CN112781865A - 一种齿轮振动噪声测试试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种齿轮振动噪声测试试验方法，本发明通过对试验齿轮箱振动、噪声和传传递误差的测试用以修正仿真计算模型，通过对模型的校准和修正，得到比较精确的计算模型。通过对试验齿轮箱仿真分析和测试，可以开展齿轮基本参数，齿轮精度等因素对振动噪声影响的研究。利用试验台开展传递误差测试、齿轮箱振动测试、齿轮箱空气噪声测试和齿轮箱声源识别测试等，将试验结果与计算模型进行对比修正，使计算模型能够具有一定的准确性、试验方法具有一定的通用性。

Description

一种齿轮振动噪声测试试验方法

技术领域

本发明涉及的是一种振动噪声试验方法，具体地说是齿轮振动噪声试验方法。

背景技术

齿轮传动是传递功率的重要传动形式，在汽车、船舶、航天和航空等领域发挥着重要的作用。随着科技发展和使用需求的提升，齿轮传递功率逐渐变大、运行转速逐渐升高，对齿轮的振动、噪声的要求也越来越高。齿轮振动、噪声是评价齿轮传动性能的重要指标，针对齿轮振动、噪声的研究可以为高性能齿轮设计、制造提供技术支撑。针对船舶齿轮高速、重载的使用环境特征，现有的齿轮传动试验台主要是开式试验台，开式试验台的试验能力主要受加载装置制约，难以满足船舶齿轮高速、重载的试验需求。因此设计机械功率封闭试验台用以完成高速、重载齿轮试验研究。通过试验台结构设计、试验齿轮箱设计和试验方法设计，该试验台可以完成中心距不变的条件下，齿轮精度、齿轮基本参数、斜齿轮、人字齿轮等因素对齿轮传动性能影响分析，可以实现在一个试验台上开展多种因素验证试验。

传递误差是齿轮振动的原因之一，控制传递误差可有效降低齿轮振动噪声。通过对试验齿轮箱振动、噪声以及传递误差的测试可以多角度对比齿轮传动性能，从而为齿轮设计提供参考。

发明内容

本发明的目的在于提供将试验台与测试方法、仿真计算相结合，用以修正仿真计算模型，验证仿真计算方法，为齿轮传动低噪声设计提供依据，以满足齿轮设计更高需求的一种齿轮振动噪声测试试验方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种齿轮振动噪声测试试验方法，其特征是：采用如下测试装置：包括直流电机、增速齿轮箱、传动齿轮箱、试验齿轮箱、扭矩加载器、光电转速传感器、测扭仪、温度计、流量计、角度编码器、加速度传感器、声阵列仪、数据采集与分析系统，直流电机通过弹性柱销联轴器与增速齿轮箱低速轴相连，增速齿轮箱高速轴通过膜片联轴器与传动齿轮箱低速端相连，传动齿轮箱高速端一侧通过膜片联轴器与盘车机相连，传动齿轮箱高速端另一侧连接传动轴，传动轴通过膜片联轴器连接试验齿轮箱低速轴，传动轴通过滑动轴承座支撑，传动齿轮箱低速端连接测扭仪，测扭仪连接扭矩加载器，扭矩加载器通过膜片联轴器与扭力轴相连，扭力轴通过花键转接套与试验齿轮箱低速轴相连；

光电转速传感器安装于直流电机轴端，测扭仪安装在传动齿轮箱和扭矩加载器之间，角度编码器分别安装在高速轴端、低速轴端，加速度传感器安装在试验齿轮箱箱体、轴承座和机脚处，声阵列仪安装在试验齿轮箱外表面，温度计分别安装在传动齿轮箱轴承座处、试验齿轮箱处、滑动轴承座处和扭矩加载器，流量计分别安装在传动齿轮箱、试验齿轮箱、扭矩加载器和滑动轴承座的进出油口处，光电转速传感器、测扭仪、温度计、流量计、角度编码器、加速度传感器、声阵列仪通过线缆连接到数据采集与分析系统中；

