机械齿轮传动系统的振动特性研究

摘要：随着科学技术的不断发展，机械工业面貌日新月异，机械的运转速度越来越高，因此人们对机械产品的动态性能提出了愈来愈高的要求。齿轮传动是机械传动中应用最为广泛的一种也是机械传动的重要组成部分，在国民经济建设中起着举足轻重的作用。在航空、船舶、汽车等领域中，其重要性尤为突出。齿轮变速箱主要由箱体、轴承、传动轴和齿轮构成，有关研究表明，变速箱是拖拉机的主要噪声源之一，变速箱的噪声主要由箱中的传动齿轮产生。

关键词：齿轮传动系统振动特性

中图分类号：U223.5+13文献标识码：A

1齿轮传动振动国内外研究概况

研究表明：机械的振动和噪声，其中大部分来自齿轮传动工作时产生的振动，因此机械传动中对齿轮动态性能的要求就更为突出。要满足这一要求，人们开始把越来越多的注意力转向齿轮传动的动态性能研究。具体地说，就是研究齿轮传动系统的动载荷、振动和噪声的机理、计算和控制。就需要从振动角度来分析齿轮传动装置的运转情况，并按动态性能最佳的目标进行设计。

为了解决上述问题，以研究齿轮传动和噪声特性为主要内容的齿轮动力学十多年来得到了较广泛的重视和研究，日本机械工程学会1986年对齿轮实际调查与研究表明，评价齿轮高性能化的前两项分别为低噪声和低振动。1992年在美国机械工程协会主办的第六届机械传动国际学术会议(6th Intenational Power Transmission and Geartng Conference)上，齿轮动力学研究得到了普遍的重视，宣读论文占总数的21％，列发表论文数的第一位，突出表明了齿轮传动向高速、重载方向发展后，其动力学研究的紧迫性。我国于1984年成立了机械工程学机械传动分会齿轮动力学会组，并成功地举行了三次全国齿轮动力学学术会议，促进了我国学者在这一领域内的发展。

对于齿轮轮齿的误差激励，早在1958年，Harris就认为它是引起齿轮振动的三种主要内部激励之一。七十年代许多学者（W.D.Mark，A.W.Lee，D.B.Welbowrn等）研究过传递误差的统计性质及其对齿轮振动和噪声的影响。其中T.Tobe研究过齿轮动载荷的统计特性，首先建立了直齿轮系统的非线性Fokker-Planck方程，并由此推出了矩方程，然后用统计线性化方法求解，从而得到响应的前二阶矩。在分析中，他们把静传递误差分解为确定性分量和随机分量，并将随机分量表示成“经滤波的白噪声”。1985年，A.S.Kumar等分析了直齿轮动载系数的统计特性，随机输入是传递误差，处理成经时不变的成形滤波器滤波的高斯白噪声。推出了等效离散时间状态方程和均值，方差波动方程，以确定啮合位置随机误差幅值和运转速度等对动载系数均值和方差的影响。

