泡沫鋁齒輪阻尼塞減振降噪性能研究*

于英華 余國君 徐 平

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧阜新 123000)

齒輪傳動(dòng)裝置是機(jī)械中最基本的裝置之一，因此，降低齒輪的振動(dòng)和噪聲對(duì)降低機(jī)械振動(dòng)和噪聲具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國內(nèi)外對(duì)齒輪噪聲控制的措施主要有以下幾個(gè)方面：(1)齒輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)(包括改變齒形、改變齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)等)；(2)改進(jìn)制造工藝，提高齒輪加工精度，減小其安裝誤差；(3)阻尼控制。

由于齒輪的一部分噪聲是由齒輪嚙合方式所決定的，因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不能全面改善齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲；而通過提高齒輪加工精度降低齒輪噪聲必須以犧牲經(jīng)濟(jì)效益為代價(jià)。因此阻尼控制技術(shù)越來越受到重視。根據(jù)振動(dòng)理論，在共振時(shí)，只有阻尼力才能抑制齒輪振動(dòng)的振幅。一般齒輪內(nèi)阻尼是很小的，因此齒輪的振動(dòng)噪聲是嚴(yán)重的。阻尼控制技術(shù)是通過增加齒輪阻尼效應(yīng)，消耗振動(dòng)能量來降低齒輪噪聲。其具體措施有：裝嵌阻尼環(huán)、在齒輪上進(jìn)行自由阻尼或約束阻尼涂層的處理、齒輪體加裝阻尼塞、齒輪體嵌藏粘彈性材料等［1-4］。

與其它阻尼控制方法相比，阻尼環(huán)和阻尼塞減振降噪技術(shù)具有工藝簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、造價(jià)低廉、效果顯著和性能較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。目前，國內(nèi)金屬阻尼環(huán)、阻尼塞材質(zhì)多為鑄鐵環(huán)或鋼環(huán)。由于鑄鐵環(huán)或鋼環(huán)本身的內(nèi)阻很小，所以阻尼環(huán)或阻尼塞僅僅依靠干摩擦機(jī)理進(jìn)行減振降噪，減振性能不穩(wěn)定。隨著我國高阻尼合金的問世和發(fā)展，阻尼環(huán)的材質(zhì)選擇有了很大的突破，但是高阻尼合金材料價(jià)格高，因此限制了高阻尼合金材料阻尼環(huán)的發(fā)展。泡沫鋁具有良好的阻尼、吸振、輕質(zhì)等優(yōu)良特性，為此將其應(yīng)用于制造齒輪阻尼塞，是很值得探討的課題［5］。

本文對(duì)泡沫鋁齒輪阻尼塞抑制齒輪振動(dòng)及噪聲特性進(jìn)行研究，以期為泡沫鋁齒輪阻尼塞在齒輪減振降噪中的應(yīng)用提供參考和依據(jù)，為開辟齒輪減振降噪新途徑，拓展新材料泡沫鋁在機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持。

1 齒輪阻尼塞減振降噪的理論分析

所謂的齒輪阻尼塞，即是在齒輪的輪腹上均勻分布的若干個(gè)通孔中以適當(dāng)?shù)呐浜闲问窖b入的柱塞(阻尼塞)，參見圖1。阻尼塞之所以能夠減振降噪主要是由于它從三方面提高了齒輪的阻尼，即系統(tǒng)阻尼、結(jié)構(gòu)阻尼和材料阻尼。

1.1 阻尼塞減振降噪模型建立

齒輪嚙合傳動(dòng)過程中，其軸向振動(dòng)和徑向振動(dòng)同時(shí)存在，且都是誘發(fā)噪聲不容忽視的原因［6］。這里僅研究齒輪—阻尼塞系統(tǒng)的軸向振動(dòng)。假設(shè)齒輪內(nèi)部的結(jié)構(gòu)阻尼力與由阻尼塞帶來的阻尼力相比小到可以忽略不記，并設(shè)齒輪體為一個(gè)集中質(zhì)量m1，所有阻尼塞為一個(gè)集中質(zhì)量m2，那么齒輪—阻尼塞構(gòu)成的振動(dòng)系統(tǒng)可用圖2表示。其中：K1為齒輪等效彈簧常數(shù)；K2為阻尼塞等效彈簧剛度系數(shù)；c2為阻尼塞等效粘滯阻力系數(shù)；F2為極限摩擦力；x1為齒輪振動(dòng)位移；x2為阻尼塞振動(dòng)位移；P0為強(qiáng)迫力；ω為激振頻率。該系統(tǒng)振動(dòng)微分方程為

令y=x1-x2＜0，K2y-F2=K2y1，代入式(1)和(2)整理可得：

式中，ω1為輪體振動(dòng)的基頻=K1/m1；ω2為阻尼塞振動(dòng)基頻=K2/m2；ξ2為由阻尼塞裝配到齒輪上后帶來的阻尼比，ξ2=；μ 為質(zhì)量比，μ =m2/m1；x0為齒輪的靜變位，x0=P0/K1。

設(shè)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為

式中：X、Y為位移放大率。

設(shè)，α =ω/ω1；β = ω2/ω1。通過式(1)～(6)可求得：

這里我們主要討論系統(tǒng)達(dá)到共振時(shí)，系統(tǒng)的減振性能。此時(shí)α≈1，式(7)可轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

