重載汽車齒輪變速器穩(wěn)態(tài)運行振動與噪聲分析

重載汽車齒輪變速器穩(wěn)態(tài)運行振動與噪聲分析

例如，齒輪箱振動噪聲是一個研究主題，始于一個多世紀前。1863年，蒙古發(fā)表了一篇關(guān)于將橡膠環(huán)插入齒輪和車輪邊緣之間的文章，以避免振動和噪聲。1976年,谷口修等論述了齒輪傳動過程中振動產(chǎn)生的原理并分析了齒輪振動與噪聲的關(guān)系。1984年,K.zawa和Tordion對齒輪箱系統(tǒng)振動的預(yù)測方法和耦合非線性特性進行了探討,但其成果還難于應(yīng)用在工程實際中。1996年,RookToddE基于結(jié)構(gòu)導(dǎo)納方法,從噪聲和振動控制觀點對齒輪箱的結(jié)構(gòu)噪聲功率流進行了理論分析和實驗研究,并指出有必要從噪聲觀點對齒輪箱噪聲進行進一步研究。1996年,太原重型機械學(xué)院的張平寬提出了應(yīng)用薄膜阻尼降低齒輪箱噪聲的設(shè)計思想和方法。西安重型機械研究所的種建明從齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度出發(fā),指出合理設(shè)計齒輪箱的各部分結(jié)構(gòu)對降低齒輪箱的振動噪聲有重要的作用。文中提到德國奧比茲教授認為,正確設(shè)計齒輪箱,可使噪聲下降25%。1998年,姚德源對齒輪箱的噪聲進行了統(tǒng)計能量分析,為實現(xiàn)齒輪箱的結(jié)構(gòu)噪聲控制提供了有益的參考。2001年,海軍工程大學(xué)的薛延華,從振動控制理論出發(fā),研究了齒輪箱箱體以及齒輪本體的結(jié)構(gòu)參數(shù)對動態(tài)特性的影響,利用結(jié)構(gòu)動力學(xué)有限元法,提出了通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)來改善齒輪箱振動的方法。2004年,李小華從齒輪箱的設(shè)計角度出發(fā),論述了影響齒輪傳動噪聲的因素及其控制方法,文中認為通過控制齒輪線速度、合理設(shè)計齒輪參數(shù)可以達到降低噪聲的效果。本文針對重載汽車齒輪變速箱的工作特點,對該齒輪箱的空檔、十個前進檔、兩個倒檔的穩(wěn)態(tài)運行及其升速過程進行了振動與噪聲測試,并對振動信號進行了時域和頻譜分析。分析結(jié)果對于了解齒輪變速箱的振動與噪聲特性以及基于振動和噪聲信號的齒輪箱質(zhì)量評價具有重要意義,并且為研究以減振降噪為目的的齒輪箱結(jié)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計與振動結(jié)構(gòu)的聲輻射機理和基于聲輻射的機械故障診斷方法奠定了基礎(chǔ)。1振動信號分析在齒輪箱檢測中,振動檢測是目前的主要方法。齒輪的振動通常包括齒輪的周向振動、齒輪的徑向和軸向振動及齒輪的固有振動等。齒輪的振動又會引起軸的振動,并通過軸承將振動傳遞給齒輪箱,引起箱體的振動。齒輪的缺陷及齒輪箱的結(jié)構(gòu)缺陷會反映到齒輪箱的振動信號聲音信號當(dāng)中,這是運用振動噪聲信號分析法對齒輪箱進行分析的依據(jù)。振動信號的頻譜分析是齒輪故障信息的最基本的研究方法。對于高速大型旋轉(zhuǎn)機械,其旋轉(zhuǎn)狀況是復(fù)雜的,尤其當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)不對中,軸承或齒輪的缺陷、油膜渦動、磨擦、陷流及質(zhì)量不對稱等現(xiàn)象時,則振動更為復(fù)雜,用一般頻譜分析方法已經(jīng)難于辯識(識別反映缺陷的頻率分量),而用倒頻譜,則會增強識別能力。2軸承順序內(nèi)數(shù)字齒輪箱結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示(圖上數(shù)字為齒輪齒數(shù),括號內(nèi)數(shù)字為軸承序號),動力傳動路線如圖中箭頭所示。該齒輪箱的電機轉(zhuǎn)速為1200r/min,一共有12個檔位,10個前進檔,2個倒檔。2.1振動信號的布置變速器在正常情況下的振動是由齒輪在工作過程中的嚙合力波動、允許范圍內(nèi)的齒輪軸中心距偏差等因素引起的。這類振動一般是嚙合力調(diào)制振動。如果齒輪或軸承出現(xiàn)故障,則會產(chǎn)生沖擊,振動信號發(fā)生瞬態(tài)變化。因此,在實驗過程中可以在不同位置上布置加速度計來監(jiān)測這些點的振動信號。