汽車齒輪變速箱阻尼減振降噪試驗技術研究

王永梅，王希貴

（1.黑龍江工程學院汽車工程系，黑龍江哈爾濱150036；2.中國船舶重工集團第703研究所，黑龍江哈爾濱150036）

1 前言

齒輪在工作過程中產生的振動通過齒輪輻板和齒輪軸傳遞至軸承和軸承座，通過箱體及連接結構等向外界傳遞并同時輻射空氣噪聲。金屬結構本身所含阻尼很小，而聲輻射的效率很高。傳統上常采用的方法是通過加筋等措施提高其剛性，降低噪聲和振動。這種方法的實質并不是增加阻尼，而是改變結構本身的固有振動頻率。如果實際情況允許，采用此方法是有效的。但是，在大多數情況下，減振降噪的效果并不理想。由于結構振動噪聲的大小與結構材料的阻尼特性密切相關，在同樣外界激勵的情況下，材料的阻尼越大，其結構振動越弱，輻射的噪聲也越低。因此，適當增加系統的阻尼是控制振動噪聲的一種重要手段。

2 汽車變速箱阻尼減振降噪原理

阻尼是指系統損耗能量的能力。從減振降噪的角度看，就是將機械振動的能量轉變成熱能或其它可以消耗的能量，從而達到減振降噪的目的。阻尼技術就是充分運用阻尼耗能的一般規律，從材料、工藝、設計等各方面發揮阻尼在減振降噪方面的潛力，以改善機械結構的動態特性，降低機械產品的振動噪聲，增強機械或機械系統的穩定性。

阻尼減振原理就是依靠增加阻尼力抑制振動系統的響應。以單自由度振動系統為例，其運動方程為：

若令s=iω，可導出系統的頻響特性G(iω)。其中幅頻特性為：

系統在常力F0作用時的靜態位移為：xst=

單位減諧力產生的振幅與單位常力產生的靜位移之比稱為系統的動力放大系數。單自由度系統動力放大系數的解析式：

以阻尼比ξ作參數，按上式繪制的動力放大系數曲線如圖1所示。該圖表明，如果振動系統的阻尼比ξ較小，當激振力頻率接近振動系統的固有頻率時，系統發生共振，動力放大系數急劇上升。

抑制共振振幅的方法之一是增加振動系統的阻尼。設系統原有阻尼c，為抑制共振振幅增加阻尼c1，通常稱之為附加阻尼，如圖2所示。

如果系統原有的阻尼比為ξ，那么，增加阻尼c1后的阻尼比為：ξ＇=（1+）ξ

上式表明，如果附加阻尼c1比原先的阻尼c大得多，阻尼比ξ＇將遠大于ξ，動力放大系數將顯著減小，從而達到減振的目的。

以上結論雖然是根據單自由度振動系統的力學模型導出的，但是對多自由度振動系統和彈性振動系統作類似的分析，也能得到上述結論。因而阻尼減振技術也能應用于多自由度振動系統和彈性振動系統。

2 汽車變速箱阻尼結構方案及阻尼特征

從變速箱噪聲測試和分析中可看到，變速箱噪聲的主要貢獻往往是變速箱箱體表面的聲輻射，所以艦船齒輪傳動減振降噪技術研究的內容之一應是降低變速箱表面的振動。

變速箱箱體為焊接結構，鋼板的厚度相對尺寸較大的箱體來講較薄，在受到激振力的作用下易產生振動，并向外輻射噪聲。當其固有頻率與激振頻率接近或相同時將產生強烈的振動，產生高的噪聲。變速箱表面的振動與變速箱總的噪聲級之間的關系，通常是不容易計算得到的，有時是復雜和難搞清楚的。這是由于箱體的振動不僅決定于齒輪的振動而且還決定于箱體各個側板、罩板的固有頻率和相位特性。一般而言，噪聲的量級和分布規律與箱休表面的振動速度有密切關系。在一定激振力的條件下，主要決定箱體表面的振動特性和阻尼特性。

箱休表面的振動—般受三個參數的影響，即質量、剛度和阻尼。在振動的任何瞬間包含著動能和應變能。動能與結構體的質量有關，應變能與結構體的剛度相關.而其能量的消耗與阻尼有關。

阻尼是—種物理效應。在結構發生形變時，在材料的內部有拉伸和壓縮，有相對位移，來阻礙這種相對運動并把動能轉變為熱能，這種材料的屬性稱為內阻。鋼板的內阻尼不斷衰減鋼板的振動，因此增大鋼板材料的阻尼將衰減其共振時的振幅，減少噪聲的輻射，同時亦衰減沿結構傳播的結構波(固體聲)，即減少其傳遞振動的能量。試驗證明，阻尼在振動和噪聲控制中具有重要的作用。

3 試驗方法

本試驗采用對比試驗方法，在試驗臺其它部分保持不變的情況下，分別對未經過阻尼處理的變速箱和經過阻尼處理的變速箱進行試驗，分析其相同工況下的振動、噪聲值，通過比較得到減振、降噪效果。

4 振動測試結果分析

試驗變速箱添加阻尼材料前后，各工況下箱體上部分測點的振動加速度幅值見表1、表2。

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5 空氣噪聲測試結果分析

在啟動潤滑油泵和電動機風機后，整個試驗裝置未投入運行之前，測試系統的背景噪聲。背景噪聲測試結果見表3。背景噪聲符合試驗要求。試驗變速箱添加阻尼材料前，各工況下空氣噪聲測試結果見表4。

添加阻尼材料后，各工況下空氣噪聲測試結果見表5。添加阻尼材料前后，各工況下空氣噪聲差值見表6。

表5 添加阻尼材料后空氣噪聲測試結果

表6 添加阻尼材料前后空氣噪聲變化情況

6 結論

（1）根據傳動變速箱的結構特點，上箱體可以采用外部粘貼阻尼材料的附加阻尼結構；下箱體可以采用在雙層支撐殼體中間灌注阻尼材料的附加阻尼結構；尺寸較大的齒輪可以采用在齒輪輻板和輪緣內側粘貼阻尼材料的附加阻尼結構。試驗證明，這些附加阻尼結構是安全可靠的。

（2）通過附加阻尼結構提高傳動裝置的阻尼特性，可以獲得比較好的減振降噪效果，與阻尼減振降噪的理論研究相符。

（3）箱體上振動值下降幅度較大，從本試驗的測試數據看，在粘貼阻尼材料前箱體壁板上有些測點振動幅值較大，這可能是局部共振點，粘貼阻尼材料后這些測點振動值大幅下降，說明附加阻尼起到了明顯的抑制作用。

（4）試驗中選取的阻尼材料在100～2 500Hz范圍內，空氣噪聲下降比較明顯。空氣噪聲可降低1.4～2.6dB。