(1)开展盘车工况下准静态传递误差测试P1和电机工况下动态传递误差测试P2，同时开展轴承座处振动加速度级测试P3，利用扭矩加载器5为试验齿轮箱4加载，在不同转矩工况下开展测试；

(2)利用齿轮动力学分析软件和有限元软件建立动态激励计算模型M1，分别计算对应工况下的准静态传递误差SSTE8、动态传递误差SDTE9，将计算值与试验值对比，验证计算结果；在试验值体现明显啮合频率特征时，取SSTE8、SDTE9的峰峰值，当计算值与试验值误差小于30％或啮合频率下SSTE8、SDTE9峰值误差小于20％，判断计算值与试验值符合误差要求，计算模型M1满足精度要求；

(3)将不同工况下SSTE8、SDTE9计算结果与实测结果变化趋势进行对比，验证传递误差测试方法P1、P2；相同转速下，当SSTE8、SDTE9随转矩的增加而增加或减小时，判断计算结果与实测结果变化趋势一致；相同转矩下，当SSTE8、SDTE9随转速的增加而增加或减小时，或在某一转速范围内，SSTE8、SDTE9出现局部最大值，计算的转速范围与实测转速范围边界相差不超过10％时，判断计算结果与实测结果变化趋势一致；

(4)在对比SSTE8与SDTE9差异，考虑轴承座处振动加速度级测试P3的结果轴承座处振动加速度级SB3，完善动态激励计算模型M1；首先对比不同工况下，SSTE8、SDTE9与SB3的对应关系，明确其变化趋势一致后，利用传递误差表示齿轮啮合动态激励，取传递误差和啮合刚度，计算出动态激励传递误差激励项，并在M1中增加以传递误差激励项，得到动态激励计算改进模型MS；

(5)利用有限元软件，建立箱体结构模型M2，利用步骤(4)中的动态激励作为输入，计算试验齿轮箱动态响应SXT4、机脚处振动加速度级SJJ5；

(6)开展对应工况下试验齿轮箱箱体处振动加速度级SXT4测试P4和机脚处振动加速度级SJJ5测试P5，将测试结果与步骤(5)中的计算结果对比，验证计算方法，在相同转矩、转速下，对比SXT4、SJJ5的特征频率，特征频率误差不超过10％，同时，特征频率下对应振动加速度幅值误差不超过20％；

(7)利用振动噪声分析软件，建立声学边界元模型M3，利用步骤(4)中的动态激励作为输入，计算试验齿轮箱辐射噪声SA6、辐射声场SAS7；

(8)开展对应工况下试验齿轮箱辐射噪声SA6测试P6和辐射声场SAS7测试，将测试结果与步骤(6)中的计算结果对比，验证计算方法；试验与测试结果进行对比，辐射噪声SA6误差不超过3dB，辐射声场SAS7声源位置与计算位置出在相同部件或结合处。

本发明的优势在于：本发明通过对试验齿轮箱振动、噪声和传传递误差的测试用以修正仿真计算模型，通过对模型的校准和修正，得到比较精确的计算模型。通过对试验齿轮箱仿真分析和测试，可以开展齿轮基本参数，齿轮精度等因素对振动噪声影响的研究。利用试验台开展传递误差测试、齿轮箱振动测试、齿轮箱空气噪声测试和齿轮箱声源识别测试等，将试验结果与计算模型进行对比修正，使计算模型能够具有一定的准确性、试验方法具有一定的通用性。

