新型IDG不同阻尼液黏度控...齿轮轴系振动噪声的试验研究_张翼鹏.pdf

2023年 第47卷 第5期Journal of Mechanical Transmission新型IDG不同阻尼液黏度控制齿轮轴系振动噪声的试验研究张翼鹏 何立东 侯启炀 李 耕（北京化工大学 北京市高端装备健康监控与自愈化重点实验室，北京 100029）摘要 开发设计了一种新型整体式阻尼齿轮（Integral Damping Gear，IDG），研究IDG不同阻尼液黏度对齿轮传动系统减振降噪特性的影响规律。建立了IDG减振力学模型，分析了IDG控制齿轮系统振动的有效性；搭建一级直齿圆柱齿轮传动系统试验台，对普通圆柱直齿轮系统和不同阻尼液黏度的IDG系统支承处的振动进行了对比。结果表明，IDG能够有效控制齿轮传动轴系的振动；在本试验所用的阻尼液黏度范围内，随着IDG所用阻尼液黏度的增大，齿轮轴系的振动逐渐减小，最大黏度下的IDG平均减振幅度大于50%；同时，IDG能够有效降低齿轮系统的噪声，最大黏度下能够降低7.6 dB（A）的噪声，进一步说明IDG具有优良的减振降噪特性，可保证齿轮传动系统的平稳运行。研究为齿轮系统的减振降噪提供了一种新思路。关键词 整体式阻尼齿轮（IDG）阻尼液黏度 齿轮传动系统 减振 降噪Experimental Study on Vibration and Noise Control of the Gear System with Different Damping Liquid Viscosity of Novel IDGZhang Yipeng He Lidong Hou Qiyang Li Geng（Beijing Key Laboratory of Health Monitoring and Self-recovery for High End Mechanical Equipment,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China）Abstract A novel type of integral damping gear（IDG）is developed and designed to study the influence of different damping liquid viscosity of IDG on the vibration and noise reduction characteristics of the gear transmission system.The IDG damping mechanical model is established,and the effectiveness of IDG control of gear system vibration is analyzed.An experimental platform for the first-order spur gear transmission system is built to compare the vibration at the support of the ordinary spur gear system and the IDG system with different damping liquid viscosity.The results show that IDG can effectively control the vibration of the gear transmission shaft system.In the range of damping fluid viscosity used in this experiment,with the increase of the damping fluid viscosity used in IDG,the vibration of the gear shaft system decreases gradually,and the average vibration reduction amplitude of IDG under the maximum viscosity is more than 50%.At the same time,IDG can effectively reduce the noise of the gear system,and the maximum viscosity can reduce 7.6 dB（A）noise.It is further proved that IDG has excellent vibration and noise reduction characteristics,which ensures the smooth operation of the gear transmission system and provides a new idea for vibration and noise reduction of the gear system.Key words Integral damping gear Damping fluid viscosity Gear transmission system Vibration controlNoise reduction0 引言齿轮传动系统作为常用的传动装置之一，在航空航天、电力能源、船舶、化工、汽车等各行业中广泛应用，起着不可或缺的作用。