齒輪與齒輪箱振動噪聲機理分析及控制

一、齒輪振動的實例 1齒輪輪轂的振動 齒輪傳遞扭矩首先從軸傳至輪轂，由輪轂傳遞到輪齒，再由主動輪輪齒傳遞到被動輪輪轂和軸系。在傳遞過程中，由于受到軸向激勵力的作用，齒輪輪轂產生軸向振動。另外，由于嚙合力的作用，輪轂也會產生橫向和沿周向的振動。 2軸承及軸承座的振動 齒輪系統通過軸系安置于軸承及其軸承座上，由于齒輪本體的軸向和周向振動必引起軸承支承系統的振動，相反，外界干擾力（如螺旋槳的軸承力）也可能通過軸承傳遞給齒輪系統。 3齒輪箱的振動 齒輪的振動由軸系傳到齒輪箱，激勵箱體振動，從而輻射出噪聲。另外，齒輪在箱內振動的輻射聲激勵箱體，使箱體形成二次輻射噪聲，這類噪聲大部在中低頻范圍內。齒輪箱體本身的振動也直接產生輻射聲。 4齒輪的振動 在嚙合過程中，輪齒先由一點接觸而擴展到線接觸，或一次實現線接觸，使得接觸力大小、方向改變，產生機械沖擊振動，從而輻射出噪聲。這類噪聲呈現高頻沖擊的形式，其典型的齒輪振動時程曲線示于圖2。 輪齒嚙合時不斷變化的嚙合力，既激發齒輪的強烈振動，即各個輪齒的響應很大，也激發了齒輪箱箱體較弱的振動。通常認為齒輪產生噪聲的主要原因是輪齒之間的相對位移。這類噪聲源產生的噪聲可以用付氏變換法把噪聲表示為穩定頻率的分量的集合。
二、齒輪振動噪聲產生的機理 1齒輪嚙合激勵產生的噪聲 齒輪的輪齒在嚙合時因傳動誤差產生交變力，在交變力作用下產生線性及扭轉響應，使齒輪產生振動輻射出噪聲。這是一種主要的噪聲源，接觸力變化越大，則齒輪相應的振動響應越大。 另外，齒輪的周節差產生的由復雜的或調制頻率及其倍頻組成的噪聲，含有重復的基頻（軸頻），頻率很低。由于周節差產生了不規則的脈沖序列。這種脈沖序列包括了眾多的頻率成份，但還不能認為是寬帶隨機噪聲。在眾多頻率成份中，由于脫嚙后輪齒重新嚙合時的沖擊，所產生的噪聲是明顯的。在一般情況下，嚙合振動能夠產生軸頻的任何一個倍頻上的激勵，這種激勵傳遞到齒輪箱引發箱體共振時產生明顯的噪聲，尤其當箱體的固有頻率較低，而嚙合頻率很高時，很可能在某倍頻下產生箱體共振。 鍵槽或花鍵槽在嚙合力作用下，使得齒輪和花鍵之間間隙產生無規則的變化，從而產生與周節差引發的相似的噪聲。 2滑油噴注產生的噪聲 一種齒寬較大的直齒齒輪，在嚙入端吸入過多的滑油，這些滑油滯留于齒根間隙中而無法迅速從端部排出形成"困油現象"。困油現象發生在兩個嚙合齒的接觸部位形成的一個封閉容積內。這種封閉容積在齒輪轉動時會產生容積變化。由于滑油是不可壓縮液體（壓縮性小，體積模量為1.4×109），即使很小的容積變化都會使齒輪軸上的附加載荷發生周期性的劇烈變化，使齒輪激勵振動而產生噪聲。另外，在容積增大時，壓力即迅速減少，從而使得輪齒間迅速減壓造成"空蝕"，使齒輪激發出強烈的高頻振動，同時輻射出噪聲。與此同時，高壓油從齒端部高速噴射，射流沖擊齒輪箱箱體也會引發嚙合頻率激勵而產生齒頻噪聲及其倍頻噪聲。 3軸承力激勵 如果齒輪傳遞扭矩為船用螺旋槳推力（作用在推力軸承上）與扭矩，則螺旋槳在不均勻流場中產生的非定常軸向力或扭矩通過軸系傳遞到軸承，由軸承傳遞給齒輪，對齒輪產生不穩定的激勵，此即為軸承力激勵。由此種激勵使齒輪產生振動輻射出噪聲，這種噪聲與軸承力的激勵密切相關。 另外，由于齒輪輪齒的彈性原因，齒輪在傳遞動力時，后兩對輪齒嚙合時的齒對數只有一對齒嚙合的1/2～2/3。因此，當主動軸旋轉時，對應于齒對數的變化，從動齒輪發生與旋轉轉速變化相同的振動，從而輻射出噪聲，這也是主要噪聲源之一。