齿轮咬合里的磨损刺激频谱剖析和滑润减杂性能研讨

　　1齿轮噪声测试实验

　　11试验条件与试验仪器

　　被测对象为一台比较旧的C630车床床头箱内的由3个标准渐开线齿轮组成的挂轮机构，齿数z1=z3=72，z2=100，模数m=225，如所示。测试仪器为ND2型精密声级计、东方振动和噪声技术研究所的信号采集系统(包括信号处理软件)、信号放大器。2所示为信号采集流程。

　　12实验条件与实验仪器

　　(1)在3个齿轮中，挂轮系中间惰轮的外圆尺寸 大(基本结构尺寸如3所示)，其辐射噪声的能力也更强。因此选该惰轮为测试对象，首先将其拆下，单独悬挂，将精密声级计传声器沿着齿轮轴向的中心位置指向该齿轮，并保持约700mm的距离，用铁锤敲击齿轮，通过信号采集系统采集记录波形。

　　(2)将齿轮安装回车床上，用铁锤敲击静止的齿轮记录噪声波形。

　　(3)选用车床主轴转速为600r/min转动，待噪声测试仪读数稳定时，记录噪声数据，并用信号采集系统记录波形。

　　(4)将配置的润滑液均匀地涂在3个齿轮的齿侧，车床主轴在较低转速下运转，使润滑油均匀浸润每个齿，车床停止运转几分钟，使润滑液稳定在齿轮上，将车床转速调回600r/min，待噪声测试仪指针稳定后，记录读数，同时采集数据记录波形。需要指出的是，该润滑油通过摩擦摆装置测试表明，具有很好的抑制摩擦激励的作用。

　　2实验结果及分析

　　21实验结果

　　将采集得到噪声时域信号进行FFT处理，得到频谱图结果如47所示。

　　4和5的谱图获得的是齿轮静止时本体固有频率，当齿轮静止悬挂时可理解为内外边界均自由的状态，而当齿轮静止安装固定在挂轮架上则可理解为外边界自由内边界附加约束的状态。

　　为当主轴转速为600r/min时所获得的噪声频谱，此时噪声计所测得的声压级为8993dB(A);为涂抹润滑剂之后所获得的噪声频谱，此时噪声计所测值变为8892dB(A)。此时可以通过对比来观察涂润滑剂前后的各频率成分及相应幅值的变化情况。齿轮转动时的振型为多种振型的偶合，因此难以进行简单描述。

　　以上所得频谱图均为采样频率设为2560Hz，相干系数为1，相位为0，经过互功率谱分析得出。

　　列出了各种振动情况的频率成分及相应幅值的对照情况。

　　1各种振动情况的主要频率成分及其幅值

　　22分析及讨论

　　经过分析，中25Hz这一峰值频率成分是在敲击自由悬挂齿轮时，齿轮整体摆动激励空气的结果;当齿轮安装之后，再次敲击以及后续的测试时该频率成分自动消失。因此在齿轮的固有频率中实际只应有4个峰值频率。

　　3所示惰轮，可以近似为3个圆环。界面58mm42mm的圆环难于激励，因此实际振动时，应是中间厚13mm的圆环和外部厚20mm的圆环与空气耦合辐射噪声。据此可以设想，1325Hz的频率成分主要与中圆环有关。对于环形板不论板的边界条件如何，其横向振动的固有频率均按下式计算：

　　f=ans2a2DA式中：ans为频率常数;D称为弯曲刚度，D=Eh312(1-2)，其中E为板的弹性模量，h为板的厚度，为材料的泊松比;a为圆板外圆半径;A为板的面积密度。

　　从频谱图中可以发现，在齿轮单独悬挂敲击与装回挂轮架敲击时都有频率为1325Hz这个成分，然而在齿轮转动后，这个频率成分变成了1350Hz.通过计算，得出当节径数n=2，节圆数s=0时内外边界均自由的振型频率为13224Hz;而当n=2，s=0时内边界简支外边界自由的振型频率为13494Hz，这与实际测量的值非常接近。由于齿轮的外形并非标准圆盘，所以这里计算使用了等效的厚度h=14489m，以及等效面密度A=113739kg/m2.(根据材料特性选取=032，E=201011MPa)。致使这个频率成分在转动前后发生了变化的原因是在转动的时候，由于齿轮连同轴一起旋转，齿轮有扭转变形，齿轮振型出现了内边界简支外边界自由的振型。而3150Hz和4450Hz，则并没有计算出接近的频率成分，可能与二者关联振动有关系。在齿轮安装之后，惰轮与主从两轮同时啮合，使外环振动有所受阻，故使悬挂齿轮的4450Hz变为安装后的4475Hz.而3150Hz这个成分是在齿轮转动后变成了3125Hz.

