汽车齿轮变速箱阻尼减振降噪试验技术研究

王永梅，王希贵

（1.黑龙江工程学院汽车工程系，黑龙江哈尔滨150036；2.中国船舶重工集团第703研究所，黑龙江哈尔滨150036）

1 前言

齿轮在工作过程中产生的振动通过齿轮辐板和齿轮轴传递至轴承和轴承座，通过箱体及连接结构等向外界传递并同时辐射空气噪声。金属结构本身所含阻尼很小，而声辐射的效率很高。传统上常采用的方法是通过加筋等措施提高其刚性，降低噪声和振动。这种方法的实质并不是增加阻尼，而是改变结构本身的固有振动频率。如果实际情况允许，采用此方法是有效的。但是，在大多数情况下，减振降噪的效果并不理想。由于结构振动噪声的大小与结构材料的阻尼特性密切相关，在同样外界激励的情况下，材料的阻尼越大，其结构振动越弱，辐射的噪声也越低。因此，适当增加系统的阻尼是控制振动噪声的一种重要手段。

2 汽车变速箱阻尼减振降噪原理

阻尼是指系统损耗能量的能力。从减振降噪的角度看，就是将机械振动的能量转变成热能或其它可以消耗的能量，从而达到减振降噪的目的。阻尼技术就是充分运用阻尼耗能的一般规律，从材料、工艺、设计等各方面发挥阻尼在减振降噪方面的潜力，以改善机械结构的动态特性，降低机械产品的振动噪声，增强机械或机械系统的稳定性。

阻尼减振原理就是依靠增加阻尼力抑制振动系统的响应。以单自由度振动系统为例，其运动方程为：

若令s=iω，可导出系统的频响特性G(iω)。其中幅频特性为：

系统在常力F0作用时的静态位移为：xst=

单位减谐力产生的振幅与单位常力产生的静位移之比称为系统的动力放大系数。单自由度系统动力放大系数的解析式：

以阻尼比ξ作参数，按上式绘制的动力放大系数曲线如图1所示。该图表明，如果振动系统的阻尼比ξ较小，当激振力频率接近振动系统的固有频率时，系统发生共振，动力放大系数急剧上升。

抑制共振振幅的方法之一是增加振动系统的阻尼。设系统原有阻尼c，为抑制共振振幅增加阻尼c1，通常称之为附加阻尼，如图2所示。

如果系统原有的阻尼比为ξ，那么，增加阻尼c1后的阻尼比为：ξ＇=（1+）ξ

上式表明，如果附加阻尼c1比原先的阻尼c大得多，阻尼比ξ＇将远大于ξ，动力放大系数将显著减小，从而达到减振的目的。

以上结论虽然是根据单自由度振动系统的力学模型导出的，但是对多自由度振动系统和弹性振动系统作类似的分析，也能得到上述结论。因而阻尼减振技术也能应用于多自由度振动系统和弹性振动系统。

2 汽车变速箱阻尼结构方案及阻尼特征

从变速箱噪声测试和分析中可看到，变速箱噪声的主要贡献往往是变速箱箱体表面的声辐射，所以舰船齿轮传动减振降噪技术研究的内容之一应是降低变速箱表面的振动。

变速箱箱体为焊接结构，钢板的厚度相对尺寸较大的箱体来讲较薄，在受到激振力的作用下易产生振动，并向外辐射噪声。当其固有频率与激振频率接近或相同时将产生强烈的振动，产生高的噪声。变速箱表面的振动与变速箱总的噪声级之间的关系，通常是不容易计算得到的，有时是复杂和难搞清楚的。这是由于箱体的振动不仅决定于齿轮的振动而且还决定于箱体各个侧板、罩板的固有频率和相位特性。一般而言，噪声的量级和分布规律与箱休表面的振动速度有密切关系。在一定激振力的条件下，主要决定箱体表面的振动特性和阻尼特性。

箱休表面的振动—般受三个参数的影响，即质量、刚度和阻尼。在振动的任何瞬间包含着动能和应变能。动能与结构体的质量有关，应变能与结构体的刚度相关.而其能量的消耗与阻尼有关。

阻尼是—种物理效应。在结构发生形变时，在材料的内部有拉伸和压缩，有相对位移，来阻碍这种相对运动并把动能转变为热能，这种材料的属性称为内阻。钢板的内阻尼不断衰减钢板的振动，因此增大钢板材料的阻尼将衰减其共振时的振幅，减少噪声的辐射，同时亦衰减沿结构传播的结构波(固体声)，即减少其传递振动的能量。试验证明，阻尼在振动和噪声控制中具有重要的作用。

3 试验方法

本试验采用对比试验方法，在试验台其它部分保持不变的情况下，分别对未经过阻尼处理的变速箱和经过阻尼处理的变速箱进行试验，分析其相同工况下的振动、噪声值，通过比较得到减振、降噪效果。

4 振动测试结果分析

试验变速箱添加阻尼材料前后，各工况下箱体上部分测点的振动加速度幅值见表1、表2。

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5 空气噪声测试结果分析

在启动润滑油泵和电动机风机后，整个试验装置未投入运行之前，测试系统的背景噪声。背景噪声测试结果见表3。背景噪声符合试验要求。试验变速箱添加阻尼材料前，各工况下空气噪声测试结果见表4。

添加阻尼材料后，各工况下空气噪声测试结果见表5。添加阻尼材料前后，各工况下空气噪声差值见表6。

表5 添加阻尼材料后空气噪声测试结果

表6 添加阻尼材料前后空气噪声变化情况

6 结论

（1）根据传动变速箱的结构特点，上箱体可以采用外部粘贴阻尼材料的附加阻尼结构；下箱体可以采用在双层支撑壳体中间灌注阻尼材料的附加阻尼结构；尺寸较大的齿轮可以采用在齿轮辐板和轮缘内侧粘贴阻尼材料的附加阻尼结构。试验证明，这些附加阻尼结构是安全可靠的。

（2）通过附加阻尼结构提高传动装置的阻尼特性，可以获得比较好的减振降噪效果，与阻尼减振降噪的理论研究相符。

（3）箱体上振动值下降幅度较大，从本试验的测试数据看，在粘贴阻尼材料前箱体壁板上有些测点振动幅值较大，这可能是局部共振点，粘贴阻尼材料后这些测点振动值大幅下降，说明附加阻尼起到了明显的抑制作用。

（4）试验中选取的阻尼材料在100～2 500Hz范围内，空气噪声下降比较明显。空气噪声可降低1.4～2.6dB。