基于噪聲傳遞原理對齒輪箱噪聲控制方法研究

珠海格力電器股份有限公司 覃德華

基于噪聲傳遞原理對齒輪箱噪聲控制方法研究

珠海格力電器股份有限公司 覃德華

齒輪箱是利用不同齒輪之間的聯合來達到動力的不同階級與方式傳輸過程的重要路徑。在齒輪聯合過程中由于摩擦、震動、撞擊等原因會產生各種噪聲。這種噪聲嚴重的影響了機械設備的使用效果，同時過量的噪聲會都機械周圍的環境造成一定的污染。目前，通過各種方式，如潤滑系統等對噪聲的產生途徑進行了控制研究，取得了一定的成績。本文主要從齒輪箱內部噪聲的傳遞原理入手研究噪聲產生與擴大的原理。并基于研究內容對齒輪箱進行適當的改造以降低齒輪箱外噪聲污染的目的。希望為今后的工作與研究提供理論基礎。

噪聲傳遞；齒輪箱；噪聲控制

1.引言

本文主要對前人的研究結論進行總結與分析，基于現有針對齒輪箱噪聲傳遞的多動體力學、系統動力學模型、聲學邊界元等理論基礎進行實驗與設計研究。主要在齒輪箱噪聲傳遞與預測模型的基礎之上對現實齒輪箱的傳聲向量以及齒輪箱的噪聲貢獻率入手，找到齒輪箱噪聲污染與齒輪箱內部噪聲傳遞的相關關系，并系統分析其形成原因，進而對齒輪箱進行改造與優化，以達到降低其噪聲的目的。并基于模擬實驗的方式來認證優化方案的有效性。

2.齒輪箱傳聲向量與齒輪箱噪聲貢獻率1000

2.1 齒輪箱傳聲向量

本文研究齒輪箱為機械齒輪箱，箱體密度不均因，無法擬合成雙向向量傳遞模式，因此對齒輪箱傳聲向量的確定與計算是根據邊界元方法進行的，在此方法中認為聲音的傳遞與聲音的擾動大小無關，緊與傳遞的參與體以及振動體有關。因此，可以將噪聲的傳遞看作是從發生點到感應點之間的越障礙傳輸過程。在障礙（齒輪箱，下同）恒定的情況下，二者的強度可以構成明顯的線性關系。其系數至于障礙的物理屬性有關，具體的關系參數包括了性狀、材料（密度、總類等）、表面處理（單面阻尼、隔音材料、防震動材料等）、傳遞尖端（場點）、震動屬性等。

具體計算公式如下：

在公式中P表示在該向量的垂直方向的壓力，V則表示在該向量的垂直方向的速度。其他付號為物理學與統計學常用意義。其中密度指標為齒輪箱內潤滑劑密度，當無潤滑劑時為空氣密度。

將聲音傳遞模擬為三圍的椎體傳輸體系，并假設齒輪箱內壁光滑且無隔聲與吸聲物質覆蓋，在此情況下，可取值為1/2.將上述公式進行化簡得出：

將聲音強度以單位向量發現方向的聲壓進行帶入得到：

由此可見，齒輪箱噪聲大小與其傳播向量法線方向的聲壓大小與速度成正比線性關系。通過對聲音向量與噪聲的關系的理論推倒可以發現，齒輪箱的噪聲大小在設定障礙的情況下僅與噪聲傳遞到障礙的壓力與速度有關。這位后期的齒輪箱優化以及具體的貢獻大小提供了理論依據。

2.2 齒輪箱噪聲貢獻率

噪聲大小的表現方式表現為齒輪箱的整體聲功率以及齒輪箱內部的噪聲對齒輪箱的向量壓力大小。因此，本文針對齒輪箱噪聲貢獻率的研究分如下兩個方面進行：

（1）齒輪箱聲壓貢獻率

齒輪箱對噪聲聲壓的貢獻率表現為齒輪箱的傳聲接點對聲壓的放大作用。根據邊界元理論，傳聲節點中的聲壓強度可以表現為：

其中N為齒輪箱的傳聲節點數目；ATV為齒輪產生的噪聲強度、其他符號與上文相同。

聲壓強的貢獻率可以采用（總體壓強-原始壓強）/原始壓強*100%來表示。因此，聲壓貢獻率可以表示為：

由上文公式可以看出在原始噪聲傳輸過程中恒定聲壓不便的情況下，齒輪箱的聲壓貢獻率與節點數目成正比關系。

（2）齒輪箱聲功率貢獻率

面板聲壓貢獻量只能表征面板對聲場中某特定點的聲壓貢獻量，無法對整個聲場的聲學貢獻量進行有效表征。為了從整體上研究面板對整個聲場的聲學貢獻量，需要進行面板聲功率貢獻量分析。聲源在單位時間內發射的總能量稱為聲源功率，對于在自由空間中傳播的平面聲波可以用下式表示：

