船用齒輪箱減振降噪機理分析與舉措

(天津理工大學(xué)海運學(xué)院 天津 300384)

近年來，隨著“綠色船舶”理念的普及，船舶的生產(chǎn)制造正向著綠色環(huán)保、節(jié)能降耗、舒適宜居的方向發(fā)展。船舶的振動與噪音有相當(dāng)一部分來源于齒輪箱，直接影響著船舶工作人員的身心健康和船艦潛艇的隱蔽性。因此，船舶齒輪箱的振動與噪聲問題愈加引起人們的重視。對于如何減小齒輪箱的振動噪聲，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了廣泛研究分析，在齒輪箱噪聲產(chǎn)生機理[1]、噪聲預(yù)測[2]和減振降噪[3]等方面積累了豐富的經(jīng)驗，為齒輪箱振動噪聲的研究提供了有力的支持。本文在總結(jié)前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，淺述了齒輪箱振動噪聲產(chǎn)生機理與振動噪聲傳遞路徑，并對齒輪箱減振降噪的措施進(jìn)行了討論。

一、齒輪箱的振動噪聲機理

齒輪箱工作過程中的振動噪聲可以分為嘯叫噪聲與拍擊噪聲。嘯叫噪聲是指在齒輪動態(tài)嚙合過程中，齒輪受各種因素的影響產(chǎn)生振動，從而引起其他零件及整個傳動系統(tǒng)的振動噪聲。拍擊噪聲則是由齒輪嚙合過程中拍擊振動引起的噪聲。齒輪傳動系統(tǒng)是彈性的機械系統(tǒng)，在動態(tài)激勵作用下產(chǎn)生動態(tài)響應(yīng)。引起齒輪箱振動噪聲的激勵很多，主要歸結(jié)為剛度激勵、傳動誤差和載荷沖擊。

(一)剛度激勵。在齒輪傳動系統(tǒng)中，嚙合剛度是一個十分重要的動力學(xué)參數(shù)，它的大小決定著動力傳遞的穩(wěn)定性和系統(tǒng)動態(tài)性能。在嚙合過程中，齒輪嚙合的重合度一般不為整數(shù)，同時嚙合的齒對數(shù)會隨時間發(fā)生周期性變化，因此輪齒的嚙合綜合剛度也隨時間周期性變化。剛度激勵使嚙合綜合剛度不斷變化，并使整個系統(tǒng)發(fā)生動態(tài)響應(yīng)。

(二)傳動誤差。在齒輪嚙合過程中，齒的輪廓與共軛輪廓不可避免地會發(fā)生一定的偏差，造成嚙合力在運動過程中逐漸變化，引起齒輪產(chǎn)生線型和扭轉(zhuǎn)響應(yīng)，使齒輪發(fā)生振動和噪聲。傳動誤差越大，嚙合力變化也越大，引起齒輪的振動和噪聲也就越大。在實際的齒輪生產(chǎn)與安裝過程中，有許多因素會引起齒輪的傳動誤差，主要表現(xiàn)為：1)齒輪加工誤差對傳動誤差的影響，齒輪的制造過程中產(chǎn)生的幾何偏心、運動偏心、齒形、齒厚等齒輪固有的誤差均會影響齒輪傳動。2)軸偏心對傳動誤差的影響。3)配合間隙偏心對傳動誤差的影響。此外，齒輪工作過程中發(fā)生溫度變形和彈性變形，齒輪磨損，齒面點蝕等也都會引起齒輪傳動誤差[4]。

(三)載荷沖擊。齒輪箱作為動力傳輸裝置，其與發(fā)動機、電動機、汽輪機、螺旋槳等緊密相聯(lián)，當(dāng)出現(xiàn)動力輸出不穩(wěn)定，螺旋槳受負(fù)載扭矩波動等情況，外界的載荷將通過軸系傳遞到軸承，由軸承傳遞給齒輪，對齒輪產(chǎn)生不穩(wěn)定的激勵沖擊，這種激勵使齒輪產(chǎn)生振動和噪聲。將齒輪看作一個振動的彈簧體系，彈簧體系中的齒輪受到不同程度的荷載沖擊時，齒輪表現(xiàn)出來的振動頻率、振動方向也會有所不同，多數(shù)情況下會因為圓周方向的振動力發(fā)出噪聲。

