齿轮箱减振降噪优化设计方法研究马茂生

齿轮箱减振降噪优化设计方法研究马茂生

马茂生

南京高精齿轮集团有限公司江苏南京210000

摘要：齿轮传动因传动效率高、传动寿命长、传动比精确而被广泛应用于航空航天、轨道交通、装备制造等领域。随着人们对振动和噪声问题的重视，齿轮箱减振降噪优化设计势在必行。齿轮箱在运行过程中主要的振动和噪声来源是齿轮在啮合时产生的，主要通过三种路径传递到环境中。

关键词：齿轮箱；减振降噪优化设计

引言：

一是齿轮对啮合过程产生的啮合声以固体声的形式经齿轮、轴和轴承等传递至箱体，通过箱体各壁面振动辐射到齿轮箱外部空间中，形成所谓第一次空气声;二是齿轮对啮合过程产生的啮合声直接辐射到齿轮箱内部空间中，再传递至箱体各壁面使其振动向箱外空间辐射噪声，形成所谓第二次空气声;三是啮合声通过齿轮箱存在的各种缝隙向外辐射。研究表明齿轮箱约90%～95%的辐射声能量是通过第一种途径。因此，齿轮箱箱体的优化设计是整个齿轮箱减振、降噪优化设计的重要研究内容。

1理论简介

模态分析的具体工作方法是获取材料结构特征值和特征矢量，特征值就是要知道结构振动的一些基本振型对应的频率，在实际应用中，有时为了加强振动，应尽量接近基本频率，有时为了避免共振，应避开这些基本频率。基本频率是辨别结构变形快慢的参考，也是结构整体刚度的代表，如果结构的基本频率低，代表结构刚度很低；相反，如果频率很高，则代表结构刚度很高。振型的变化是材料在相应激振频率下的变形趋势，可以根据变形趋势改变其结构刚度。

物体在理论上有无穷阶模态，物体振动是在这些模态叠加下实现的，各阶模态在物体振动中起到的重要性又有不同，一般认为前几阶模态所起到的作用最大，越往后作用越小并且误差越大，所以通常对前几阶模态进行分析。齿轮箱在工作过程中会因为电机启动、制动和齿轮啮合等产生的冲击载荷发生振动，在冲击载荷或阶跃载荷的作用下，可能会引发齿轮箱各机构振动，如果这些振源的激励频率接近于机构的固有频率，便会产生共振，引起强烈的振动和噪音，更严重的可能会造成结构件的破坏，因此有必要对齿轮箱结构前几阶固有频率和振型进行分析。

2齿轮箱减振降噪技术专利发展状况分析

截至2015年5月，在德温特DWPI数据库中检索到涉及齿轮箱减振降噪技术的全球专利申请共计692项；在中文摘要数据库CNABS中检索到涉及齿轮箱减振降噪技术的专利申请达到606件，其中国内申请482件，国外来华申请124件。该节在这一数据基础上从专利申请发展趋势、专利申请国家或地区分布、主要专利申请人分析等角度对齿轮箱减振降噪技术领域的全球专利状况进行分析。

2.1发展趋势分析

在整个发展过程中呈现出明显的起伏趋势；到2013年时，其年原创申请量达到184项。从其发展轨迹来看，该领域的专利申请趋势的变化基本上与20世纪3次全球能源危机的发生相吻合，在能源危机出现时，传统汽车、减速器等制造业的专利申请量就呈现出明显下降趋势，齿轮箱减振降噪技术的专利申请也随之降低，这表明齿轮箱减振降噪技术的发展不仅取决于技术因素本身，而且在很大程度上还是由全球能源状况决定的，也就是说，齿轮箱减振降噪技术的发展很大程度上受到外部环境的制约。

近几年发展迅速，国外来华申请量发展初期大于国内申请量，而近几年要远远小于国内申请量，国内与国外来华申请量趋势基本保持一致。总体来看，国内与国外来华历年专利申请量差别较大，国外来华申请人早在20世纪80年代就开始重视在我国的专利布局，国内申请人起步较晚，但从2011年以来已超越国外来华申请量，且差距正不断增大。