当代科技快速发展使得齿轮系统逐渐朝着高转速、大载荷、高精密的方向发展，对于齿轮动力装置的安全性以及稳定性提出了更高的要求。随着齿轮长时间的运行，齿轮会产生齿面摩擦、不对中等故障，从而使齿轮系统产生冲击振动，同时产生刺耳的噪声，这种状态的齿轮传动系统既会降低设备的工作精度、效率和文章编号：1004-2539（2023）05-0001-06DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2023.05.0011第47卷寿命，也会引起严重的噪声环境污染1-3。为此，大量学者对齿轮的振动控制技术开展了研究。目前，齿轮传动系统的减振手段主要有两大类：一类是对齿轮进行优化设计并修改齿轮的结构参数，但是这种方式不但计算量大，而且会大大增加经济成本，且随着设备的长期运行，齿轮又会慢慢出现振动的问题4-6；另一类是通过提高系统的阻尼来耗散齿轮振动能量，常用的有阻尼环、阻尼塞等7-8，但是这些装置的减振频带窄且对于宽频带减振的局限性较大。有学者研究认为，提高齿轮系统的阻尼，能够有效控制齿轮系统的振动9。整体式阻尼齿轮（Integral Damping Gear，IDG）采用多段分割式油膜阻尼结构，能够避免阻尼液发生环向流动，大大降低齿轮的交叉特性。同时，利用二甲基硅油作为该结构的阻尼液，它是一种具有良好的黏度特性和低流动性的有机材料。本文搭建了直齿圆柱齿轮试验台，开展了齿轮主动轴、从动轴上分别安装普通直齿圆柱齿轮和不同阻尼液黏度的IDG振动噪声对比试验，分析了不同阻尼液黏度IDG对齿轮系统振动和噪声控制的影响规律。1 IDG设计及减振机制1.1IDG设计及结构特点设计的IDG结构如图1所示，包括弹性区、阻尼区、O形密封圈、阻尼液腔以及密封端盖。图1IDG结构Fig.1Structure of IDG在齿轮的端面加工内嵌式弹性区和阻尼区，并与密封端盖装配后形成阻尼液腔来储存阻尼液，密封结构包括密封端盖与O形橡胶圈，可有效实现油封的目的。1.2IDG减振机制IDG既是齿轮也是一种阻尼减振装置，它是将齿轮和减振措施集成于一体的结构。齿轮传动系统在运行过程中，齿与齿之间啮合时会产生冲击振动和噪声。振动传递至IDG的弹性区，将弹性区和阻尼区中填充的阻尼液进行挤压，使其产生阻尼效应。由于整个齿轮传动系统中滚动轴承润滑的阻尼很小，可以忽略不计。且IDG与两轴承之间的阻尼属并联关系，其系统所包含的总阻尼为各部件阻尼之和，如图2和式（1）所示10。c系统=cIDG+c轴承(cIDG c轴承)（1）图2IDG系统阻尼关系示意图Fig.2IDG system damping diagram由此可知，IDG具有较大的阻尼。这种方法可以增加齿轮传动系统的阻尼，整个齿轮传动系统的阻尼更加接近IDG的阻尼。系统的阻尼增大对振动和噪声均有良好的控制效果。同时，弹性区具有一定的弹性，可以使其恢复为原始状态。齿轮传动系统反复的冲击振动可使IDG不停地产生较大的阻尼，从而使系统的振动减小，噪声也随之降低。2 试验台设计及试验方案2.1试验组成试验过程中所用的两种齿轮如图3所示，分别为圆柱直齿轮和IDG。两种齿轮所用的材料均为45钢，齿轮的基本参数如表1所示。（a）圆柱直齿轮 （b）整体式阻尼齿轮图3两种齿轮结构Fig.3Two kinds of gear structures表1齿轮副参数Tab.1Parameters of the gear pair参数主动齿轮齿数z1从动齿轮齿数z2齿轮传动比i齿轮模数m/mm数值50251/22参数压力角/（）主、从动轮齿厚b1/mm理论中心距d/mm数值2020752第5期张翼鹏，等：新型IDG不同阻尼液黏度控制齿轮轴系振动噪声的试验研究试验的工作温度为25，在该温度下应用3种不同黏度的硅油作为IDG齿轮的阻尼液，其黏度分别为110-3 m2/s、510-3 m2/s以及110-2 m2/s，如图4所示。根据文献11可知，二甲基硅油的黏温系数较小，即在一定温度范围内，硅油黏度随温度的变化较小，适合用作阻尼液，且随着温度的升高，其黏度逐渐降低。图43种不同黏度的硅油Fig.4Three silicone oils with different viscosity2.2试验台设计搭建的齿轮传动试验台如图5所示。齿轮轴系由主动轴、从动轴及其安装在轴上的不同结构的直齿圆柱齿轮组成。两根轴直径均为10 mm，主动轴两支承跨距为400 mm，从动轴两支承跨距为180 mm。利用弹性联轴器将主动轴与永磁式直流伺服电动机相连接，调节转速控制调节器来改变转速。试验过程中对齿轮副进行滴油式润滑。1.IDG主动齿轮；2.噪声传感器；3.主动轴；4.加速度传感器1；5.计算机及数据处理软件；6.主动轴轴承座；7.从动轴轴承座；8.IDG从动齿轮；9.加速度传感器2；10.从动轴；11.弹性联轴器；12.