二、齒輪箱噪聲傳播路徑

齒輪的內(nèi)部激勵是引起齒輪振動噪聲的主要原因，齒輪嚙合過程中產(chǎn)生的噪聲通過軸等傳遞到箱體，引起箱體振動與噪聲，形成所謂的第一次空氣聲；此外，一部分噪聲通過箱體內(nèi)的空間直接傳遞到箱體，引起箱體振動并向外部空間輻射噪音，形成第二次空氣聲；另一部分噪聲直接通過齒輪箱的縫隙直接輻射到外部環(huán)境，形成第三次空氣聲。齒輪箱的輻射聲能量有九成以上是通過第一種方式傳遞出去的[5]。因此，針對齒輪箱振動噪聲的產(chǎn)生與傳遞，齒輪箱的減振降噪一方面可以通過減小齒輪嚙合過程中產(chǎn)生的振動噪聲，另一方面也可以通過控制振動噪聲的傳播途徑來達(dá)到目的。

三、齒輪箱減振降噪的措施

(一)潤滑技術(shù)。在齒輪的工作過程中，潤滑油能夠提高齒輪表面的光滑度，減小齒輪嚙合時的接觸摩擦，降低由摩擦產(chǎn)生的振動和噪聲。同時能夠提高齒輪箱工作效率，延長齒輪和齒輪箱的使用壽命。在考慮齒輪箱的潤滑技術(shù)時，一方面對齒輪潤滑油膜在傳動過程中所形成的壓力分布和油膜厚度分布的分析，在計入潤滑等因素的前提下，對齒輪進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計。另一方面研制新型的潤滑油和潤滑油添加劑，從而提高齒輪傳動的潤滑效果。除此以外，還可以創(chuàng)新齒輪潤滑方法，如離心潤滑法。

(二)齒輪的設(shè)計制造。齒輪嚙合是振動噪聲的源頭，齒輪的形狀參數(shù)、模數(shù)齒數(shù)、粗糙度、精度等級等都直接影響著齒輪傳動過程中振動噪聲的大小。在設(shè)計齒輪時，應(yīng)當(dāng)考慮齒輪參數(shù)的選用，齒輪參數(shù)直接影響著輪齒的形狀與嚙合狀態(tài)，關(guān)系著齒輪箱振動噪聲。齒輪修形也是控制振動噪聲的重要措施，因為輪齒、傳動軸和箱體的變形，輪齒在嚙入和嚙出時會產(chǎn)生沖擊，引起強烈的振動和噪聲。通過齒廓修形可以減少齒輪嚙入沖擊，使齒輪嚙合平滑過渡。另外螺旋線修形可以增大傳遞的平穩(wěn)性，降低齒輪系統(tǒng)噪聲。此外，使用特殊的加工技術(shù)(超聲加工、激光加工、光刻技術(shù))使齒面具有特殊的紋理織構(gòu)，這種表面織構(gòu)在改善齒輪摩擦學(xué)性能方面起到了積極作用，能夠減小摩擦，增加潤滑效果，減小齒輪振動噪聲。

(三)阻尼隔振技術(shù)。阻尼隔振是采用適當(dāng)?shù)淖枘岷臀詹牧鲜拐駝雍驮肼暷芰亢纳?，從而限制振動和噪聲在機械結(jié)構(gòu)和空氣中的傳遞，阻尼隔振是船艦減振降噪的主要技術(shù)手段。在艦船領(lǐng)域，阻尼技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于艙室、船體、傳動部件等方面，且有效地降低了來自零件嚙合與碰撞產(chǎn)生的振動噪聲。將阻尼隔振用于齒輪箱的減振降噪，可以在齒輪腹板的兩側(cè)附著用粘彈性材料制成阻尼環(huán)，通過合理的設(shè)計附著阻尼位置，達(dá)到抑制齒輪傳動的振動噪聲目的。另外，也可以在齒輪箱表面黏貼一定厚度的阻尼材料或在齒輪箱的安裝處鋪墊彈性阻尼材料，減小齒輪箱向外傳遞振動和輻射噪聲。

(四)齒輪箱優(yōu)化設(shè)計。齒輪嚙合的振動噪聲有90%以上會傳遞到齒輪箱箱體，向外輻射噪聲。減小齒輪箱箱體上的振動噪聲就能抑制整體振動噪聲，所以對齒輪箱箱體的設(shè)計優(yōu)化對減振降噪十分重要。齒輪箱是一個典型的彈性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其外形、剛性、自振頻率、表面面積都會影響噪聲輻射，通過合理設(shè)計箱體的結(jié)構(gòu)和振動特性，能夠降低齒輪箱噪聲。如增加軸承支撐座與箱體支點間的結(jié)構(gòu)剛度、調(diào)整箱體各壁面的壁厚組合、合適的位置添加肋板等方式都能夠?qū)X輪箱箱體起到減振降噪的效果。

四、結(jié)束語

齒輪箱減振降噪技術(shù)的研究，對“綠色船舶”的發(fā)展以及船艦潛艇的安全性有重要意義。而伴隨著齒輪動力學(xué)、數(shù)值計算方法，潤滑技術(shù)、齒輪機床、新材料技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，齒輪箱減振降噪的方法也將更加系統(tǒng)、多樣。