排名前10位的省市多为经济发达、中小企业遍布地区或有大型供需企业区域，如江苏和浙江等东南沿海地区，生产制造业相对发达，而广东有比亚迪公司，安徽有奇瑞公司，他们都是对齿轮箱有大量需求的企业。除此之外，以上地区经济相对发达，政府非常重视企业与周边环境的交互影响，对齿轮箱减振降噪技术的扶持力度较大，在该地区进行齿轮箱减振降噪技术的研究以及产品的生产较为容易获得政府的扶助，因而企业或单位对开发齿轮箱减振降噪技术的热情比较高；该地区的整体科研水平比较高，科研人才众多，相对于其他地区，在这些地区专利保护意识更加深入人心，企业也更注重专利布局。

2.2申请人分析

在排名前10的申请人中，5家为整车生产商，其他4家零部件供应商中，爱信艾达、住友和雅马哈主要提供车辆相关的变速器，腓特烈斯则是提供齿轮箱的，这也充分反映出齿轮箱减振降噪技术的发展从很大程度上取决于整车生产商和车辆零部件生产商的发展，在当前全球车辆从传统的燃料向新能源转型的过程中，如何促使齿轮箱减振降噪技术进一步发展甚至转型以迎合当前市场的需要，将是目前乃至今后齿轮箱减振降噪技术领域需要思考的问题。国外来华申请人中日本占据3席、韩国占据2席，可见日韩在我国齿轮箱减振降噪技术领域中已初步完成专利布局，值得我们关注；国内申请人中以整车制造和零部件企业为主，由此可见，齿轮箱减振降噪技术的发展一定程度上取决于车辆行业的发展；值得注意的是，国内申请人中个人申请已初步形成规模，说明在齿轮箱减振降噪技术领域，专利保护意识已经开始逐步由企业深入个人，这也为我国今后知识产权战略的全面发展奠定了群众基础。

3齿轮箱优化设计

采用ANSYS软件对齿轮箱箱体的稳态振动响应进行了求解，在此基础上结合振速法与辐射效率的求解，在有限元计算后处理中实现了箱体非支撑面辐射声功率及的求解。从声学面板贡献量分析结果可知，箱体非支撑面的辐射声功率及要远大于其余面板，因此，其辐射噪声数值能够代表整个箱体的噪声辐射水平。

整个优化求解过程需使用APDL语言完成，包括:建模、网格划分、模态计算、加载、振动响应求解、后处理(非支撑面声功率级求解)、优化设计变量、设置优化参数，然后就可利用ANSYS软件的优化求解器进行循环优化求解，最后得到优化计算结果。

从模态贡献量结果可知，第三阶模态为箱体振动的主要贡献模态。因此，本文齿轮箱箱体减振降噪优化设计的目标函数有两个，分别为非支撑面的辐射声功率级降低和第三阶模态的固有频率的提高。通过设定合理的变量区间，对计算结果能够起到积极的影响。采用一阶方法，迭代20次，优化求解之后，得到了一组最优的壁面厚度组合。利用该组壁厚尺寸对齿轮箱箱体重新进行建模、加载、有限元和声学仿真计算，验证降噪效果。

两非支撑面的辐射声功率级降幅分别达到了3．84dB和6．61dB，与此同时，整个齿轮箱箱体辐射声功率级也下降了5．32dB。这说明对齿轮箱箱体的主要噪声源进行噪声控制能够同时对齿轮箱整体的辐射噪声进行较好控制;采用本文的齿轮箱箱体的减振、降噪优化设计方法能够取得较好的优化效果。

结束语：

国内申请人合作研发水平相对较弱，各企业、研究机构和院校可以加大合作力度，共同投入较多的资源促进科技成果的产出和快速产业化；其次，应积极重视国外申请人在中国进行的专利申请，对国外申请人的专利进行技术分析，一方面做到专利侵权风险预警，另一方面也学习、借鉴国外先进技术，为自主创新打下基础；最后，应从政策上积极鼓励和支持发明专利申请，各企业、单位、政府应进一步加大创新鼓励措施，对于有重大创新的单位或个人给予更多的技术支持，并帮助加快其实现产业化的步伐早日进入市场参与竞争，以提高齿轮箱减振降噪技术国内申请量的创造性水平。

参考文献：

[1]曾兆炎,陈富华.电机声功率级的振动测量法[J].中小型电机.2015(02)

[2]刘光枚.声功率级不等于声压级[J].环境工程.2015(01)

[3]钟祥璋.机器噪声声功率级测量标准[J].噪声与振动控制.2015(03)