电动机；13.NI四槽机箱平台；14.NI9234信号采集卡。图5齿轮系统试验台Fig.5Gear system test bench2.3试验方案试验所探究的方向为不同阻尼液黏度对新型IDG结构减振降噪效果的影响。为此，将普通圆柱直齿轮作为对照组，并设置3种不同黏度阻尼液的IDG作为试验组。试验时，将大齿轮安装于主动轴上作为主动齿轮，小齿轮安装于从动轴上作为从动齿轮。振动测试由NI采集装置完成，该NI机箱包括4个卡槽，将NI9234信号采集卡插入其中一个卡槽中，该采集卡包含8个信号通道，能够实时采集和分析齿轮传动系统的振动和噪声数据。加速度传感器吸附于主动轴、从动轴支承处，监测水平方向的振动信号；麦克风噪声传感器用于监测齿轮传动系统的噪声。主要试验步骤：将普通的圆柱直齿轮副分别安装于主动轴和从动轴上，对其进行升速测试，转速范围为 5001 500 r/min，测试并采集轴承座处的振动加速度以及齿轮传动系统的噪声，获得对照组的振动噪声数据。将普通圆柱直齿轮副更换为IDG齿轮副，并通过注油孔向IDG中注射某一黏度的阻尼液，直至阻尼液从注油孔中溢出，这表明IDG中已注满阻尼液。而后重复步骤，获得该黏度下齿轮传动系统的振动噪声数据。打开卸油孔将IDG中的阻尼液流出，关闭卸油孔后从注油孔中更换另外一种黏度的阻尼液，重复步骤中的试验步骤并采集该黏度下齿轮传动系统的振动噪声数据。对比分析不同黏度IDG与普通圆柱直齿轮数据，得到相应的结论。3 结果与讨论3.1不同转速振动控制试验试验中，在主动轴为 5001 500 r/min的转速范围内，分别采集了齿轮传动系统安装普通齿轮和3种不同阻尼液黏度的IDG的振动值。不同旋转速度下的振动数据分别如表2和图6所示。表2不同阻尼液黏度下平均减振幅度对比Tab.2 Comparison of average vibration reduction amplitude under different damping liquid viscosity齿轮轴主动轴从动轴平均减振幅度/%110-3 m2/s29.138.2510-3 m2/s40.443.3110-2 m2/s64.450.8由表 2 和图 6 中数据可知，阻尼液黏度为 110-3 m2/s 时的主、从动轴的平均振动降幅分别为29.1%和38.2%；阻尼液黏度为510-3 m2/s时的主、从动轴的平均振动降幅分别为40.4%和43.3%；阻尼液黏度为110-2 m2/s时的主、从动轴的平均振动降幅分别为64.4%和50.8%。这表明在一定阻尼液黏度范围内，随着黏度的增大，IDG的减振效果进一步提高，也进一步说明了阻尼液黏度在IDG减振中的重要性。3.2振动时频谱分析以 1 200 r/min 下的测点数据为例，分析 IDG 阻3第47卷尼液黏度对齿轮传动系统时频谱振动控制影响规律，结果分别如图7和图8所示。振动较大值对应频率范围的降幅分别如表3和表4所示。（a）主动轴水平测点振动（b）从动轴水平测点振动图6不同阻尼液黏度主、从动轴测点振动数据Fig.6Vibration data of driving and driven shaft measuring points with different damping liquid viscosity由图7可以得知，在1 200 r/min转速下，与普通直齿轮相比，3种不同阻尼液黏度的IDG均能有效降低齿轮传动系统的冲击振动问题。且随着黏度的增大，主 动 轴 振 动 降 幅 分 别 为 19.3%、26.2%、55.1%，从动轴振动降幅分别为 34.1%、38.4%、45.2%。这进一步说明，在一定黏度范围内，随着黏度的增大，系统的阻尼不断提高，IDG的减振效果也随之更加明显。（a）主动轴时域图（b）从动轴时域图图7不同阻尼液黏度主、从动轴测点振动时域波形Fig.7Vibration time domain of driving and driven shaft with different damping liquid viscosity（a）主动轴频谱图（b）从动轴频谱图图8不同阻尼液黏度下主、从动轴测点的频谱图Fig.8Vibration frequency domain of driving and driven shaft with different damping liquid viscosity将频谱图与特征频率表（表3、表4）相结合可以得知，不同黏度的IDG使啮合频率以及大幅值频率处的振动均有明显的减小。在110-2 m2/s的阻尼液黏度下，IDG对特征频率的减振效果最好。主动轴的特征频率处的降幅分别为74.0%、79.5%和82.8%，从 动 轴 的 特 征 频 率 处 的 降 幅 则 分 别 为 50.1%、78.2%和 62.0%。这表明 IDG 能够有效缓解齿轮系统存在的调制现象以及啮合冲击。