第一作者郭建華男，博士生，教授，1961年生

通信作者姜洪源男，教授，博士生導(dǎo)師，1960年生

新型人字齒同步帶噪聲、振動試驗研究

郭建華1，2，姜洪源1，孟慶鑫2，李嘉博2

(1.哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，哈爾濱150001;2.齊齊哈爾大學機電工程學院， 齊齊哈爾161006)

摘要：以螺旋角30°新型人字齒同步帶和螺旋角0°直齒為研究對象，在相同實驗條件下，對新型人字齒同步帶傳動進行噪聲和振動實驗研究。結(jié)果表明：①噪聲與帶橫向振動同初張力、帶的線密度、轉(zhuǎn)速和產(chǎn)生的軸向力有關(guān)。 ②新型人字齒不同于直齒同步帶嚙合沖擊機理，比直齒同步帶噪聲低，最大降噪11 dB(A)。③新型人字齒比直齒同步帶橫向振動響應(yīng)小，高速運行更平穩(wěn)。④同國外螺旋角10°的斜齒和螺旋角20°的雙螺旋齒同步帶相比，新型人字齒同步帶具有更好的降噪性能。

關(guān)鍵詞：新型人齒同步帶傳動；直齒同步帶；噪聲；振動；頻率

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51175273)

收稿日期：2014-04-28修改稿收到日期：2014-08-19

中圖分類號:TH132.3+2

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.17.020

Abstract:A double helical synchronous belt with a spiral angle of 30 °and a straight tooth synchronous belt with a spiral angle of 0° were chosen as study objects. And their transmission noise and vibration were studied under the same test conditions. The test results showed that their noise and transverse vibration are related to initial tension, belt line density, rotating speed and axial force; the double helical synchronous belt’s noise level decreases by 11 dB (A) compared with that of the straight tooth synchronous belt due to their different meshing impact mechanisms; the new double helical synchronous belt has a smaller transverse vibration response and runs more stablely at a high speed; the double helical synchronous belt’s noise reduction performance is better than those of the helical tooth belt with spiral angle of 10°and the double helical tooth belt with spiral angle of 20°made in foreign countries.

Noise and vibration for a double helical synchronous belt transmission

GUOJian-hua1,2,JIANGHong-yuan1,MENGQing-xin2,LIJia-bo2(1. School of Mechatronic Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;2. School of Mechatronics Engineering, Qiqihar University, Qiqihar 161006, China)

Key words:double helical synchronous belt transmission; straight tooth synchronous belt; noise; vibration; frequency

同步帶高速降噪問題一直是同步帶研究的重點課題之一。如節(jié)距8 mm同步帶，在帶線速18 m/s 時，噪聲達85 dB(A)。高速噪聲嚴重制約了同步帶在更廣應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。大量研究表明[1-5]同步帶的傳動噪聲主要來自嚙合沖擊噪聲以及帶的弦振動噪聲。理論與實驗研究證明[6]：沖擊噪聲的衰減頻率大約等于一個與帶寬大小相同長度的兩端開口空氣管的基本固有頻率。振動噪聲來自帶緊邊弦振動噪聲。嚙合沖擊是最大噪音源且與帶齒形有關(guān)，STD、RPP降噪最好，其次是HTD，梯形齒最差。

在嚙合沖擊噪聲產(chǎn)生機理研究基礎(chǔ)上，Ueda等[7]和Michael[8]分別提出改變嚙合傳動原理尋求降噪。斜齒和人字齒[9]特殊傳動機理，使其降噪效果均優(yōu)于同齒形的直齒同步帶傳動。但是目前，國內(nèi)學者對人字齒同步帶噪聲研究處于空白階段。

新型人字齒同步帶傳動，齒形采用凸凹結(jié)構(gòu)，并采用高階接觸嚙合理論設(shè)計接觸點齒側(cè)間隙為3階無窮小的同步帶與帶輪齒廓[10]，且該齒廓適合于制成螺旋齒同步帶，接觸強度大。

本文以傳動噪聲與振動實驗為研究切入點，進行新型人字齒和具有相同端面齒形的螺旋角為0°的直齒同步帶進行傳動噪聲實驗比較研究，并將結(jié)果同日本斜齒同步帶和美國人字齒同步帶傳動噪聲進行對比。

