基于黏弹性材料的直齿圆柱齿轮轴系降噪研究.pdf

2023年 第47卷 第8期Journal of Mechanical Transmission基于黏弹性材料的直齿圆柱齿轮轴系降噪研究董怀玉1 明玉周2 张艳涛3 贾兴运1 齐 飞1（1 北京化工大学 化工安全教育部工程研究中心，北京 100029）（2 中国原子能科学研究院，北京 102413）（3 中国人民解放军92578部队，北京 100161）摘要 为了降低直齿圆柱齿轮端面的辐射和传导噪声，在前人研究的基础上，选用具有黏弹性特性的高分子材料丙烯酸酯和聚氨酯，分别将其尽可能均匀地涂抹在直齿圆柱齿轮的两侧端面，对比了涂抹不同材料、不同涂抹厚度的降噪结果。试验结果表明，选用的高分子材料均能够降低直齿圆柱齿轮的辐射噪声；在一定厚度范围内，降噪幅度随材料涂抹厚度的增加而增加。关键词 直齿圆柱齿轮 噪声控制 黏弹性材料Research on Noise Reduction of Spur Gears Based on Viscoelastic MaterialDong Huaiyu1 Ming Yuzhou2 Zhang Yantao3 Jia Xingyun1 Qi Fei1(1 Ministry of Chemical Safety Education Engineering Research Centre,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)(2 China Institute of Atomic Energy,Beijing 102413,China)(3 PLA Unit 92578,Beijing 100161,China)Abstract In order to reduce the radiation and conduction noise of the end face of spur gears,on the basis of previous studies,the polymer materials with viscoelastic properties,acrylic ester and polyurethane,are selected and evenly coated on the end face of spur gears.The noise reduction results of different materials and different coating thicknesses are compared.The test results show that the selected polymer materials can reduce the radiated noise of spur gears.Within a certain thickness range,the noise reduction increases with the increase of the coating thickness of the material.Key words Spur gear Noise control Viscoelastic material0 引言齿轮传动因具有传动效率高、传动比精确等优点，广泛应用于功率传递中。与斜齿轮、锥齿轮、蜗轮蜗杆相比，直齿圆柱齿轮结构简单、易于加工，因此，其在所有齿轮传动类型中使用更为广泛。当重合度区间设计为1100 dB（A），无法进行试验。因此，选取试验转速分别为 120 r/min、240 r/min、360 r/min、480 r/min、600 r/min和720 r/min。分析试验结果发现，该对直齿圆柱齿轮在720 r/min及以下转速啮合时，噪声未超过70 dB（A）。按照GB 123482008，环境噪声在 70 dB（A）以上时，将干扰谈话，导致心烦意乱、精神不集中，影响工作效率，甚至发生事故。综合以上两点，本文选择720 r/min（转频fr=12 Hz，啮合频率fm=360 Hz）为试验转速，开展不同材料类型、不同材料厚度下的降噪试验。为验证两种黏弹性材料持久、均匀降噪的能力，采集长时间运转后的试验数据进行分析。由于采集的数据量较大，本文截取了稳定后3 s时长的试验数据进行对比，如图4所示。通过与未涂抹任何材料的试验数据对比可以发现，两种材料均能够有效吸收掉一部分的噪声。而与涂抹0.4 mm的聚氨酯相比，涂抹1.93 mm厚的丙烯酸酯的吸声效果显著。同时，图4（b）中的试验结果与第1节中的理论推导呈现出良好的一致性，即随着材料厚度的增加，消耗的能量也随之增加。时域内数据的对比证明了两种材料具有稳定的降噪能力。为进一步研究材料对频率的敏感性，对试验数据进行快速傅里叶变换，将试验数据转换到频域内进行对比分析，试验结果对比如图5所示。由图5（a）、图5（b）可知，当涂抹材料的厚度较小时，对低频段（20200 Hz）的噪声（长波噪声）吸收能力较差。这一点可根据声波在空气中传播的特性得到解释，即长波噪声具有穿透力强、递减速度慢的特点。因此，当材料厚度不足时，声波很容易穿透材料，向外界传播。而在低频段部分频率处的声压值出现了不降反增的现象，结合其频率特征和材料固化后表面出现不均匀现象分析可知，这种不均匀现象直接导致了不平衡量的增加，导致频谱图上出现图3直齿圆柱齿轮噪声测试试验台Fig.3Spur gear noise test bench（a）直齿圆柱齿轮两侧端面涂抹0.4 mm厚的聚氨酯（b）直齿圆柱齿轮两侧端面涂抹1.93 mm厚的丙烯酸酯图4声压值时域波形Fig.4Time domain waveform of sound pressure value表1直齿圆柱齿轮主要结构参数Tab.1Main structural parameters of the spur gear结构参数主动轮齿数z1从动轮齿数z2模数m/mm数值30203结构参数压力角/（）齿宽b/mm中心距L/mm数值202875112第8期董怀玉，等：基于黏弹性材料的直齿圆柱齿轮轴系降噪研究了以转频为基频、多倍频处声压幅值增大的结果。