聯(lián)合仿真與試驗(yàn)探究潤滑油黏度對齒輪振動(dòng)的影響

薛遠(yuǎn)水

(煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院 交通工程系，山東 煙臺 265500)

0 引言

潤滑摩擦對運(yùn)動(dòng)副以及齒輪傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性具有重要的影響。許多學(xué)者對振動(dòng)和潤滑摩擦的作用關(guān)系進(jìn)行了研究。UDAYKANT J P研究了物體振動(dòng)方向?qū)ξ矬w表面接觸摩擦力的影響，利用數(shù)值模擬的方法，對不同方向振動(dòng)對接觸摩擦力的影響進(jìn)行了較深刻分析[1]。但是，以上研究缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。FRYZA J則同時(shí)利用試驗(yàn)和理論分析了穩(wěn)態(tài)和振動(dòng)狀態(tài)下的點(diǎn)接觸潤滑油膜厚度，得出不同的振動(dòng)頻率、相對速度工況下，振動(dòng)對彈流潤滑的影響[2]。其結(jié)論有試驗(yàn)支撐，更接近實(shí)際。有的學(xué)者從新技術(shù)角度研究齒面振動(dòng)與摩擦關(guān)系，XIAO W Q利用一種嵌在齒面的阻尼顆粒對齒輪振動(dòng)進(jìn)行抑制，其研究表明，低速時(shí)光滑阻尼顆?？捎行б种普駝?dòng)，高速時(shí)粗糙顆粒減振更好[3]。通過其研究可在一定程度認(rèn)知粗糙表面與振動(dòng)的作用機(jī)理。HUANG K則提出一種多自由度模型分析高重合度齒在彈流潤滑狀態(tài)下，表面粗糙度對齒輪振動(dòng)的影響，得出表面粗糙度對齒嚙出狀態(tài)時(shí)的振動(dòng)有較大影響[4]，其研究從理論模型上深入地探究了高重合度齒輪表面粗糙度對振動(dòng)的影響。

以上研究多圍繞齒輪本身特性與振動(dòng)的關(guān)系，而潤滑油作為大多運(yùn)動(dòng)零部件的中間介質(zhì)，如將潤滑介質(zhì)考慮在內(nèi)，可更全面地研究相對運(yùn)動(dòng)副的動(dòng)態(tài)特性。李直等人通過結(jié)合齒面形貌和潤滑狀態(tài)，研究了不同轉(zhuǎn)速和載荷工況下齒輪的振動(dòng)特性，得出利于形成油膜的齒輪表面形貌有利于減輕齒輪振滑與振動(dòng)的作用的結(jié)論[5]，而潤滑油某些特定的特性對齒輪振動(dòng)的影響，其沒有展開細(xì)化研究。潤滑油作為重要的潤滑介質(zhì)，其某些自身特性對機(jī)械動(dòng)態(tài)特性也會(huì)有很大的影響。在早期研究中，丁津原等人研究了潤滑油添加劑對齒輪潤滑油的影響，進(jìn)而通過試驗(yàn)分析了潤滑油添加劑對齒輪傳動(dòng)的影響[6]。在近期研究中，丁勝鵬等人研究了不同黏度潤滑油對直線導(dǎo)軌阻尼器振動(dòng)的影響，得出：在一定范圍內(nèi)，潤滑油黏度的增大可以減緩其振動(dòng)[7]。

潤滑油黏度作為影響齒輪動(dòng)態(tài)特性的重要因素之一，目前，很少學(xué)者從潤滑油黏度對齒輪振動(dòng)的影響方面入手進(jìn)行研究。本文基于前人的研究，將潤滑油黏度作為控制變量，聯(lián)合機(jī)械傳動(dòng)專業(yè)軟件Romax仿真和齒輪試驗(yàn)，以某工程機(jī)械用齒輪試件作為研究對象，探究了潤滑油黏度對齒輪振動(dòng)的影響，對齒輪振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用MATLAB進(jìn)行處理，并對其影響機(jī)理進(jìn)行了闡述。所得結(jié)論為相關(guān)的研究提供一定的參考。

1 Romax仿真分析潤滑油的齒輪油膜厚度

1.1 Romax建立齒輪嚙合模型

Romax軟件是專業(yè)的分析和開發(fā)傳動(dòng)系統(tǒng)的軟件，利用其分析潤滑狀態(tài)和油膜厚度，可使結(jié)果更加可信。齒輪參數(shù)見表1。

表1 齒輪參數(shù)

所建立的齒輪副模型，如圖1所示。

圖1 齒輪模型

1.2 仿真工況設(shè)置和潤滑油選取

為了保持仿真和后續(xù)試驗(yàn)參數(shù)的一致性，施加轉(zhuǎn)矩為1000N/m，轉(zhuǎn)速為1000r/min。根據(jù)齒輪試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，齒輪穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的潤滑油溫度為95℃，所以齒輪箱的工作溫度設(shè)置為此溫度。選取兩種不同黏度的潤滑油，潤滑油的參數(shù)如表2所示。

表2 潤滑油參數(shù) 單位：MPa·s

1.3 油膜厚度仿真結(jié)果

在1000N·m-1、1000r·min-1時(shí)，齒輪箱溫度95℃的工況下，選取潤滑油CKC220，齒輪的油膜厚度為0.537μm，選取潤滑油CKC320時(shí)的油膜厚度為0.713μm。結(jié)果表明：在本文所設(shè)置工況下，齒輪油膜厚度會(huì)隨著潤滑油黏度的增大而增加，當(dāng)黏度增大時(shí)，潤滑油更容易吸附在齒面上，利于潤滑油膜的穩(wěn)定；當(dāng)潤滑油黏度越小時(shí)，嚙合齒面間的潤滑油會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的增高而流失，導(dǎo)致潤滑油膜變薄。