附图说明

图1为试验台布置示意图；

图2为试验台主视图；

图3为试验台俯视图；

图4为试验齿轮箱结构图；

图5为试验方法测试物理量；

图6为角度编码器安装示意图；

图7为本发明流程图(动态激励计算模型)；

图8为本发明流程图(仿真分析)。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-8，本发明试验方法采用如下试验台，由运转系统和测试系统组成，运转系统有：直流电机1，增速齿轮箱2，传动齿轮箱3，试验齿轮箱4，扭矩加载器5，扭力轴6，传动轴7，滑动轴承座8，测扭仪9，盘车机10，弹性柱销联轴器11，膜片联轴器12，支架13，隔声罩14，角度编码器15，加速度传感器16，声阵列仪17，温度计18，流量计19，光电转速传感器20，数据采集与分析系统21等。直流电机1通过弹性柱销联轴器11与增速齿轮箱2低速轴相连，增速齿轮箱2高速轴通过膜片联轴器12与传动齿轮箱3低速端相连，传动齿轮箱3高速端一侧通过膜片联轴器12与盘车机10相连，传动齿轮箱3高速端另一侧连接传动轴7，传动轴7通过膜片联轴器12连接试验齿轮箱4低速轴，传动轴7由两个滑动轴承座8支撑，传动齿轮箱3低速端连接测扭仪9，测扭仪9连接扭矩加载器5，扭矩加载器5通过膜片联轴器12与扭力轴6相连，扭力轴6通过花键转接套与试验齿轮箱4低速轴相连。直流电机1，增速齿轮箱2，传动齿轮箱3，试验齿轮箱4，扭矩加载器5，滑动轴承座8，都分别安装在支架13上，支架13与试验室地基固连，各个齿轮箱，加载器，轴承座等由试验台统一供应润滑油。为了开展试验齿轮箱4的噪声试验，将直流电机1，增速齿轮箱2，传动齿轮箱3，扭矩加载器5，扭力轴6，传动轴7，滑动轴承座8，测扭仪9，盘车机10，弹性柱销联轴器11，膜片联轴器12，支架13等放置在隔声罩14内，将隔声罩14与扭力轴6、传动轴7及其他管线之间连接缝隙以泡沫等疏松多孔，具有一定吸声性能的材料填充，最大限度地达到噪声、振动的隔绝。测试系统由光电转速传感器20，测扭仪9，温度计18，流量计19，角度编码器15，加速度传感器16，声阵列仪17以及数据采集与分析系统21等组成，光电转速传感器20安装于直流电机1轴端，测扭仪9安装在传动齿轮箱3和扭矩加载器5之间，角度编码器15分别安装在高、低速轴端，加速度传感器16安装在试验齿轮箱4箱体、轴承座和机脚处，声阵列仪17安装在试验齿轮箱4外表面1m处，温度计18分别安装在传动齿轮箱3轴承座处、试验齿轮箱4处、滑动轴承座8处和扭矩加载器5，流量计19分别安装在传动齿轮箱3、试验齿轮箱4、扭矩加载器5和滑动轴承座8等进出油口处。以上传感器、测试仪器通过线缆连接到数据采集与分析系统21中。

试验台测试系统的物理量测量主要有：试验齿轮箱4高速轴转角SG1和低速轴转角SD2，试验齿轮箱4轴承座处振动加速度级SB3，试验齿轮箱4箱体处振动加速度级SXT4，试验齿轮箱4机脚处振动加速度级SJJ5，试验齿轮箱4辐射噪声SA6和试验齿轮箱4辐射声场SAS7。利用角度编码器15采集SG1和SD2，加速度传感器16采集SB3，SXT4和SJJ5，声阵列仪17采集辐射噪声SA6和辐射声场SAS7。

