填充齿轮的设计及性能研究

张传俊 张春芳

摘要：目的：为解决现代填充齿轮设计中传动噪声大、震动幅度大等缺陷，加快机械齿轮行业的快速发展。方法：本文在采煤机大型齿轮结构的基础上进行泡沫铝填充设计，以扭转变形要求为约束条件进行结构优化和仿真模拟。结果：优化后的泡沫铝填充结构齿轮的振幅较原型、初始设计有着明显降低。结论：通过改变齿轮上圆孔的扇形结构，使得优化后齿轮振幅降低了10%，降噪性能提高了11.1%，轻质性能提升5%，促进泡沫铝填充齿轮在机械行业的发展。

关键词：泡沫铝;大型齿轮;模态模拟;降振减噪性能

中图分类号：TD402  文献标志码：A  文章编号：1008-4657（2020）02-0018-05

0 引言

伴随着工业现代化脚步的加快，对齿轮传动噪声产生与机械振动的要求愈发严格[1]，提高大型齿轮的减振降噪效果等已成为机械制造领域重点探讨的问题。国内外的科研工作者们也展开了一定的研究，马朝永等[2]通过建立改进的局部故障时变动力学模型实现了行星齿轮箱故障诊断。彭楠等[3]通过传动动力模型建立的方式分析C型阻尼环的开口量、厚度等参数对锥齿轮的减振性能产生的影响，并由此寻找最优化的阻尼环结构参数来使锥齿轮性能达到最佳。陆波等[4]通过建立齿轮-轴-轴承-箱体耦合系统三维有限元模型，并提出了一种计算斜齿轮时变刚度的方法有效评估齿轮动态特性与噪声。泡沫铝作为一种新型功能性材料，其降噪特性得到了认可，但是在齿轮构件应用上却并不多见。对此，本文进行泡沫铝填充结构大型齿轮设计与优化并进行了降噪实验，推进高效、大功率、轻量化齿轮的发展。

1 泡沫铝填充结构齿轮设计

以型号为MG400/920—WD的采煤机的减速器齿轮为原型，并将泡沫铝作为填充结构来设计一款降噪、低振、轻质的齿轮。原齿轮结构如图1所示[5]，材料为铸钢，压力角α为20°，模数m、齿数z与齿宽B分别为6 mm、56、110 mm，内孔Φ100 mm，另外在齿轮的均匀分布的6个Φ25 mm孔。本文在保持原齿轮结构的基础上，将齿轮上的小圆孔更改为位置合理的扇形结构，并以填充夹角β = 40°来进行填充，填充泡沫铝的外径D1、内径D2分别为265 mm、225 mm，齿轮结构设计如图2所示。

2.4 优化结果

利用ANSYS软件，设定目标函数、变量以及约束条件，得到最优化的泡沫铝填充结构的外径与内径，分别为290 mm、238 mm。

3 齿轮模态模拟分析

3.1 模型的建立

利用Pro/E构建初始设计与优化设计后的泡沫铝填充结构齿轮3D模型，随后将模型道导入到ANSYS软件中[7]。对模型材料的各项参数进行一一设定，并利用SOL-ID186單元类型进行模型网格划分。此外，参考于英华等人的研究进行加载约束条件与载荷[8]。

3.2 模拟结果

采用BlockLandczos[9]方法对模态进行提取，模态提取阶数设定为5，原型、初始以及优化后的齿轮结构的前5阶模态结果如图3所示。

三种齿轮的前5阶主要模态参数如表1所示。通过表1对比可以发现，无论是初始设计还是优化后的齿轮设计，其前5阶模态的固有频率相较于原始齿轮均呈明显增加趋势，最大增加量达到了16.1%;而对于各阶模态的振幅参数来说，相较于原始齿轮，其他两种齿轮振幅明显下降，尤其优化后的泡沫铝填充齿轮最大振幅降低了10.0%。通过以上数据可以知晓，齿轮使用泡沫铝填充能起到良好的减振作用，特别是优化后的填充结构齿轮减振效果更为优异。