1試驗帶和帶輪的形狀和參數(shù)

圖1為新型人字齒帶和帶輪三維圖，同步帶齒數(shù)為112、帶輪齒數(shù)40、帶與帶輪寬32 mm、端面節(jié)距8 mm、帶與輪螺旋角30°。帶由玻璃纖維、氫化丁腈橡膠、單層尼龍布構(gòu)成。直齒帶輪兩側(cè)裝有法蘭，傳動比1∶1。

圖1　新型人字齒同步帶和帶輪 Fig.1 Double helical tooth synchronous belt and pulley

2噪聲試驗裝置和方法

2.1試驗設(shè)備

實驗臺通過變頻器改變驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，功率7.5 kW。試驗臺安裝了兩根軸，一根是連接電機的主動軸，固定在基座上。另一根為可以調(diào)節(jié)兩軸中心距的從動軸，該軸與導(dǎo)軌形成移動副。絲杠機構(gòu)聯(lián)接力傳感器調(diào)節(jié)帶輪之間的中心距，力傳感器測試帶的張緊力。數(shù)顯裝置顯示帶的轉(zhuǎn)速、張緊力的大小，同步帶噪聲試驗臺見圖2。

圖2　同步帶噪聲試驗臺 Fig.2 Synchronous belt noise test bench

2.2測點的選擇和布置

實驗在實驗室自然環(huán)境條件下進行。為了降低室內(nèi)混響對測量數(shù)據(jù)結(jié)果所產(chǎn)生的影響，測點可適當靠近機器表面。實驗采用1.27mm的電容式麥克風放置實驗帶正前方800 mm處，測量信號聲壓傳遞到便攜式AWA6290A型二通道噪聲振動頻譜分析儀。

2.3嚙合衰減頻率和橫向振動頻率

直齒同步帶傳動實驗研究表明，沖擊噪聲來自開口管子空間形成空氣共鳴[7]。對應(yīng)嚙合沖擊噪聲的衰減頻率由下式計算：

(1)

式中：v聲速，l空氣柱長度，Δl開口修正系數(shù)，Δl=0.6r(本計算r=1.6 mm)。

帶為柔性體，相對較柔軟，橫向振動可以按弦的振動來處理，忽略帶運行速度影響，帶的橫向振動固有頻率fn可表示為：

(2)

其中：取L緊邊帶的切線長度，Tj帶的張力，ρ帶的線密度，由于同步帶的橫向振動振型為半波，故只需對基振頻率n=1進行計算。

3試驗結(jié)果數(shù)據(jù)及分析

3.1噪聲測試數(shù)據(jù)

在相同實驗條件，驅(qū)動力矩為Tr=0，同步帶雙邊初始張力分別為T=100 N、150 N、200 N、360 N、480 N時，測得直齒和人字齒在轉(zhuǎn)速500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000、4 500、5 000 r/min等傳動噪聲。各個工況下測量得到的直齒與新型人字齒傳動系統(tǒng)A計權(quán)噪聲值見圖3(a)～(e)。

3.2噪聲試驗結(jié)果分析

由圖3，低于500 r/min時，新型人字齒與直齒同步帶相比，噪聲降低不明顯，其結(jié)果同國外研究結(jié)果相近[7-8]。當轉(zhuǎn)速大于1 000 r/min時，人字齒較直齒同步帶傳動噪聲明顯降低。新型人字齒同步帶傳動嚙合時，嚙合是弧線，而不是點嚙合。嚙合弧線沿著螺旋齒廓齒向連續(xù)移動，降低了沖擊的能量，減緩了嚙合沖擊。

實驗結(jié)果表明，人字齒同步帶噪聲隨轉(zhuǎn)速基本呈線性關(guān)系。直齒同步帶的噪聲與轉(zhuǎn)速關(guān)系相對比較復(fù)雜，直齒同步帶明顯比人字齒同步帶的噪聲值大,在n=3 000 r/min或3 500 r/min時，這個差值相對最小。n=4 500 r/min時差值最大，T=200 N，人字齒比直齒噪聲最大減少11.4 dB(A)。