由于聚氨酯固化时间较长（24 h、25），而丙烯酸酯固化时间较短（34 h、25），因此，继续在直齿圆柱齿轮端面涂抹丙烯酸酯，并尽可能地保持其表面的平整度，做进一步试验，其结果分别如图5（c）、图 5（d）所示。对比涂抹厚度为 0.93 mm和 1.93 mm丙烯酸酯材料的试验结果可以发现，材料厚度的增加对低频段的噪声起到了明显的抑制作用。根据齿轮工作时产生噪声源的机制可知，轻载直齿圆柱齿轮啮合过程中，其主要的噪声源来自转频、转频的倍频、啮合频率以及啮合频率的倍频。这些频率通常也是从事齿轮振动和噪声研究人员比较关注的频率。因此，分别取频率为 72 Hz（6fr）、84 Hz（7fr）、156 Hz（13fr）、180 Hz（15fr或 0.5fm）、360 Hz（fm）、720 Hz（2fm）、1 440 Hz（120fr，4fm）和1 668 Hz（139fr）进行声压值对比，以上频率在频谱图中声压幅值也较大。其结果如图6所示。结合图5和图6可以推断出，原始系统中存在较为明显的不平衡现象，导致系统的转频倍频处出现声压幅值增大的现象。分析这一现象产生的原因，与试验中使用的直齿圆柱齿轮（一对齿面非均匀磨损的故障齿轮）有很大的关系。对比分析180 Hz、360 Hz和720 Hz频率处的声压值结果，可以得出结论：对噪声的吸收能力随着材料涂抹厚度的增加而增强，与理论推导呈现出了良好的一致性。在1 440 Hz频率处未展现出相似的规律，这一现象是由转频的倍频与啮合频率的倍频频率调制造成的。综合以上分析可知，试验所选用的材料能够有效吸收来自转频、转频的倍频、啮合频率以及啮合频率的倍频等频率处的噪声。为使研究结果更容易被理解、接受和传播，将试验结果转化为声压级，图6主要特征频率处声压值对比Fig.6Comparison of sound pressure values at main characteristic frequencies（a）直齿圆柱齿轮两侧端面涂抹0.4 mm厚的聚氨酯（b）直齿圆柱齿轮两侧端面涂抹0.6 mm厚的丙烯酸酯（c）直齿圆柱齿轮两侧端面涂抹0.93 mm厚的丙烯酸酯(d）直齿圆柱齿轮两侧端面涂抹1.93 mm厚的丙烯酸酯图5不同频率下声压值对比Fig.5Comparison of sound pressure at different frequencies113第47卷对声压级数据进行加权平均处理并对比，结果如图7所示。分析图7可以推断出，当涂抹厚度较小时，聚氨酯的降噪能力更加稳定，丙烯酸酯产生的降噪能力约是聚氨酯的1倍。而随着丙烯酸酯涂抹厚度的增加，其降噪的稳定性和幅度随之增强。对比0.93 mm厚度和1.93 mm厚度的试验结果可知，当丙烯酸酯的涂抹厚度增加到一定值时，再增加厚度对于降噪幅度的影响较小。导致这一现象的原因可能是丙烯酸酯与直齿圆柱齿轮端面的黏结强度不足，噪声能量无法被材料有效吸收1049。3 结论为降低直齿圆柱齿轮端面的辐射和传导噪声，搭建直齿圆柱齿轮试验台，将两种高分子材料（聚氨酯和丙烯酸酯）分别涂抹在直齿圆柱齿轮的端面，对比了不同涂抹材料和涂抹厚度的试验结果，得出以下几点结论：1）使用的两种材料均能够有效吸收掉一部分噪声，当涂抹材料的厚度较小时，对中高频段噪声（2002 500 Hz）的抑制效果更加明显。对比涂抹厚度为0.4 mm聚氨酯和涂抹厚度为1.93 mm丙烯酸酯的试验结果发现，后者的吸声能力显著增强，与理论推导结果呈现出了良好的一致性。2）试验所选用的材料在达到一定厚度时，均能够有效吸收来自直齿圆柱齿轮轴系中常见频率的噪声，这些频率包括转频、转频的倍频、啮合频率以及啮合频率的倍频。3）在涂抹厚度较小时，聚氨酯的降噪能力更加稳定，丙烯酸酯产生的降噪能力约是聚氨酯的 1倍。对比 0.93 mm厚度和 1.93 mm厚度的试验结果可知，当丙烯酸酯的涂抹厚度增加到一定值时，再增加厚度对于降噪幅度的影响较小。而这一现象可能是由丙烯酸酯与直齿圆柱齿轮端面的黏结强度不足导致的。参考文献1王建军，李润方.齿轮系统动力学的理论体系 J.中国机械工程，1998（12）：61-64.WANG Jianjun，LI Runfang.Theoretical system of gear system dynamics J.China Mechanical Engineering，1998（12）：61-64.2王建军，李其汉，李润方.齿轮系统非线性振动研究进展 J.力学进展，2005（1）：37-51.（a）直齿圆柱齿轮两侧端面涂抹0.4 mm厚的聚氨酯（b）直齿圆柱齿轮两侧端面涂抹0.6 mm厚的丙烯酸酯（c）直齿圆柱齿轮两侧端面涂抹0.93 mm厚的丙烯酸酯（d）直齿圆柱齿轮两侧端面涂抹1.93 mm厚的丙烯酸酯图7不同频率下声压级对比Fig.7Comparison of sound pressure level at different frequencies114第8期董怀玉，等：基于黏弹性材料的直齿圆柱齿轮轴系降噪研究WANG Jianjun，LI Qihan，LI Runfang.Research progress on nonlinear vibration of gear system J.Advances in 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