4 减振降噪的实验验证

4.1 实验测试装置

为进一步验证本文的泡沫铝填充齿轮的减振降噪效果，自主研发了齿轮传动装置来进行测试，齿轮传动装置如图4所示，可实现9级变速。根据需要，分别选择了225 r/min、500 r/min与1 000 r/min三种转速。

4.2 测量系统及过程

本次测试，利用声级计提取齿轮传动装置的噪声型号，并经由经抗混滤波放大器和信号分析仪，将滤波后的噪声数据传送至计算机DASP噪声分析软件中进行分析。噪声测量系统如图5所示。

4.3 测量结果及分析

根据上述测量系统，待齿轮传动装置运行平稳后，对三种大齿轮分别在225 r/min、500 r/min与1000 r/min转速情况下的噪声数据进行测量，测量结果如图所示6所示。从图中可以明显看，在相同的转速下，初始设计与优化后的泡沫铝填充结构齿轮相较于原型齿轮，噪声分贝均明显下降，优化后齿轮的噪声最大降幅高达11.1%。通过数据分析可知，泡沫铝能有效提高齿轮的降噪性能，尤其优化后的填充结构齿轮降噪效果更佳。

5 齿轮的轻质性分析

根据初始与优化后的三种齿轮结构，对齿轮的质量进行计算，并将质量结果与原型齿轮的质量进行对比分析，其对比结果如表2所示，其中原型齿轮质量为69.22 kg。从表2中可以看到，初始设计的与优化后的泡沫铝填充齿轮相较于原型齿轮，齿轮重量相对减少了10.91%、15.9%，这表明泡沫铝材质能明显提高齿轮的轻质性。

6 结束语

利用Pro/E内部提供的优化参数功能，在采煤机大型齿轮提供的基础结构上优化设计泡沫铝填充的3D模型，充分考虑了材质与构型对于减振、轻质性能的影响。通过齿轮前5阶模态，泡沫铝填充结构齿轮减振降噪效果有着显著提高，另外还达到了轻质效果。本文设计理念在齿轮结构优化中达到了预期的效果，在机械工程应用上具有一定普遍意义。

参考文献：

[1]  任红军，张昊，于晓光，等.五平行轴压缩机齿轮系统非线性动力学特性研究[J].机械工程学报，2017，53（23）：39-45.

[2]  马朝永，冀建东，胥永刚，等.基于刚柔耦合模型的行星齿轮箱动力学仿真分析[J].北京工业大学学报，2019，45（8）：719-726.

[3]  彭楠，朱如鹏，鲍和云，等.C型阻尼环结构参数对锥齿轮传动动力学特性的影响研究[J].机械传动，2014，38（8）：1-5，17.

[4]  陆波，朱才朝，宋朝省，等.大功率船用齿轮箱耦合非线性动态特性分析及噪声预估[J].振动与冲击，2009，28（4）：76-80，204.

[5]  于英华，鲁勇.泡沫铝阻尼塞在矿山机械重型齿轮中的应用研究[J].兵器材料科学与工程，2014，37（1）：35-38.

[6]  茹林潺，陈泽中.微齿轮注塑成型填充过程数值模拟[J].塑料工业，2015，43（8）：41-44..

[7]  焦映厚，陈照波，付龙，等.大型立式齿轮箱行星齿轮传动系统的优化设计[J].机械传动，2012，36（6）：58-64.

[8]  于英华，余国君，徐平.泡沫铝齿轮阻尼塞减振降噪性能研究[J].制造技术与机床，2010（8）：84-86.

[9]  王辉，范爱琴，薛俊强，等.闭孔泡沫铝中低频振动的阻尼性能测试[J].金属功能材料，2015，22（6）：39-46.

[责任编辑：郑笔耕]