由此可以看出齒輪箱對聲功率的貢獻主要與齒輪箱的震動屬性相關。其中震動屬性與齒輪箱的材質、溫度、表面覆蓋材料等相關。

3.基于噪聲傳播理論的齒輪箱優化方案

由上文的分析可以得出，齒輪箱的噪聲傳播對齒輪噪聲具有一定的放大功能。此種放大功能主要表現為對單位節點內的聲壓的放大以及對噪聲聲功率的放大作用。放大效果的主要影響因素為齒輪箱的傳聲節點數目以及齒輪箱的材質與表面覆蓋有關。基于此種結論對齒輪箱的優化改造主要可以從齒輪箱材質以及尺寸方面入手，同時可以采用隔音與防震動材料的覆蓋來達到較好的降低噪聲的目的。具體的齒輪箱優化方案如下：

3.1 基于齒輪箱的節點降低的改進方案

根據聲物理以及經典物理的相關理論可以發現，傳聲節點主要出現在尖角部分，因此基于節點降低的理論分析可以將齒輪箱的內部尖角的數目進行降低。降低的方式主要有兩個方面：一方面是將齒輪箱整體外壁進行拋光打磨處理，使其表面光滑，進而降低非意愿的傳聲節點的出現。另一方面是針對齒輪箱的內部幾何性狀進行優化，將尖角部分以圓角進行代替。不可進行圓角或者不方便進行圓角改造的部分（齒輪箱外部）應隔音材料進行覆蓋。達到整體降低齒輪箱傳聲節點的目的，進而達到降低齒輪箱噪聲的目的。

3.2 基于震動原理的改進方案

齒輪箱的噪聲擴大主要是由于齒輪箱的震動屬性所決定的。在實際的操作與實驗中我們發現，齒輪箱的承重面主要是由加厚的鑄鐵等材料進行完成的，其震動系數較低，因此對噪聲不具備擴大的效果，相反對齒輪箱的噪聲具有較強的吸收功能。因此，本文主要通過對齒輪箱非承重面進行加厚的方式進行優化。通過對齒輪箱非承重面進行加厚，降低其在噪聲傳播過程中的震動效應，進而降低其多噪聲的貢獻率。.

3.3 基于隔音材料與傳聲面積的改進措施

由于隔音材料的添加能夠較好的降低齒輪箱的噪音傳播，因此在齒輪箱表面添加隔音材料是一種較好的選擇。但是，齒輪在轉動的過程中會產生大量的熱量，往往依賴于齒輪箱進行部分的散熱，因此隔音材料的添加還需要考慮其可操作性。本文考慮到齒輪箱內壁與齒輪的距離越大其噪聲輻射面積越大的原理，對齒輪箱的內部空間進行了壓縮，并在齒輪噪聲產生節點的輻射面積內進行部分隔音材料的添加。隔音材料的覆蓋面積不超過全部面積的30%。在不影響箱體散熱的情況下，有效的降低了齒輪箱的噪音。

4.不同齒輪箱優化方式對噪聲降低的比較

基于如上的三種改進方式以及齒輪箱的原設計方式在不同的噪音分貝下進行定點的噪音測試。通過噪音測試的結果來表征優化設計的可行性。具體的實驗結果如下：

表1 不同齒輪箱優化方式對噪聲降低的比較表

由表1可以看出齒輪箱原型對機械噪聲具有一定的加強功能，加強的平均幅度為9.4%。其他優化方案均對噪聲有不同程度的降低，其中三方案聯合的優化模式降低效果最佳，其平均降低幅度達到56.2%，能夠起到較好的降低噪聲的效果。而在三種分別的優化方案當中，按順序其降低效果分別為14.1%，14.3%，30.4%。其中優化方案一即基于隔音材料與傳聲面積的改進措施效果最佳。

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覃德華（1980—），男，廣東珠海人，現供職于珠海格力電器股份有限公司家電技術研究院，研究方向：小家電設計開發。