2 齒輪振動(dòng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)齒輪

試驗(yàn)采用牌號18CrNiMo合金鋼漸開線直齒圓柱齒輪，兩對齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)相同，見表1。為保證振動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定，利于對比不同黏度時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)，提高磨齒精度由8級至6級，屬于同一生產(chǎn)批次，熱處理及齒面差異忽略不計(jì)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

齒輪振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備主要由齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺架、電動(dòng)機(jī)、負(fù)載電機(jī)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、數(shù)據(jù)采集儀、振動(dòng)傳感器組成。試驗(yàn)臺架的轉(zhuǎn)矩范圍0～2000N·m-1，轉(zhuǎn)速范圍0～1700r·min-1，滿足本次振動(dòng)試驗(yàn)要求。數(shù)據(jù)采集儀對來自傳感器的振動(dòng)加速度信號進(jìn)行采集。振動(dòng)傳感器布置在齒輪箱上試驗(yàn)齒輪徑向的位置。試驗(yàn)臺架系統(tǒng)原理示意圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)臺架系統(tǒng)原理示意圖

2.3 試驗(yàn)方案及準(zhǔn)備

共進(jìn)行兩次試驗(yàn)，第一次試驗(yàn)采用CKC220潤滑油，第二次采用CKC320潤滑油。齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)初始階段，由于齒面摩擦生熱，油溫是一直上升的，而相應(yīng)潤滑油的黏度也會(huì)隨著溫度的增加而變化，所以為了保證兩次試驗(yàn)不受其他變量的影響，待齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡后采集振動(dòng)信號，據(jù)歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)，2 h可達(dá)熱平衡狀態(tài)。

在振動(dòng)狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)(振幅波動(dòng)較小時(shí))，前后兩次試驗(yàn)各采集10次信號，每隔5 min采集1次，每次采樣1 min，每次試驗(yàn)振動(dòng)信號的采集過程歷時(shí)1 h。兩次試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和潤滑油量保持一致。當(dāng)振動(dòng)信號采集完畢時(shí)，停止試驗(yàn)。試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 振動(dòng)試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

對于振動(dòng)信號頻域處理，直觀上看，所得到的波形代表振動(dòng)信號的能量?？梢詫Ρ葍纱尾煌囼?yàn)的振動(dòng)信號的頻域幅值。將兩次試驗(yàn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)利用MATLAB進(jìn)行頻域處理，如圖3、圖4所示。

圖3 CKC220潤滑油齒輪副頻譜

圖4 CKC320潤滑油齒輪副頻譜

由圖3、圖4可以看出，兩對齒輪的頻譜幅值都較小，說明齒輪處于穩(wěn)定磨損期，且無異常。

從具體數(shù)值對比上看，采用低黏度潤滑油CKC220的齒輪試驗(yàn)，穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其頻譜幅值最大為0.43 mm·s-2要高于采用高黏度潤滑油CKC320時(shí)的0.09 mm·s-2。根據(jù)Romax仿真潤滑油膜厚度的結(jié)果進(jìn)行分析，不同黏度的潤滑油在相同工況下進(jìn)行齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，齒輪嚙合面間形成的潤滑油膜厚度是不同的，CKC220 和 CKC320分別對應(yīng)的油膜厚度為0.537μm和0.713μm。由于加工制造、熱處理以及材料等因素的影響，齒面分布形狀不規(guī)則的微凸體，齒面在嚙合時(shí)，齒面間的微凸體會(huì)相互之間發(fā)生碰撞，進(jìn)而影響齒輪的嚙合質(zhì)量。從宏觀角度來講，會(huì)增加齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的不平順性。當(dāng)齒面間形成潤滑油膜時(shí)，當(dāng)潤滑油的黏度較高時(shí)，油膜厚度能夠高出大部分微凸體的高度，齒輪嚙合實(shí)際就是齒面-油膜-齒面的接觸，這樣有利于齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性，齒輪的振動(dòng)幅值便會(huì)減小。當(dāng)潤滑油的黏度低時(shí)，嚙合齒面間的油膜厚度不足覆蓋大部分的微凸體，因此兩齒面間會(huì)有相當(dāng)部分的微凸體直接發(fā)生接觸，增加齒面間的不正常磨損和接觸，使齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)不平順，因此會(huì)造成齒輪振動(dòng)的幅值變大。

4 結(jié)語

建立Romax齒輪嚙合模型，分析了不同黏度潤滑油的齒間油膜厚度，并選取不同黏度的潤滑油齒輪進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，對振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合Romax油膜厚度分析結(jié)果，對比分析不同黏度下的齒輪振動(dòng)信號。通過本次研究分析過程，得到結(jié)論如下：

1)由Romax分析結(jié)果可得，相同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及齒輪各項(xiàng)參數(shù)工況下，在一定范圍內(nèi)，潤滑油的黏度越大，齒輪嚙合時(shí)，形成齒面間油膜厚度越大，利于減少齒輪副表面間的摩擦。

2)根據(jù)MATLAB對振動(dòng)信號數(shù)據(jù)的處理結(jié)果(圖3、圖4)以及Romax對齒面潤滑油油膜的分析結(jié)果，可以說明：潤滑油膜越厚，齒面間越易形成彈流潤滑，從而使得齒面間的嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)過程越平順，齒輪的振動(dòng)信號幅值就越小；潤滑油膜越小，越不利于齒面嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性，則齒輪的振動(dòng)信號的幅值就越大。