根据动力源不同，试验台运行工况分为电机工况和盘车工况；直流电机1额定功率1000kW，盘车机10转速为13r/min，扭矩加载器5最大工作转速5100r/min，最大加载扭矩18000Nm，正转反转状态下均可加载；增速齿轮箱2最大工作转速4000r/min，传动比为3.69，传动齿轮箱3和试验齿轮箱4最大工作转速4000r/min，传动比为2.86，中心距为400mm，试验台封闭功率约为7000kW；当以盘车机10为动力源时，即盘车工况下，传动齿轮箱3高速轴为主动轴，分别带动传动齿轮箱3低速轴和传动轴7，由于传动齿轮箱3和试验齿轮箱4为相同设计参数齿轮箱，因此，形成功率封闭；根据扭矩加载器5加载扭矩不同，盘车工况下封闭功率约为8.5kW。当以直流电机1为动力源时，即电机工况下，直流电机1通过增速齿轮箱2提升转速，从而带动传动齿轮箱3低速轴，低速轴为主动轴带动高速轴和扭力轴6，传动齿轮箱3高速轴通过传动轴7带动试验齿轮箱4高速轴，扭力轴6带动试验齿轮箱4低速轴，由于传动齿轮箱3和试验齿轮箱4为相同设计参数齿轮箱，因此在电机工况下实现了功率封闭，根据扭矩加载器5加载扭矩不同，电机工况下封闭功率约为7000kW。针对测试系统，其主要功能是监测试验台运转情况和物理量测量。光电转速传感器20测试电机输出转速，温度计18和流量计19分别测量相应点位轴承温度和润滑油流量，主要用于监控试验台运转状态；角度编码器15通过联轴器和转接结构分别与试验齿轮箱4轴端和箱体相连，用以测量轴端转角，通过数据采集与分析系统21可计算试验齿轮箱4的传递误差；加速度传感器16用以测量试验齿轮箱4箱体表面、轴承座和机脚处加速度响应；声阵列仪17用以测量试验齿轮箱4辐射噪声和外表面声场。

技术特点：

试验齿轮箱4配以8对试验齿轮对，分别为同一设计参数不同加工精度的人字齿轮4对；模数、齿数、压力角不变改变轮齿齿宽、齿顶高系数和顶隙系数设计人字齿轮对2对，并在左右齿面分别设计不同修形参数；模数、齿数、齿宽不变，改变齿轮压力角设计人字齿轮对1对；不改变齿数设计单斜齿轮对1对。分别利用上述8对齿轮试验对可进行相关验证试验：加工精度对齿轮箱振动噪声影响试验，齿宽对齿轮箱振动噪声影响试验，压力角对齿轮箱振动噪声影响试验，单斜齿轮和人字齿轮对齿轮箱振动噪声影响试验，修形对齿轮箱振动噪声影响试验。

扭矩加载器5可实现运转状态下正反向加载，配以试验齿轮箱4左右齿面不同的齿面修形方案，可以对比分析不同齿面修形对齿轮箱振动噪声的影响；由于只是改变加载方向，这种试验过程更好地控制了被试验件的其他影响因素，便于进行比较。

由于采用功率封闭结构，为保证结构紧凑和功能实现，在试验齿轮箱4低速端与扭矩加载器5之间采用扭力轴6配合，扭力轴6与试验齿轮箱4低速轴通过花键转接套相连，结构简图如下。花键结构可通过齿顶定位，保证安装精度，花键与扭力轴6配合，可稳定地传递扭矩；扭力轴6与膜片联轴器12配合使用，膜片结构可以保证轴系有足够弯曲刚度，补偿轴系弯曲变形。

角度编码器15通过联轴器和转接结构分别与试验齿轮箱4轴端和箱体相连。

试验过程：盘车工况下，利用角度编码器15采集试验齿轮箱4高速轴转角SG1和低速轴转角SD2，并在数据采集与分析系统21中结合齿轮基本参数进行计算可以得到准静态传递误差SSTE8；电机工况下，利用角度编码器15采集试验齿轮箱4高速轴转角SG1和低速轴转角SD2，并在数据采集与分析系统21中结合齿轮基本参数进行计算可以得到动态传递误差SDTE9；盘车工况下准静态传递误差SSTE8测试称为P1；，电机工况下动态传递误差SDTE9测试称为P2；利用加速度传感器16采集SB3，SXT4和SJJ5，轴承座处振动加速度级SB3测试称为P3，箱体处振动加速度级SXT4测试称为P4，机脚处振动加速度级SJJ5测试称为P5，声阵列仪17采集辐射噪声SA6测试称为P6，声阵列仪17采集辐射声场SAS7测试称为P7。