4第5期张翼鹏，等：新型IDG不同阻尼液黏度控制齿轮轴系振动噪声的试验研究表3不同频率的振动及降幅（主动轴）Tab.3 Vibration and reduction with different frequencies（driving shaft）普通直齿轮110-3 m2/s降幅510-3 m2/s降幅110-2 m2/s降幅幅值/g460520 Hz0.106 960.088 1917.5%0.043 8559.0%0.027 7974.0%9501 010 Hz0.044 680.025 9342.0%0.015 6864.9%0.009 1779.5%1 4601 520 Hz0.125 250.081 335.1%0.061 9150.6%0.021 5282.8%表4不同频率的振动及降幅（从动轴）Tab.4 Vibration and reduction with different frequencies（driven shaft）普通直齿轮110-3 m2/s降幅510-3 m2/s降幅110-2 m2/s降幅幅值/g460520 Hz0.102 960.075 6426.5%0.055 1346.5%0.051 4050.1%9501 010 Hz0.064 720.015 3276.3%0.030 3953.0%0.014 1478.2%1 4601 520 Hz0.399 140.229 4142.5%0.136 4665.8%0.151 5462.0%综上可知，在一定阻尼液黏度范围内，随着阻尼液黏度的增大，能够有效控制齿轮传动系统时域、频域的振动，同时对特征频率的控制效果明显。3.3降噪规律试验研究为了进一步分析IDG不同阻尼液黏度对噪声的影响，采集4种不同工况在不同转速下的齿轮传动系统的噪声情况，分别如图9和表5所示。图9IDG不同阻尼液黏度的噪声对比Fig.9Comparison of noise at different damping viscosity如图9和表5所示，不同阻尼液黏度的IDG对不同转速下的齿轮传动系统均有一定的降噪效果。黏度为110-3 m2/s的平均降噪幅值为3.2 dB（A），最大降噪幅值为6.2 dB（A）；黏度为510-3 m2/s的平均降噪幅值为4.6 dB（A），最大降噪幅值为7.4 dB（A）；黏度为110-2 m2/s的平均降噪幅值为5.9 dB（A），最大降噪幅值为 7.6 dB（A）。黏 度 为 110-2 m2/s 与 510-3 m2/s 相 比，在 5001 500 r/min范围内均有良好的降噪效果，在 5001 100 r/min降噪效果更优。由此可见，增大阻尼液黏度对齿轮传动系统降噪是有益的。表5不同阻尼液黏度下噪声降低值的对比Tab.5 Comparison of noise reduction amplitude under different damping viscosity转速/（r/min）5006007008009001 0001 1001 2001 3001 4001 500降噪值/dB（A）110-3 m2/s4.53.810.31.72.12.52.655.16.2510-3 m2/s5.14.92.91.93.33.244.66.36.77.4110-2 m2/s6.36.56.35.15.84.84.74.86.46.87.64 结论设计了一种新型整体式阻尼齿轮，开展了不同阻尼液黏度IDG对齿轮传动系统减振降噪试验研究。得到结论如下：1）在5001 500 r/min转速范围内，不同阻尼液黏度的IDG均能够有效抑制齿轮系统的振动和噪声。在本文设置的最大黏度110-2 m2/s的情况下，主、从动轴的平均减振幅度分别达到64.4%和50.8%。对应的噪声平均降低了5.9 dB（A），最大降低7.6 dB（A）。2）IDG能够有效降低齿轮传动系统时域波形中显示出的冲击振动。在定转速下，3种不同阻尼液黏度 的 IDG 在 主 动 轴 上 的 降 幅 分 别 达 到 19.3%、26.2%、55.1%，从动轴上的降幅分别达到 34.1%、38.4%、45.2%。由此可知，随着阻尼液黏度的增大，缓解冲击振动的效果越来越明显，齿轮的时域5第47卷波形越来越平稳。3）根据频域波形可知，齿轮系统存在明显的调制现象，不同阻尼液黏度的IDG均可以有效缓解该现象。该装置对啮合频率以及大幅值的频带处均有良好的振动抑制效果，最大阻尼液黏度在这些特征频率下的降幅均在50%以上，整体频域波形则趋于平缓，进一步说明了IDG设计的合理性以及该结构的减振性能。4）所设计的IDG拥有良好的减振降噪特性，且在设置的黏度范围内，随着阻尼黏度的增大，IDG减振降噪性能逐渐提高，保证齿轮传动系统稳定运行。综上可知，本文所设计的IDG在齿轮传动系统中具有良好的减振降噪效果，不仅能够有效缓解冲击振动以及调制现象，还可以降低齿轮传动系统的噪声，为齿轮传动系统的减振降噪提供了新方法和新思路。参考文献1MELOT A，RIGAUD E，PERRET-LIAUDET J.Bifurcation tracking of geared systems with parameter-dependent internal excitation J.Nonlinear Dynamics，2021，107（1）：413-431.2CATANEANU M，CATANEANU A.The 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