　　5550Hz的频率成分主要取决于外圆环，由于安装前后敲击部位主要为外环，故5550Hz频率未受影响。

　　当车床主轴以600r/min旋转时，床头箱系统与挂轮系统同时振动发声，噪声峰值增加较多。由于声级计的传声器正对着挂轮机构的惰轮，因此与该齿轮有关的噪声成分可以完全被记录。由齿轮的啮合频率等于齿轮转速与齿数的乘积，即fz=nz60式中：n为齿轮的转速(r/min);z为齿轮齿数。则由车床转速和挂轮机构主动轮齿数，可知其啮合频率为f1=6007260=720Hz而惰轮的啮合频率为其2倍，即f2=2f1=1440Hz按照进入啮合与退出啮合都会引起摩擦激励的观点，惰轮的摩擦激励频率为啮合频率的2倍，即fM2=2f2=2880Hz对照和可知，有一个2625Hz的幅值 大。该频率与计算出的摩擦激励频率的名义值极为接近。考虑到车床主轴转速是按转速表挂挡获得的，其实际转速与标称值一定存在着差异。基于这一理解，作者认为有理由判定2625Hz就是摩擦激励。这一高频率的摩擦激励会使齿面间发生高频率的噪声。

　　另外，涂润滑油后出现的1800Hz应当是未涂润滑油时2125Hz的演变。因为涂润滑油之后改变了齿面的某些性质，从而部分地减少了某些约束，致使由2125Hz确定的某一振型更易于被激励，约束改变而使此阶固频减小为1800Hz.此外从可知，3175Hz的频率成分是在3125Hz基础上的迭加，与惰轮的支承轴(或心轴)的变形频率有一定关系。

　　在涂上降噪油后，齿面之间进入啮合与退出啮合时，摩擦力的变化幅度大为减少，致使由这一激励引起的噪声峰值也将明显降低。试验结果表明，齿面涂润滑油后的摩擦激励频率的噪声峰值几乎下降了60，由摩擦激励引起的更高频率成分的噪声也有了相应幅度的下降，或者完全被抑制。

　　由此可见，用频谱分析所获得的试验结果较之采用倍频程分析方法要准确得多。上述的数据和事实表明，在渐开线齿轮传动中，确实存在一个2倍于啮合频率的摩擦激励频率，同时还会因此激发更高频率的噪声。对于这种由摩擦引起的齿轮高频噪声，采用降噪油对摩擦激励进行控制，对其摩擦激励频率成分的抑制效果是十分显著的。这种降噪剂可用在与摩擦激励有关的高频噪声的控制，如铁路在驶过弯道产生的尖啸声的控制。

　　在现场用ND2型精密声级计进行A声级测量，在挂轮系统的轮齿上涂润滑油，可使整机噪声降低约2dB.虽然整体降噪幅度很小，但倍频程分析与频谱分析结果都表明，高频成分噪声值都有所下降。但是频谱分析结果较之倍频程分析不同的是，3125Hz的噪声幅值反而因涂润滑油有很大幅度的增加。这一现象在倍频程分析中尚未发现，也许存在某些偶然性。这一频率毫无疑问属于齿轮本体的一个固有频率，但在降低摩擦激励的影响之后，齿轮本体振动反而加剧的原因是，轮齿刚度的变化的客观存在，致使在其他固有频率成份均受到约束之后，尚不能对此阶振型加以约束，而摩擦激励频率与其相近，因而促进了次阶振动的加强。

　　3结论

　　(1)通过对噪声频谱分析这种较为先进的技术方法，更进一步证明了摩擦激励频率为啮合频率的2倍这个结论。并且认为摩擦激励频率与固有频率没有直接关系。

　　(2)利用摩擦摆实验装置配置的新型润滑降噪剂，对摩擦激励有良好的抑制作用，从而有效地减小系统的振动，降低噪声。

　　(3)由于润滑降噪剂的使用，明显地抑制了摩擦激励频率成分的振动，使得整体齿轮系统振型有所改变，对某个固有频率成分有所影响，但总体还是起到了降噪作用。至于抑制与影响其他成分是否存在某种确定的关系以及转速和载荷对使用该润滑剂抑制摩擦激励的影响尚不明确，有待以后进一步研究。