泡沫铝齿轮阻尼塞减振降噪性能研究*

于英华 余国君 徐 平

(辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新 123000)

齿轮传动装置是机械中最基本的装置之一，因此，降低齿轮的振动和噪声对降低机械振动和噪声具有重要的理论意义和现实意义。

目前，国内外对齿轮噪声控制的措施主要有以下几个方面：(1)齿轮结构优化设计(包括改变齿形、改变齿轮设计参数等)；(2)改进制造工艺，提高齿轮加工精度，减小其安装误差；(3)阻尼控制。

由于齿轮的一部分噪声是由齿轮啮合方式所决定的，因此结构优化设计不能全面改善齿轮传动系统的振动和噪声；而通过提高齿轮加工精度降低齿轮噪声必须以牺牲经济效益为代价。因此阻尼控制技术越来越受到重视。根据振动理论，在共振时，只有阻尼力才能抑制齿轮振动的振幅。一般齿轮内阻尼是很小的，因此齿轮的振动噪声是严重的。阻尼控制技术是通过增加齿轮阻尼效应，消耗振动能量来降低齿轮噪声。其具体措施有：装嵌阻尼环、在齿轮上进行自由阻尼或约束阻尼涂层的处理、齿轮体加装阻尼塞、齿轮体嵌藏粘弹性材料等［1-4］。

与其它阻尼控制方法相比，阻尼环和阻尼塞减振降噪技术具有工艺简单、结构紧凑、造价低廉、效果显著和性能较稳定等优点。目前，国内金属阻尼环、阻尼塞材质多为铸铁环或钢环。由于铸铁环或钢环本身的内阻很小，所以阻尼环或阻尼塞仅仅依靠干摩擦机理进行减振降噪，减振性能不稳定。随着我国高阻尼合金的问世和发展，阻尼环的材质选择有了很大的突破，但是高阻尼合金材料价格高，因此限制了高阻尼合金材料阻尼环的发展。泡沫铝具有良好的阻尼、吸振、轻质等优良特性，为此将其应用于制造齿轮阻尼塞，是很值得探讨的课题［5］。

本文对泡沫铝齿轮阻尼塞抑制齿轮振动及噪声特性进行研究，以期为泡沫铝齿轮阻尼塞在齿轮减振降噪中的应用提供参考和依据，为开辟齿轮减振降噪新途径，拓展新材料泡沫铝在机械行业中的应用提供理论和技术支持。

1 齿轮阻尼塞减振降噪的理论分析

所谓的齿轮阻尼塞，即是在齿轮的轮腹上均匀分布的若干个通孔中以适当的配合形式装入的柱塞(阻尼塞)，参见图1。阻尼塞之所以能够减振降噪主要是由于它从三方面提高了齿轮的阻尼，即系统阻尼、结构阻尼和材料阻尼。

1.1 阻尼塞减振降噪模型建立

齿轮啮合传动过程中，其轴向振动和径向振动同时存在，且都是诱发噪声不容忽视的原因［6］。这里仅研究齿轮—阻尼塞系统的轴向振动。假设齿轮内部的结构阻尼力与由阻尼塞带来的阻尼力相比小到可以忽略不记，并设齿轮体为一个集中质量m1，所有阻尼塞为一个集中质量m2，那么齿轮—阻尼塞构成的振动系统可用图2表示。其中：K1为齿轮等效弹簧常数；K2为阻尼塞等效弹簧刚度系数；c2为阻尼塞等效粘滞阻力系数；F2为极限摩擦力；x1为齿轮振动位移；x2为阻尼塞振动位移；P0为强迫力；ω为激振频率。该系统振动微分方程为

令y=x1-x2＜0，K2y-F2=K2y1，代入式(1)和(2)整理可得：

式中，ω1为轮体振动的基频=K1/m1；ω2为阻尼塞振动基频=K2/m2；ξ2为由阻尼塞装配到齿轮上后带来的阻尼比，ξ2=；μ 为质量比，μ =m2/m1；x0为齿轮的静变位，x0=P0/K1。