由式(8)可見ξ2越大，位移放大率X就越小，減振降噪性能越佳。

1.2 阻尼塞減振降噪特性分析

結(jié)合式(8)和泡沫鋁材料的特性，分析泡沫鋁阻尼塞對(duì)齒輪傳動(dòng)的減振降噪性能如下：

(1)泡沫鋁阻尼為鑄鐵材料阻尼的5～10倍［4］，即ξ2很大，根據(jù)式(8)，泡沫鋁的阻尼塞對(duì)齒輪的減振降噪效果要明顯高于鑄鐵的。

(2)與鑄鐵相比，泡沫鋁為輕質(zhì)高比強(qiáng)材料，即相同結(jié)構(gòu)尺寸的阻尼塞，泡沫鋁的式(8)中的μ很小，這也將使泡沫鋁阻尼環(huán)對(duì)齒輪的減振降噪效果要明顯高于鋼與鑄鐵的。

2 齒輪阻尼塞減振降噪的試驗(yàn)研究

為進(jìn)一步驗(yàn)證泡沫鋁阻尼塞減振降噪的優(yōu)越性，進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究。

2.1 泡沫鋁阻尼塞的制造及其裝配

試驗(yàn)中采用的泡沫阻尼塞是對(duì)上海眾匯泡沫鋁材有限公司生產(chǎn)的泡沫鋁板進(jìn)行線切割得到的，其尺寸為φ6 mm×10 mm。泡沫鋁為ZL102鋁合金，泡沫鋁的孔徑為φ1.6 mm，相對(duì)密度為0.22。同時(shí)為獲得泡沫鋁阻尼塞與鑄鐵阻尼塞減振降噪效果的對(duì)比數(shù)據(jù)，還制造了相同結(jié)構(gòu)尺寸的鑄鐵阻尼塞。

齒輪結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中的6-φ10 mm即為安裝阻尼塞的孔。裝配好阻尼塞的齒輪如圖1所示(圖1為裝配泡沫鋁阻尼塞的齒輪，裝配鑄鐵阻尼塞的情況與此類似)。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)制造

試驗(yàn)是在自行設(shè)計(jì)的裝置上進(jìn)行的，其中齒輪傳動(dòng)裝置的組成及其工作原理參見圖4和圖5。傳動(dòng)裝置中包括如下部分：電動(dòng)機(jī)1臺(tái)，齒輪2個(gè)(齒數(shù)分別為20和40，材料均為45#鋼)，其中大齒輪加裝阻尼塞，小齒輪不加裝阻尼塞，此外還有帶輪(兩小一大，可互相替換，以實(shí)現(xiàn)變速)、滾動(dòng)軸承和箱體等。電動(dòng)機(jī)通過三角帶傳動(dòng)小齒輪，然后小齒輪傳動(dòng)大齒輪實(shí)現(xiàn)齒輪的嚙合運(yùn)動(dòng)。該齒輪傳動(dòng)裝置可實(shí)現(xiàn)9級(jí)變速。本次實(shí)驗(yàn)選擇其中的4種速度 ：725 r/min、1250 r/min、1900 r/min和2350 r/min來完成。

2.3 測試

測試系統(tǒng)如圖6所示。

2.3.1 測試方法

安裝并調(diào)整好齒輪傳動(dòng)裝置；啟動(dòng)傳動(dòng)裝置，待其運(yùn)行平穩(wěn)后，由聲級(jí)計(jì)拾取噪聲信號(hào)；將聲級(jí)計(jì)拾取的噪聲信號(hào)經(jīng)抗混濾波放大器送入智能信號(hào)采集處理分析儀，最后送入筆記本電腦，經(jīng)其中的DASP噪聲分析系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析。

2.3.2 測試結(jié)果與分析

圖7為測得的不加裝阻尼塞，加裝6個(gè)鑄鐵阻尼塞和加裝6個(gè)泡沫鋁阻尼塞齒輪傳動(dòng)裝置的噪聲隨轉(zhuǎn)速的變化情況。

由圖7可以看出：(1)在所選的4種轉(zhuǎn)速下，無論是加裝鑄鐵阻尼塞還是加裝泡沫鋁阻尼塞，齒輪傳動(dòng)的噪聲均有所降低，且轉(zhuǎn)速越高，降噪效果越好；(2)泡沫鋁阻尼塞的減振降噪效果明顯高于鑄鐵阻尼塞，泡沫鋁的最高降噪量為9.2 dB(A)，鑄鐵的最高降噪量為 7.4 dB(A)。

3 結(jié)語

(1)用泡沫鋁制造齒輪阻尼塞，可以起到對(duì)齒輪傳動(dòng)的減振降噪作用，且其效果明顯優(yōu)于鑄鐵齒輪阻尼塞。

(2)泡沫鋁阻尼塞減振降噪效果還與其他一些因素有關(guān)，如阻尼塞的形狀、尺寸、在齒輪上的位置、阻尼塞與齒輪塞孔的配合情況等，這些問題還有待于今后進(jìn)一步研究。

［1］毛炳秋，林莉，曹挺杰，等.采用阻尼環(huán)降低齒輪傳動(dòng)振動(dòng)噪聲的研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2005，21(1)：47 ～49.

［2］盛美萍，王敏慶，孫進(jìn)才.噪聲與振動(dòng)控制技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)出版設(shè)，2001.

［3］Goto，Tarutani，et al.Vibration Analysis of Transmission Structure for Gear Noise Reduction［C］.Fall Convention of the Society of Automobile Engineering，Proc.No.70-99.New York：Society of Automotive Engineers，1999：17-20.

［4］Yuma Miyauchi，Koji Fujii，Takayuki Nishino，etc.Introduction of Gear Noise Reduction Ring By Mechanism Analysis Including Fem Dynamic Tuning［J］.SAE transactions，2001，110(6)：932-940

［5］于英華，梁冰，張建華.泡沫鋁基高分子復(fù)合材料制備及其性能［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，24(6)：903-905.

［6］于英華，梁冰.泡沫鋁齒輪阻尼環(huán)減振降噪特性分析［J］.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26(3)：247-247.