油潤滑和干摩擦條件下微織構對齒輪嚙合噪聲的影響

摘要：【目的】目前利用微織構方法降低齒輪嚙合噪聲的研究較少，且多停留在計算機仿真以及等效試樣試驗層面，未見針對微織構齒輪噪聲性能的理論分析和臺架試驗，有必要掌握油潤滑和干摩擦條件下微織構對齒輪嚙合噪聲的影響規律。【方法】構建了齒面嚙合噪聲計算模型，采用激光加工技術制作微織構齒輪，搭建了齒輪嚙合噪聲檢測平臺，并在油潤滑和干摩擦條件下對微織構齒輪和無織構齒輪的嚙合傳動噪聲進行了測試?！窘Y果】結果表明，在油潤滑和干摩擦條件下，微織構均有助于降低齒輪嚙合噪聲；同時，初步驗證了齒輪嚙合噪聲計算模型的有效性。

關鍵詞：微織構齒輪；齒輪嚙合噪聲計算模型；油潤滑條件；干摩擦條件

中圖分類號：TH133.33 DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 01. 016

0 引言

齒輪是機械傳動系統中的關鍵部件，廣泛應用于機械設備、航空航天等工程領域[1-3]。近年來，隨著機械工業的發展，人們對齒輪的嚙合噪聲性能要求越來越高。在汽車領域，由于齒輪嚙合噪聲影響乘用車的乘車舒適性，降低齒輪嚙合噪聲逐漸成為各大車企重點關注的問題[4]。

目前，齒面修形是降低齒輪嚙合噪聲的重要方法，許多學者對此展開了深入研究。BONORI等[5]采用遺傳算法對齒輪的齒廓修形進行優化設計，對單自由度動力學模型進行驗證， 取得了預期效果。HUANG等[6]建立了基于齒頂修形、鼓形修形以及根切的齒輪動力學模型，并通過有限元軟件LS-DYNA進行了驗證。葛如海等[7]建立了變速器齒輪靜傳遞誤差模型，并通過多因素試驗得出最佳的齒面微觀修形參數，修形前后對比試驗結果表明，修形后降噪效果良好。陳磊[8]建立了齒輪嚙合振動的系統動態模型，仿真分析結果表明，修形后的齒輪運行更加平穩且嚙合噪聲顯著降低。然而，齒面修形加工工序復雜，對加工精度要求極高，且受加工及安裝誤差影響，易導致降噪效果不理想以及產生齒面偏載，這使其實際工程應用價值降低。

隨著研究的深入，國內外學者發現微織構對減摩和降噪有重要作用。在減摩方面，微織構在許多領域已經得到廣泛應用。YUAN等[9]在球面滑動軸承上加工了圓形截面微織構， 試驗結果表明， 寬度為120 μm、深度為20 μm且成雙正弦曲線排布的微織構可以有效提高球面滑動軸承的潤滑效果。YANG等[10]將凹坑型微織構應用于球頭立銑刀，并通過正交試驗對微織構參數進行優化，試驗結果表明，當凹坑型微織構直徑為46. 6 μm、深度為27 μm、間距為123 μm時， 球頭立銑刀比普通刀具具有更好的耐磨性。SHEN等[11]研究了微織構對生物植入物摩擦學特性的影響，試驗結果表明，邊長為200 μm、深度為8～10 μm、面積密度為10%的三角形微織構和正方形排布模式對改善生物植入物的摩擦學性能最為有效。RUAN等[12]采用有限元方法構建了齒輪的嚙合模型并對微織構齒輪的潤滑性能進行分析，結果表明，合理的織構參數可以提高齒輪的熱彈流潤滑性能。CHANG等[13]采用激光加工技術制作了凹槽型微織構齒輪，試驗證明，合理的微織構參數可以降低齒面摩擦因數，減小齒面磨損。

在降噪方面，國內外學者也做了大量的理論和試驗研究。WANG等[14]通過往復滑動摩擦試驗，分析了微織構表面在往復滑動條件下的摩擦噪聲，試驗結果表明，微織構可以有效抑制摩擦噪聲的產生。HOU等[15]從仿生學角度對拖拉機排氣尾管進行了改進，在排氣尾管內表面加工了仿生三角形微織構并進行了噪聲測試，試驗結果表明，具有仿生三角形微織構的排氣尾管能夠有效降低噪聲。LIU等[16]研究了微織構表面的振動和摩擦學效應，在不銹鋼試樣表面加工了不同類型的微織構并開展摩擦學試驗，結果表明，微織構可以有效降低滑動接觸中的摩擦振動和噪聲。LI等[17]1679-1689[18]34-41采用數值計算方法對織構表面在線接觸和滑滾條件下產生的摩擦噪聲進行數值研究，分析結果表明，在線接觸滑滾條件下，摩擦噪聲隨負載和速度增加而增加。MAGNIER等[19]使用形態學建模方法建立了具有多孔特性的摩擦塊模型，發現孔隙會改變系統振動模式和摩擦界面接觸應力，進而改變摩擦振動噪聲特性。BEN等[20]使用瞬時動態分析方法計算摩擦過程中的噪聲，結果表明，摩擦噪聲和表面粗糙度具有線性關系，摩擦噪聲是由界面微凸體之間的相互碰撞產生的。BOT等[21]通過試驗測量了摩擦噪聲與標稱接觸面積的相關性，結果表明，摩擦引起的振動是由兩個粗糙表面的滑動產生的，振動能量與接觸面積成正比。FAN等[22]811-815建立了基于材料彈性粗糙接觸的聲發射與滑動摩擦關系理論模型，發現滑動速度、微凸體承載載荷、微凸體接觸次數和表面形貌特征對聲發射信號能量有影響。