设稳态响应为

式中：X、Y为位移放大率。

设，α =ω/ω1；β = ω2/ω1。通过式(1)～(6)可求得：

这里我们主要讨论系统达到共振时，系统的减振性能。此时α≈1，式(7)可转变为

由式(8)可见ξ2越大，位移放大率X就越小，减振降噪性能越佳。

1.2 阻尼塞减振降噪特性分析

结合式(8)和泡沫铝材料的特性，分析泡沫铝阻尼塞对齿轮传动的减振降噪性能如下：

(1)泡沫铝阻尼为铸铁材料阻尼的5～10倍［4］，即ξ2很大，根据式(8)，泡沫铝的阻尼塞对齿轮的减振降噪效果要明显高于铸铁的。

(2)与铸铁相比，泡沫铝为轻质高比强材料，即相同结构尺寸的阻尼塞，泡沫铝的式(8)中的μ很小，这也将使泡沫铝阻尼环对齿轮的减振降噪效果要明显高于钢与铸铁的。

2 齿轮阻尼塞减振降噪的试验研究

为进一步验证泡沫铝阻尼塞减振降噪的优越性，进行了相应的试验研究。

2.1 泡沫铝阻尼塞的制造及其装配

试验中采用的泡沫阻尼塞是对上海众汇泡沫铝材有限公司生产的泡沫铝板进行线切割得到的，其尺寸为φ6 mm×10 mm。泡沫铝为ZL102铝合金，泡沫铝的孔径为φ1.6 mm，相对密度为0.22。同时为获得泡沫铝阻尼塞与铸铁阻尼塞减振降噪效果的对比数据，还制造了相同结构尺寸的铸铁阻尼塞。

齿轮结构如图3所示。其中的6-φ10 mm即为安装阻尼塞的孔。装配好阻尼塞的齿轮如图1所示(图1为装配泡沫铝阻尼塞的齿轮，装配铸铁阻尼塞的情况与此类似)。

2.2 实验装置的设计制造

试验是在自行设计的装置上进行的，其中齿轮传动装置的组成及其工作原理参见图4和图5。传动装置中包括如下部分：电动机1台，齿轮2个(齿数分别为20和40，材料均为45#钢)，其中大齿轮加装阻尼塞，小齿轮不加装阻尼塞，此外还有带轮(两小一大，可互相替换，以实现变速)、滚动轴承和箱体等。电动机通过三角带传动小齿轮，然后小齿轮传动大齿轮实现齿轮的啮合运动。该齿轮传动装置可实现9级变速。本次实验选择其中的4种速度 ：725 r/min、1250 r/min、1900 r/min和2350 r/min来完成。

2.3 测试

测试系统如图6所示。

2.3.1 测试方法

安装并调整好齿轮传动装置；启动传动装置，待其运行平稳后，由声级计拾取噪声信号；将声级计拾取的噪声信号经抗混滤波放大器送入智能信号采集处理分析仪，最后送入笔记本电脑，经其中的DASP噪声分析系统软件进行分析。

2.3.2 测试结果与分析

图7为测得的不加装阻尼塞，加装6个铸铁阻尼塞和加装6个泡沫铝阻尼塞齿轮传动装置的噪声随转速的变化情况。

由图7可以看出：(1)在所选的4种转速下，无论是加装铸铁阻尼塞还是加装泡沫铝阻尼塞，齿轮传动的噪声均有所降低，且转速越高，降噪效果越好；(2)泡沫铝阻尼塞的减振降噪效果明显高于铸铁阻尼塞，泡沫铝的最高降噪量为9.2 dB(A)，铸铁的最高降噪量为 7.4 dB(A)。

3 结语

(1)用泡沫铝制造齿轮阻尼塞，可以起到对齿轮传动的减振降噪作用，且其效果明显优于铸铁齿轮阻尼塞。

(2)泡沫铝阻尼塞减振降噪效果还与其他一些因素有关，如阻尼塞的形状、尺寸、在齿轮上的位置、阻尼塞与齿轮塞孔的配合情况等，这些问题还有待于今后进一步研究。

［1］毛炳秋，林莉，曹挺杰，等.采用阻尼环降低齿轮传动振动噪声的研究［J］.机械设计与研究，2005，21(1)：47 ～49.

［2］盛美萍，王敏庆，孙进才.噪声与振动控制技术基础［M］.北京：科学出版设，2001.

［3］Goto，Tarutani，et al.Vibration Analysis of Transmission Structure for Gear Noise Reduction［C］.Fall Convention of the Society of Automobile Engineering，Proc.No.70-99.New York：Society of Automotive Engineers，1999：17-20.

［4］Yuma Miyauchi，Koji Fujii，Takayuki Nishino，etc.Introduction of Gear Noise Reduction Ring By Mechanism Analysis Including Fem Dynamic Tuning［J］.SAE transactions，2001，110(6)：932-940

［5］于英华，梁冰，张建华.泡沫铝基高分子复合材料制备及其性能［J］.辽宁工程技术大学学报，2005，24(6)：903-905.

［6］于英华，梁冰.泡沫铝齿轮阻尼环减振降噪特性分析［J］.沈阳工业大学学报，2004，26(3)：247-247.