本发明试验方法：

1)开展盘车工况下准静态传递误差测试P1和电机工况下动态传递误差测试P2，同时开展轴承座处振动加速度级测试P3，利用扭矩加载器5为试验齿轮箱4加载，在不同转矩工况下开展测试；

2)利用齿轮动力学分析软件和有限元软件建立动态激励计算模型M1，分别计算对应工况下的SSTE8、SDTE9，将计算值与试验值对比，验证计算结果；在试验值体现明显啮合频率特征时，取SSTE8、SDTE9的峰峰值，当计算值与试验值误差小于30％或啮合频率下SSTE8、SDTE9峰值误差小于20％，判断计算值与试验值符合误差要求，计算模型M1满足精度要求。

3)将不同工况下SSTE8、SDTE9计算结果与实测结果变化趋势进行对比，验证传递误差测试方法P1、P2；相同转速下，当SSTE8、SDTE9随转矩的增加而增加(或减小)时，判断计算结果与实测结果变化趋势一致；相同转矩下，当SSTE8、SDTE9随转速的增加而增加(或减小)时，或在某一转速范围内，SSTE8、SDTE9出现局部最大值，计算的转速范围与实测转速范围边界相差不超过10％时，判断计算结果与实测结果变化趋势一致；

4)在对比SSTE8与SDTE9差异，考虑轴承座处振动加速度级测试P3的结果轴承座处振动加速度级SB3，完善动态激励计算模型M1；首先对比不同工况下，SSTE8、SDTE9与SB3的对应关系，明确其变化趋势一致后，利用传递误差表示齿轮啮合动态激励，取传递误差和啮合刚度，计算出动态激励传递误差激励项，并在M1中增加以传递误差激励项，得到动态激励计算改进模型MS；

5)利用有限元软件，建立箱体结构模型M2，利用4中的动态激励作为输入，计算试验齿轮箱4动态响应SXT4、SJJ5等；

6)开展对应工况下试验齿轮箱4箱体处振动加速度级SXT4测试P4和机脚处振动加速度级SJJ5测试P5，将测试结果与5中的计算结果对比，验证计算方法，见图6；在相同转矩、转速下，对比SXT4、SJJ5的特征频率，特征频率误差不超过10％，同时，特征频率下对应振动加速度幅值误差不超过20％。

7)利用振动噪声分析软件，建立声学边界元模型M3，利用4中的动态激励作为输入，计算试验齿轮箱4辐射噪声SA6辐射声场SAS7等；

8)开展对应工况下试验齿轮箱4辐射噪声SA6测试P6和辐射声场SAS7测试，将测试结果与6中的计算结果对比，验证计算方法，见图7；试验与测试结果进行对比，辐射噪声SA6误差不超过3dB(A)，辐射声场SAS7声源位置与计算位置出在相同部件或结合处。

综上，通过试验验证试验齿轮箱4齿轮啮合激励计算方法，试验齿轮箱动态响应和辐射噪声，通过不同工况下试验测试结果和仿真计算结果变化趋势的对比，验证试验测试方法的准确性。

Claims (1)

1.一种齿轮振动噪声测试试验方法，其特征是：采用如下测试装置：包括直流电机、增速齿轮箱、传动齿轮箱、试验齿轮箱、扭矩加载器、光电转速传感器、测扭仪、温度计、流量计、角度编码器、加速度传感器、声阵列仪、数据采集与分析系统，直流电机通过弹性柱销联轴器与增速齿轮箱低速轴相连，增速齿轮箱高速轴通过膜片联轴器与传动齿轮箱低速端相连，传动齿轮箱高速端一侧通过膜片联轴器与盘车机相连，传动齿轮箱高速端另一侧连接传动轴，传动轴通过膜片联轴器连接试验齿轮箱低速轴，传动轴通过滑动轴承座支撑，传动齿轮箱低速端连接测扭仪，测扭仪连接扭矩加载器，扭矩加载器通过膜片联轴器与扭力轴相连，扭力轴通过花键转接套与试验齿轮箱低速轴相连；

