基于噪聲傳遞原理對齒輪箱噪聲控制方法研究

珠海格力電器股份有限公司 覃德華

基于噪聲傳遞原理對齒輪箱噪聲控制方法研究

珠海格力電器股份有限公司 覃德華

齒輪箱是利用不同齒輪之間的聯(lián)合來達(dá)到動力的不同階級與方式傳輸過程的重要路徑。在齒輪聯(lián)合過程中由于摩擦、震動、撞擊等原因會產(chǎn)生各種噪聲。這種噪聲嚴(yán)重的影響了機(jī)械設(shè)備的使用效果，同時過量的噪聲會都機(jī)械周圍的環(huán)境造成一定的污染。目前，通過各種方式，如潤滑系統(tǒng)等對噪聲的產(chǎn)生途徑進(jìn)行了控制研究，取得了一定的成績。本文主要從齒輪箱內(nèi)部噪聲的傳遞原理入手研究噪聲產(chǎn)生與擴(kuò)大的原理。并基于研究內(nèi)容對齒輪箱進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑煲越档妄X輪箱外噪聲污染的目的。希望為今后的工作與研究提供理論基礎(chǔ)。

噪聲傳遞；齒輪箱；噪聲控制

1.引言

本文主要對前人的研究結(jié)論進(jìn)行總結(jié)與分析，基于現(xiàn)有針對齒輪箱噪聲傳遞的多動體力學(xué)、系統(tǒng)動力學(xué)模型、聲學(xué)邊界元等理論基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)研究。主要在齒輪箱噪聲傳遞與預(yù)測模型的基礎(chǔ)之上對現(xiàn)實(shí)齒輪箱的傳聲向量以及齒輪箱的噪聲貢獻(xiàn)率入手，找到齒輪箱噪聲污染與齒輪箱內(nèi)部噪聲傳遞的相關(guān)關(guān)系，并系統(tǒng)分析其形成原因，進(jìn)而對齒輪箱進(jìn)行改造與優(yōu)化，以達(dá)到降低其噪聲的目的。并基于模擬實(shí)驗(yàn)的方式來認(rèn)證優(yōu)化方案的有效性。

2.齒輪箱傳聲向量與齒輪箱噪聲貢獻(xiàn)率1000

2.1 齒輪箱傳聲向量

本文研究齒輪箱為機(jī)械齒輪箱，箱體密度不均因，無法擬合成雙向向量傳遞模式，因此對齒輪箱傳聲向量的確定與計(jì)算是根據(jù)邊界元方法進(jìn)行的，在此方法中認(rèn)為聲音的傳遞與聲音的擾動大小無關(guān)，緊與傳遞的參與體以及振動體有關(guān)。因此，可以將噪聲的傳遞看作是從發(fā)生點(diǎn)到感應(yīng)點(diǎn)之間的越障礙傳輸過程。在障礙（齒輪箱，下同）恒定的情況下，二者的強(qiáng)度可以構(gòu)成明顯的線性關(guān)系。其系數(shù)至于障礙的物理屬性有關(guān)，具體的關(guān)系參數(shù)包括了性狀、材料（密度、總類等）、表面處理（單面阻尼、隔音材料、防震動材料等）、傳遞尖端（場點(diǎn)）、震動屬性等。

具體計(jì)算公式如下：

在公式中P表示在該向量的垂直方向的壓力，V則表示在該向量的垂直方向的速度。其他付號為物理學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)常用意義。其中密度指標(biāo)為齒輪箱內(nèi)潤滑劑密度，當(dāng)無潤滑劑時為空氣密度。

將聲音傳遞模擬為三圍的椎體傳輸體系，并假設(shè)齒輪箱內(nèi)壁光滑且無隔聲與吸聲物質(zhì)覆蓋，在此情況下，可取值為1/2.將上述公式進(jìn)行化簡得出：

將聲音強(qiáng)度以單位向量發(fā)現(xiàn)方向的聲壓進(jìn)行帶入得到：

由此可見，齒輪箱噪聲大小與其傳播向量法線方向的聲壓大小與速度成正比線性關(guān)系。通過對聲音向量與噪聲的關(guān)系的理論推倒可以發(fā)現(xiàn)，齒輪箱的噪聲大小在設(shè)定障礙的情況下僅與噪聲傳遞到障礙的壓力與速度有關(guān)。這位后期的齒輪箱優(yōu)化以及具體的貢獻(xiàn)大小提供了理論依據(jù)。

2.2 齒輪箱噪聲貢獻(xiàn)率

噪聲大小的表現(xiàn)方式表現(xiàn)為齒輪箱的整體聲功率以及齒輪箱內(nèi)部的噪聲對齒輪箱的向量壓力大小。因此，本文針對齒輪箱噪聲貢獻(xiàn)率的研究分如下兩個方面進(jìn)行：

（1）齒輪箱聲壓貢獻(xiàn)率

齒輪箱對噪聲聲壓的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為齒輪箱的傳聲接點(diǎn)對聲壓的放大作用。根據(jù)邊界元理論，傳聲節(jié)點(diǎn)中的聲壓強(qiáng)度可以表現(xiàn)為：

其中N為齒輪箱的傳聲節(jié)點(diǎn)數(shù)目；ATV為齒輪產(chǎn)生的噪聲強(qiáng)度、其他符號與上文相同。

聲壓強(qiáng)的貢獻(xiàn)率可以采用（總體壓強(qiáng)-原始壓強(qiáng)）/原始壓強(qiáng)*100%來表示。因此，聲壓貢獻(xiàn)率可以表示為：