Ueda等[7]進行YU齒形的斜齒與直齒同步帶傳動噪聲對比研究，斜齒螺旋角3°、5°、10°，節(jié)距8 mm。實驗帶在隔音室中，在無負荷條件下，帶輪轉(zhuǎn)速連續(xù)變化測試帶傳動聲壓與轉(zhuǎn)速關(guān)系。結(jié)果表明：螺旋角10°斜齒比螺旋角0°的直齒同步帶，在共振條件下，聲壓最大降幅10(dB)。

由于人字齒嚙合過程是沿齒面逐漸接觸過程，由式(1)提出的開口管子空間形成空氣共鳴模型，隨著螺旋角增大，存在管內(nèi)空氣嚴重泄漏。Ueda實驗表明，螺旋角超過10°，頻譜圖顯示斜齒與直齒相比沖擊衰減頻率噪聲很弱，特別在，高頻噪聲幾乎聽不到，即本實驗也得到驗證。圖4標注式(1)計算的衰減頻率，在低速n=2 000 r/min，高速n=5 000 r/min時，聲壓并沒有出現(xiàn)峰值。

圖3　帶轉(zhuǎn)速、初張力與噪聲關(guān)系 Fig.3 The relationship of speed, initial tension and noise

圖4　新型人字齒同步帶頻譜圖 Fig.4 Spectrum of double helical tooth synchronous belt

美國Goodyear公司研發(fā)了端面節(jié)距8mm人字齒同步帶，齒形采用S齒形同步帶。Goodyear人字齒同步帶制造材料、工藝采用多種專利技術(shù)，帶齒采用HNBR，強力層采用芳綸纖維繩(Aramids cord)，包布采用用高密度聚乙烯(HDPE)浸漬針織結(jié)構(gòu)雙層材料，耐磨性好，摩擦系數(shù)低。實驗結(jié)果：在帶速15 m/s時，螺旋角20°人字齒與螺旋角0°直齒同步帶噪聲測試，人字齒噪聲降低5(dB)[9]。本實驗帶速16 m/s時，張緊力下，最低降噪6.1(dB)，見表1。

表1　直齒與人字齒噪聲差值(16 m/s)

3.3振動實驗結(jié)果分析

根據(jù)式(2)，圖5表示初張力Tj與弦振動固有頻率fn關(guān)系，ρr=0.172 2 kg/m、ρz=0.153 8 kg/m，為測量人字齒和直齒帶的密度。

如圖6中實驗觀擦到測量軸向力同帶速、初張力有關(guān)。由于帶的抗撓曲剛度和不完全嚙合干涉，在帶輪轉(zhuǎn)動過程中，帶存在爬齒現(xiàn)象，導(dǎo)致帶在松緊邊張力增大[11]，這是測量軸向力大于初張力主因。圖6中，初張力越大，測量軸向力隨轉(zhuǎn)速增大而逐漸減小趨勢越明顯。帶的玻璃纖維強力層作為彈性體，轉(zhuǎn)速越大，帶受到張力越大，帶節(jié)線就有微量伸長。當初張力越大，微量伸長可減緩軸上的軸上力，因此初張力越大，轉(zhuǎn)速越高，軸上力隨轉(zhuǎn)速降低越明顯。當帶的嚙合頻率與振動頻率成倍數(shù)時，帶產(chǎn)生共振。環(huán)形的帶節(jié)線，橫向振動劇增，導(dǎo)致軸向距離要縮減，因此引起軸向力劇增。

實驗觀測，初張力在360、480 N時，直齒在4 000 r/min時，圖6(a)，振動響應(yīng)加劇，超過4 500 r/min產(chǎn)生比較大振動響應(yīng)，軸向力劇增。人字齒同步帶初張力480 N時，轉(zhuǎn)速5 770 r/min，測量軸向力突變，此時嚙合頻率fz=3 853.3 Hz，是橫向振動的固有頻率fn=385.5 Hz整數(shù)倍，實驗觀察帶產(chǎn)生橫向共振，軸向力劇增，見圖6(b)。

圖5 直齒和人字齒橫向振動固有頻率Fig.5StraightteethandDoublehelicaltoothnaturalfrequencyoftransversevibration圖6 人字齒和直齒軸向力同轉(zhuǎn)速關(guān)系Fig.6Relationshipofaxialforceandspeedofdoublehelicaltoothandstraighttooth