光电转速传感器安装于直流电机轴端，测扭仪安装在传动齿轮箱和扭矩加载器之间，角度编码器分别安装在高速轴端、低速轴端，加速度传感器安装在试验齿轮箱箱体、轴承座和机脚处，声阵列仪安装在试验齿轮箱外表面，温度计分别安装在传动齿轮箱轴承座处、试验齿轮箱处、滑动轴承座处和扭矩加载器，流量计分别安装在传动齿轮箱、试验齿轮箱、扭矩加载器和滑动轴承座的进出油口处，光电转速传感器、测扭仪、温度计、流量计、角度编码器、加速度传感器、声阵列仪通过线缆连接到数据采集与分析系统中；

(1)开展盘车工况下准静态传递误差测试P1和电机工况下动态传递误差测试P2，同时开展轴承座处振动加速度级测试P3，利用扭矩加载器5为试验齿轮箱4加载，在不同转矩工况下开展测试；

(2)利用齿轮动力学分析软件和有限元软件建立动态激励计算模型M1，分别计算对应工况下的准静态传递误差SSTE8、动态传递误差SDTE9，将计算值与试验值对比，验证计算结果；在试验值体现明显啮合频率特征时，取SSTE8、SDTE9的峰峰值，当计算值与试验值误差小于30％或啮合频率下SSTE8、SDTE9峰值误差小于20％，判断计算值与试验值符合误差要求，计算模型M1满足精度要求；

(3)将不同工况下SSTE8、SDTE9计算结果与实测结果变化趋势进行对比，验证传递误差测试方法P1、P2；相同转速下，当SSTE8、SDTE9随转矩的增加而增加或减小时，判断计算结果与实测结果变化趋势一致；相同转矩下，当SSTE8、SDTE9随转速的增加而增加或减小时，或在某一转速范围内，SSTE8、SDTE9出现局部最大值，计算的转速范围与实测转速范围边界相差不超过10％时，判断计算结果与实测结果变化趋势一致；

(4)在对比SSTE8与SDTE9差异，考虑轴承座处振动加速度级测试P3的结果轴承座处振动加速度级SB3，完善动态激励计算模型M1；首先对比不同工况下，SSTE8、SDTE9与SB3的对应关系，明确其变化趋势一致后，利用传递误差表示齿轮啮合动态激励，取传递误差和啮合刚度，计算出动态激励传递误差激励项，并在M1中增加以传递误差激励项，得到动态激励计算改进模型MS；

(5)利用有限元软件，建立箱体结构模型M2，利用步骤(4)中的动态激励作为输入，计算试验齿轮箱动态响应SXT4、机脚处振动加速度级SJJ5；

(6)开展对应工况下试验齿轮箱箱体处振动加速度级SXT4测试P4和机脚处振动加速度级SJJ5测试P5，将测试结果与步骤(5)中的计算结果对比，验证计算方法，在相同转矩、转速下，对比SXT4、SJJ5的特征频率，特征频率误差不超过10％，同时，特征频率下对应振动加速度幅值误差不超过20％；

(7)利用振动噪声分析软件，建立声学边界元模型M3，利用步骤(4)中的动态激励作为输入，计算试验齿轮箱辐射噪声SA6、辐射声场SAS7；

(8)开展对应工况下试验齿轮箱辐射噪声SA6测试P6和辐射声场SAS7测试，将测试结果与步骤(6)中的计算结果对比，验证计算方法；试验与测试结果进行对比，辐射噪声SA6误差不超过3dB，辐射声场SAS7声源位置与计算位置出在相同部件或结合处。

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