(dòng)器,使得齒輪箱的結(jié)構(gòu)振動(dòng)分別降低了4~7 dB 和13~21 dB。張懿時(shí)等[52]通過(guò)研究驗(yàn)證了主動(dòng)控制手段在齒輪箱振動(dòng)噪聲研究中的適用性。王飛等[53]在研究主動(dòng)隔振系統(tǒng)時(shí)提出,按照組合方式的不同,可將隔振系統(tǒng)分為并聯(lián)式與串聯(lián)式兩種,如圖6所示,并聯(lián)隔振適用于控制載荷的振動(dòng),串聯(lián)隔振適用于控制地面的振動(dòng)。主動(dòng)吸振也是主動(dòng)控制的一種,Beltran等[54]將Duffing型吸振器運(yùn)用在有直接未知諧波激勵(lì)力作用的Duffing機(jī)械系統(tǒng)中,結(jié)果表明有顯著的減振降噪效果。
圖6 主動(dòng)隔振系統(tǒng)
當(dāng)然,新型材料的應(yīng)用[55]、加工工藝的改進(jìn)[56]、支撐形式的改善等都屬于振動(dòng)噪聲的主動(dòng)控制。
(1)齒輪箱振動(dòng)噪聲的全頻分析方法
現(xiàn)有的振動(dòng)噪聲分析方法中,F(xiàn)EM/BEM方法僅在中低頻能夠得到較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果,統(tǒng)計(jì)能量法在齒輪箱高頻段振動(dòng)噪聲中的運(yùn)用還未完全成熟,因此,開(kāi)發(fā)出能夠在全頻域范圍內(nèi)對(duì)齒輪箱振動(dòng)噪聲進(jìn)行分析的方法尤為重要。
(2)齒輪箱軸承振動(dòng)激勵(lì)的解決方案
一般來(lái)說(shuō),齒輪箱內(nèi)部激勵(lì)除了齒輪激勵(lì)外還有軸承激勵(lì),但由于現(xiàn)有研究方法有所限制,目前實(shí)驗(yàn)研究中大多僅考慮齒輪激勵(lì),因此減振降噪的效果無(wú)法達(dá)到最佳。為了更加完美地解決齒輪箱振動(dòng)噪聲的問(wèn)題,研究出解決軸承激勵(lì)的方案十分必要。
(3)齒輪箱振動(dòng)噪聲主動(dòng)控制的深入研究
當(dāng)常用的減振降噪措施無(wú)法達(dá)到要求時(shí),主動(dòng)控制的方法就顯得尤為重要?,F(xiàn)有的主動(dòng)控制手段多種多樣,但適用于齒輪箱的則較少,因而,研究出更多適用于齒輪箱的主動(dòng)控制方法,將對(duì)齒輪箱減振降噪的研究產(chǎn)生極大意義。
齒輪箱的減振降噪已成為研究中必須克服的問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究并取得了一些成果,本文從齒輪箱振動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)手段、實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法、減振降噪措施等方面出發(fā),對(duì)齒輪箱振動(dòng)噪聲的研究進(jìn)展進(jìn)行了全面綜述,最后結(jié)合研究中存在的問(wèn)題,為齒輪箱減振降噪的進(jìn)一步研究提供了參考。隨著研究的深入,相信兼具低噪聲、高精度及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)質(zhì)齒輪箱,會(huì)在多種高精度機(jī)械設(shè)備中得到更加廣泛的運(yùn)用。