由上文公式可以看出在原始噪聲傳輸過程中恒定聲壓不便的情況下，齒輪箱的聲壓貢獻(xiàn)率與節(jié)點(diǎn)數(shù)目成正比關(guān)系。

（2）齒輪箱聲功率貢獻(xiàn)率

面板聲壓貢獻(xiàn)量只能表征面板對聲場中某特定點(diǎn)的聲壓貢獻(xiàn)量，無法對整個聲場的聲學(xué)貢獻(xiàn)量進(jìn)行有效表征。為了從整體上研究面板對整個聲場的聲學(xué)貢獻(xiàn)量，需要進(jìn)行面板聲功率貢獻(xiàn)量分析。聲源在單位時間內(nèi)發(fā)射的總能量稱為聲源功率，對于在自由空間中傳播的平面聲波可以用下式表示：

由此可以看出齒輪箱對聲功率的貢獻(xiàn)主要與齒輪箱的震動屬性相關(guān)。其中震動屬性與齒輪箱的材質(zhì)、溫度、表面覆蓋材料等相關(guān)。

3.基于噪聲傳播理論的齒輪箱優(yōu)化方案

由上文的分析可以得出，齒輪箱的噪聲傳播對齒輪噪聲具有一定的放大功能。此種放大功能主要表現(xiàn)為對單位節(jié)點(diǎn)內(nèi)的聲壓的放大以及對噪聲聲功率的放大作用。放大效果的主要影響因素為齒輪箱的傳聲節(jié)點(diǎn)數(shù)目以及齒輪箱的材質(zhì)與表面覆蓋有關(guān)?；诖朔N結(jié)論對齒輪箱的優(yōu)化改造主要可以從齒輪箱材質(zhì)以及尺寸方面入手，同時可以采用隔音與防震動材料的覆蓋來達(dá)到較好的降低噪聲的目的。具體的齒輪箱優(yōu)化方案如下：

3.1 基于齒輪箱的節(jié)點(diǎn)降低的改進(jìn)方案

根據(jù)聲物理以及經(jīng)典物理的相關(guān)理論可以發(fā)現(xiàn)，傳聲節(jié)點(diǎn)主要出現(xiàn)在尖角部分，因此基于節(jié)點(diǎn)降低的理論分析可以將齒輪箱的內(nèi)部尖角的數(shù)目進(jìn)行降低。降低的方式主要有兩個方面：一方面是將齒輪箱整體外壁進(jìn)行拋光打磨處理，使其表面光滑，進(jìn)而降低非意愿的傳聲節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)。另一方面是針對齒輪箱的內(nèi)部幾何性狀進(jìn)行優(yōu)化，將尖角部分以圓角進(jìn)行代替。不可進(jìn)行圓角或者不方便進(jìn)行圓角改造的部分（齒輪箱外部）應(yīng)隔音材料進(jìn)行覆蓋。達(dá)到整體降低齒輪箱傳聲節(jié)點(diǎn)的目的，進(jìn)而達(dá)到降低齒輪箱噪聲的目的。

3.2 基于震動原理的改進(jìn)方案

齒輪箱的噪聲擴(kuò)大主要是由于齒輪箱的震動屬性所決定的。在實(shí)際的操作與實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，齒輪箱的承重面主要是由加厚的鑄鐵等材料進(jìn)行完成的，其震動系數(shù)較低，因此對噪聲不具備擴(kuò)大的效果，相反對齒輪箱的噪聲具有較強(qiáng)的吸收功能。因此，本文主要通過對齒輪箱非承重面進(jìn)行加厚的方式進(jìn)行優(yōu)化。通過對齒輪箱非承重面進(jìn)行加厚，降低其在噪聲傳播過程中的震動效應(yīng)，進(jìn)而降低其多噪聲的貢獻(xiàn)率。.

3.3 基于隔音材料與傳聲面積的改進(jìn)措施

由于隔音材料的添加能夠較好的降低齒輪箱的噪音傳播，因此在齒輪箱表面添加隔音材料是一種較好的選擇。但是，齒輪在轉(zhuǎn)動的過程中會產(chǎn)生大量的熱量，往往依賴于齒輪箱進(jìn)行部分的散熱，因此隔音材料的添加還需要考慮其可操作性。本文考慮到齒輪箱內(nèi)壁與齒輪的距離越大其噪聲輻射面積越大的原理，對齒輪箱的內(nèi)部空間進(jìn)行了壓縮，并在齒輪噪聲產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)的輻射面積內(nèi)進(jìn)行部分隔音材料的添加。隔音材料的覆蓋面積不超過全部面積的30%。在不影響箱體散熱的情況下，有效的降低了齒輪箱的噪音。

4.不同齒輪箱優(yōu)化方式對噪聲降低的比較

基于如上的三種改進(jìn)方式以及齒輪箱的原設(shè)計(jì)方式在不同的噪音分貝下進(jìn)行定點(diǎn)的噪音測試。通過噪音測試的結(jié)果來表征優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

表1 不同齒輪箱優(yōu)化方式對噪聲降低的比較表

由表1可以看出齒輪箱原型對機(jī)械噪聲具有一定的加強(qiáng)功能，加強(qiáng)的平均幅度為9.4%。其他優(yōu)化方案均對噪聲有不同程度的降低，其中三方案聯(lián)合的優(yōu)化模式降低效果最佳，其平均降低幅度達(dá)到56.2%，能夠起到較好的降低噪聲的效果。而在三種分別的優(yōu)化方案當(dāng)中，按順序其降低效果分別為14.1%，14.3%，30.4%。其中優(yōu)化方案一即基于隔音材料與傳聲面積的改進(jìn)措施效果最佳。

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覃德華（1980—），男，廣東珠海人，現(xiàn)供職于珠海格力電器股份有限公司家電技術(shù)研究院，研究方向：小家電設(shè)計(jì)開發(fā)。