2齿轮传动动态特性研究现状

齿轮传动动态特性的研究大体上可分为两大部分：齿轮传动系统振动特性的研究和齿轮结构振动的研究。

2.1齿轮传动系统振动特性的研究

齿轮传动系统振动的主要激励为随时间变化的啮合刚度、齿轮误差和不稳定载荷，它是一个参数自激振动系统，齿轮传动的振动包括径向、周向和轴向的振动。关于直齿轮刚度计算已有比较成熟的Weber—Banaschek公式。由于斜齿轮接触线沿齿宽是倾斜的，因此在计算斜齿轮啮合刚度时，首先需要研究斜齿轮的载荷分布及轮齿变形。受计算手段的限制，早期的研究是把斜齿轮轮齿假设成由大量独立的法向薄片所组成(即“薄片”理论)，各薄片的变形是独立的。建立在这种模型下的斜齿轮载荷分布计算，忽略了各片之间的相互影响，进一步的研究是将斜齿简化成一刚性或弹性夹持的悬臂扳。由于悬臂扳几何形状与轮齿相差较大，因此所得结论很少校用来研究载荷分布，大多以此研究由载荷引起的变形及齿根弯矩。Monch和Roy用冻结法对环氧树脂齿轮的载荷分布做了光弹性实验。Coy和Seireg用线性规划技术计算了斜齿轮接触线上的载荷分布，其轮齿变形被分成弯曲变形，接触变形、支承变形等，用材料力学和赫兹变形公式计算各变形分量。Mathis和Simon用三维有限元研究了斜齿轮的载荷分布和变形。Nicmann和BhthBe及Nicmann和winter是将接触线的总长度变化用来估计齿轮的刚度波动。著名齿轮动力学专家、日本东京工业大学Umezawa用齿轮的有限差分模型对斜齿轮沿接触线的裁荷分布等作了理论分析后，对一对有限齿宽齿轮的载荷分布和啮合刚度特性进行了一系列的研究，并根据齿轮端面重合度εα和轴面重合度εg的大小判断齿轮啮合刚度波动的幅值(即计算振动幅)大小[8][9]。由于Umezawa是通过一等效悬臂梁的有限差分模型总结出的斜齿变形公式，因而他的研究尚无法考虑齿轮结构尺寸的影响。

Umezawa通过实验和仿真计算研究认为在相同误差情况下，端面重合度εα和轴面重合度εg相同的齿轮副的振动水平是一样的。在国内，齿轮系统动态方程求解的方法主要有状态空间法、复富氏系数法和富氏级数(Fourier serics)法。这些方法都不同程度地简化了齿轮传动系统振动特性的求解，保留了系统的参变和整体特性。为了设计出具有良好动态降性和低噪声齿轮传动系统，近年来人们对影响齿轮传动系统动态特性的因素做了不少理论计算和实验研究。采用柔性辐板齿轮结构是降低齿轮传动噪声，提高齿轮传动乎稳性的又一主要措施，Berestnev的实验研究表明，通过改变轮体结构尺寸，可使齿轮的弯曲、接触疲劳强度增加1．2～1．4倍，寿命增加1．5～2倍，振动噪声减小6～8dB。国内对钢轮毂、橡胶轮辐的柔性幅板齿轮系统的降噪特性进行了实验研究，结果表明在模数较大的场合，其降噪效果在7dB左右，减振效果为50％，高频噪声可下降6～18dB。

2.2 齿轮结构振动的研究

齿轮结构固有频率及振型、动态响应和动应力的研究是建立在一般结构振动计算方法基础上的。为了避免共振，防止颤振，或者是研究其响应问题，一般都要求先计算结构的模态，目前在计算结构动力学问题中虽为有效的数值方法是有限单元法。

然而，随着结构日益复杂化、大型化的发展，使人们不得不将眼光放在各种节省计算内存的求解方法上。这些促进了各种降阶技术和动态子结构技术的兴起和发展。如果将求解静力问题的波前法用于子空间迭代法中，就能使一般工程结构问题可以在微机上求解。由于在国内外曾发生多起齿轮轮体的共振导致的破坏事故，所以齿轮轮体固有振动特性的研究得到国内外的普通关注。这在对齿轮传动安全运行要求很高的航空工业来说尤其重要。美国波音费托尔公司(Boeing Vetrol)就是用有限元法来预测齿轮结构的共振频率。国内外对盘形圆锥齿轮结构固有振动特性进行了大量的理论和实验研究，取得了一批非常有价值的结论。Oda用Miller公式计算了具有不同福板支承形式的薄轮缘直齿轮结构的固有频率，研究了其传动系统的振动加速度。国内外的理论和实验研究表明，齿轮结构的行波共振会造成齿轮的成块断裂。

参考文献：

[1]陈予恕．非线性振动．天津:天津科技出版社,1983,251

[2] 魏任之等．齿轮的修形与降噪．第二届全国齿轮动力学会议论文,l 987

[3]方宗德．正齿轮传动的动载荷影响因素分析．西安交通大学学报,l 988

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