4結(jié)論

通過噪聲試驗和數(shù)據(jù)采集，分別對兩組帶進行了噪聲、振動測試實驗。并根據(jù)實驗結(jié)果以及國外相關(guān)研究成果對比，得出新型人字齒帶傳動噪聲、振動響應(yīng)結(jié)論如下：

(1)在相同條件下，隨著轉(zhuǎn)速的提高，噪聲增大。在相同轉(zhuǎn)速下，直齒同步帶明顯比人字齒同步帶的噪聲值大，且在高速傳動時的噪聲比直齒同步帶減少11 dB(A)。

(2)直齒同步帶衰減頻率聲壓是沖擊噪聲的主要聲源，新型人字齒形成的頻譜圖中對應(yīng)頻率聲壓沒有出現(xiàn)峰值，是因為螺旋角作用降低嚙合沖擊噪聲。

(3)實驗結(jié)果同日本的斜齒同步帶，美國人字齒同步帶噪聲在相近條件下比較，降噪性能有所提高。

(4)實驗觀測，帶的橫向振動同初張力、線密度、轉(zhuǎn)速、測量軸向力有關(guān)。在較高轉(zhuǎn)速條件下(4 000～5 500 r/min)，人字齒同步帶比直齒同步帶運行平穩(wěn)，測量軸向力變化穩(wěn)定(除了n=5 770 r/min產(chǎn)生共振)。人字齒同步帶除了線密度大，還與人字齒傳動嚙合機理與直齒不同有關(guān)，人字齒嚙合對帶的激勵比直齒小，具體影響程度有待于進一步研究。

參考文獻

[1]盧小銳, 高文志, 張良良, 等. 基于 Excite-Timing Drive 的正時同步帶系統(tǒng)動力學分析[J]. 振動與沖擊, 2013,32(11):66-69.

LU Xiao-rui，GAO Wen-zhi, ZHANG Liang-liang, et al.Dynamic analysis of a synchrounous belt drive based on EXCITE-TD[J].Journal of Vibration and Shock,2012,32(11):66-69.

[2]Koyama T, Watanabe K, Nagai K, et al. A study on timing belt noise (how to reduce resonant noise)[J]. Journal of Mechanical Design, 1990, 112(3): 419-423.

[3]Watanabe K, Koyama T, Nagai K, et al.A study on timing belt noise (theoretical analysis for forced transverse vibration of timing belt with parametric excitation)[J]. Journal of Mechanical Design, 1990, 112(3): 424-429.

[4]Chen G S, Zheng H, Qatu M. Decomposition of noise sources of synchronous belt drives[J]. Journal of Sound and Vibration, 2013, 332(9): 2239-2252.

[5]Tokoro H, Nakamura M, Sugiura N, et al.Analysis of high frequency noise in engine timing belt[J]. JSAE Review, 1998, 19(1): 33-38.

[6]Zhang W, Koyama T. A study on noise in synchronous belt drives (experimental and theoretical analysis of impact sound)[J]. Journal of Mechanical Design, 2003, 125(4): 773-778.

[7]Ueda H, Koyama T, Nishioka M, et al.Noise and life of helical timing belt drives[J]. Journal of Mechanical Design, 1999, 121(2): 274-279.

[8]Michael J W G. Synchronous drive belt using helical offset teeth [A]. Paper 55 of 155 th Meet. of Rub. Div. Am. Chem. Soc., Chicago Illinois 1999.

[9]周建星,孫文磊.單級人字齒輪減速器振動噪聲分析方法研究[J].振動與沖擊,2014,33(9):66-71.

ZHOU Jian-xing,SUN Wen-lei.Vibration and noise analysis of a herringbone gear transmission system[J].Journal of Vibration and Shock,2014,33(9):66-71.

[10]姜洪源,郭建華,胡慶明.基于高階接觸嚙合理論的新型人字齒同步帶傳動設(shè)計[J].機械傳動,2013, 37(8):17-20.

JIANG Hong-yuan, GUO Jian-hua, HU Qing-ming. Double helical synchronous belt transmission design based on theory of high degree contact mesh [J].Mechanical Transmission, 2013, 37(8):17-20.

[11]Kagotani M, Ueda H.Transmission error in synchronous belt with resonance under installation tension[J]. Transactions of the ASME, 2012, 134(6): 061003-1-12.