從這個角度出發(fā),在變速器箱體輸入和輸出的前后面各部位布置測點,編號為1,4。在殼體的厚度最薄弱、振動最厲害的中間部位布置測點,編號為3。最后在靠近軸承座的部位安排測點,編號為2。測點的選取如圖2所示。測點(1)表示第1組測試點布置;測點(2)表示第2組測試點布置圖。每組包括4路加速度信號、一路聲壓信號以及一路輸入軸轉(zhuǎn)速信號。其中,1號加速度計為參考測試點,兩組相同,為固定的測試點。振動與噪聲有著非常密切的關(guān)系,為研究振動結(jié)構(gòu)的聲輻射機理和基于聲輻射的機械故障診斷方法奠定基礎(chǔ)。由于振動信號的頻譜分析與齒輪箱轉(zhuǎn)頻具有一定的函數(shù)關(guān)系,因此,還接一路輸入軸的轉(zhuǎn)速信號。齒輪箱由空檔升速至第1檔,再升速至10檔,再換成倒1檔,倒2檔,測試在齒輪箱正常穩(wěn)定運作的情況下進行,一共測得了空檔、升速過程及12個檔的信號。2.2dasp系統(tǒng)信號采集試驗的目的是為了獲取HW18710變速箱在各種檔位工作時的振動和噪聲信號,進而進行信號分析和診斷。試驗中采用北京東方振動與噪聲技術(shù)研究所的DASP系統(tǒng)來采集信號。考慮到實驗現(xiàn)場有多臺機械設(shè)備在同時運行的特點,為了較準(zhǔn)確地測量汽車變速器的噪聲,最大限度地消弱其它噪聲信號的影響,在噪聲測量時,采用近聲場測量方法,將傳聲器置于與變速器較近的測點上測量聲壓(正對齒輪箱距離大約60cm)。3齒輪間的轉(zhuǎn)速及齒輪軸轉(zhuǎn)頻、齒輪閉合頻率的計算齒輪嚙合產(chǎn)生的振動信號的功率譜或頻譜中的主要頻率成分應(yīng)當(dāng)包含齒輪軸轉(zhuǎn)頻、齒輪嚙合頻率及其倍頻。以輸入軸轉(zhuǎn)速1200r/min為基數(shù);通過計算得出軸頻及齒輪嚙合頻率;可知,軸頻為低頻,在0~20Hz之間。齒輪嚙合頻率為0~640Hz之間。3.1振動強度及加速度經(jīng)過分析可知,第1組測點的頻譜圖基本一致;第2組測點的頻譜圖也基本一致。如果采用信號平速度信號和聲壓信號的12個檔的信號強度計算部分如表1所示。由表可見,加速度信號3比其它信號振動強度都大,第9檔的振動強度最高。倒檔2比倒檔1的振動強度大;空檔的振動強度最小。振動噪聲及車間背景噪聲在85~88dB;屬于正常范圍。第1組測點和第二組測點的第10檔的加速度信號1(該點作為參考,加速度計為同一個)的振動強度對比如圖3所示。藍色實線信號為第1組的第10檔的1號加速度信號,紅色虛線信號為第2二組的第10檔的1號加速度?？梢姷?組較第1組振動幅度稍大。但兩組振動信號的強度差別不大,S1=227.3095,S2=264.6337,(S)2-S1S1=16.4%。3.2齒輪的倒譜分析對振動信號進行頻譜分析,可找出齒輪箱可能存在的潛在故障。經(jīng)過頻譜分析可知,第1組測點的第4路加速度信號有一明顯的峰值,本組的其它信號以及第2組測點信號都沒有此譜峰。進一步對第一組測點第4路加速度信號進行功率譜分析,如圖4所示。其中第4和第5點的峰值非常的高,它們對應(yīng)的頻率分別是2343.75Hz和2348.63Hz。軸頻和齒輪嚙合頻率都為低頻,圖中低頻無明顯峰值。并且在2343.75Hz和2348.63Hz周圍沒有明顯邊頻及倍頻出現(xiàn)。進而對其進行倒譜分析。如果該峰值是由齒輪或者軸承等故障引起的,倒譜分析將能從該密集泛頻信號中分離和提取出周期成分及多成分邊頻等復(fù)雜信號。對第1測點第4路加速度信號進行倒譜分析,如圖5所示。由圖可知,齒輪和軸承等并無故障。所以,初步判定2343.75Hz和2348.63Hz為齒輪箱結(jié)構(gòu)局部模態(tài),而不是齒輪本身的故障。3.3振動信號功率譜與齒輪嚙合頻率分析齒輪箱中齒輪的嚙合頻率及其倍頻在振動加速度信號和聲音信號中的分布可知,2349Hz為5、6齒輪的嚙合頻率的5倍頻,但這幾乎不可能。因為在第10檔時,5、6齒輪根本不參與嚙合。2349Hz跟常嚙合的4倍頻在數(shù)值上接近,但如果2349Hz為常嚙合的4倍頻,這與測得的數(shù)據(jù)不符。因只有第一組測試第4路信號有此峰值。4第一、混合加速度測試本文通過對重載汽車齒輪箱進行振動與噪聲分析,得出以下結(jié)論(1)兩組振動信號的強度差別不大。第2組信號比第1組信號略強,信號能量相對高出16.7%。(2)振動噪聲信號在12個檔位的強度分布,在第一測試組中,加速度信號3比其它信號振動強度都大,第9檔的振動強度最高。倒檔2比倒檔1的振動強度大;空檔的振動強度最小。(3)測試過程中,試驗減速器的振動噪聲及車間背景噪聲在85~88