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        立體車庫回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的齒輪嚙合輻射噪聲研究

        2021-07-21 09:24:44覃有實(shí)潘宇倩
        環(huán)境技術(shù) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:立體車庫聲壓級聲壓

        覃有實(shí),潘宇倩

        (1.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南寧 530001; 2.柳州工學(xué)院,柳州 545616)

        引言

        隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高,汽車作為交通工具,其保有量逐步提升,但是汽車數(shù)量與停車位的比率卻在加大[1],為補(bǔ)缺停車位的不足,發(fā)展立體車庫是緩解停車?yán)щy的有效途徑。

        立體車庫一般為兩層或多層,而小型智能立體車庫一般采用回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu),通過PLC技術(shù)控制相關(guān)的作動(dòng),并采用回轉(zhuǎn)和升降復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)[2]。

        齒輪作為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主要傳動(dòng)件,齒輪對的嚙合激勵(lì)會(huì)引齒輪的敲擊噪聲和嘯叫噪聲[3],齒輪的動(dòng)態(tài)激勵(lì)分為嚙合剛度激勵(lì)、傳遞誤差激勵(lì)、齒輪嚙合時(shí)的沖擊激勵(lì)、齒面摩擦及油膜振動(dòng)激勵(lì)[4]。齒輪嚙合時(shí)存在大量的非線性因素,在對齒輪嚙合做簡化時(shí),會(huì)丟失非線性部分,對于其引起的噪聲輻射精度會(huì)降低。

        本文使用三維有限元的非線性方法求解齒輪的嚙合激勵(lì),獲取其齒輪嚙合力,使用邊界元方法求解齒輪的嚙合輻射噪聲,為齒輪的嚙合噪聲研究提供必要的理論依據(jù)。

        1 理論基礎(chǔ)

        1.1 齒輪傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)嚙合力

        基于非線性振動(dòng)方程,可得齒輪的非線性動(dòng)力學(xué)方程[5]:

        式中:

        m—齒輪在嚙合線上的等效質(zhì)量;

        q(t)—傳動(dòng)誤差;

        c—阻尼系數(shù);

        ka—嚙合剛度幅值;?k—扁鋼都的初始相位;

        ?e—內(nèi)部激勵(lì)的初始相位;

        f—齒側(cè)間隙函數(shù);

        Fm—靜態(tài)嚙合力。

        將動(dòng)態(tài)嚙合間隙和動(dòng)態(tài)嚙合剛度代替定常間隙和轉(zhuǎn)靜態(tài)周期時(shí)變嚙合剛度,可得齒輪的動(dòng)態(tài)嚙合力為[6]:

        式中:

        1.2 齒輪噪聲產(chǎn)生機(jī)制

        齒輪通過嚙合進(jìn)行傳動(dòng),由于齒輪的加工誤差及齒輪的彈性剛度的變化引起齒輪的振動(dòng),從而輻射噪聲。

        由方程(1)可知齒輪輻射噪聲主要機(jī)制為:①由于齒輪嚙合過程中剛度的周期性變化,引起齒輪的碰撞,沖擊和振動(dòng),從而輻射噪聲;②齒輪嚙合的誤差引起齒輪的振動(dòng)從而輻射噪聲;③與齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速有關(guān)的嚙合頻率噪聲。

        1.3 聲學(xué)邊界元理論

        直接邊界元的系統(tǒng)方程為[7]:

        其中:

        p(r)—聲場V中不在直接邊界元 ?a上任意一點(diǎn)處r的聲壓;

        {vni}—表面法向振動(dòng)速度;

        {pi}—直接邊界元 ?a上的聲壓;

        {Ci}和{Di}—系數(shù)矩陣向量。

        2 齒輪建模及計(jì)算

        2.1 齒輪設(shè)計(jì)

        回轉(zhuǎn)裝置為低速傳動(dòng),故齒輪選用低速級齒輪傳動(dòng),選用漸開線直齒輪。取其中的一對齒輪作為研究,其輸入功率為10 kW,輸入轉(zhuǎn)速為1 400 rpm,速比為3.2,工作壽命為15年(每年工作350天,每天16小時(shí))。

        主齒輪選用40Cr(調(diào)制),從動(dòng)輪選用45鋼(調(diào)制)。根據(jù)輸入?yún)?shù)設(shè)計(jì)[8]嚙合齒輪的參數(shù)如表1所示。

        表1 齒輪的主要幾何參數(shù)

        齒輪孔徑根據(jù)齒輪受力及空間布置來設(shè)計(jì)。

        2.2 嚙合力分析

        根據(jù)嚙合齒輪的主動(dòng)齒輪的輸入轉(zhuǎn)速及齒輪比,可計(jì)算從動(dòng)齒輪的輸出扭矩為212 222 N·m。

        齒輪噪聲是由于齒輪的振動(dòng)引起,通過齒輪表面向外輻射,齒輪的振動(dòng)除了齒輪本身嚙合引起的振動(dòng)外,還有不同方向振動(dòng)的相互耦合和轉(zhuǎn)移,從而放大振動(dòng)和噪聲。對于直齒輪,在嚙合過程中,產(chǎn)生周向振動(dòng)和徑向振動(dòng),但周向振動(dòng)與徑向振動(dòng)耦合又引起軸向振動(dòng),從而輻射噪聲。

        考慮到齒輪的動(dòng)態(tài)非線性嚙合力,將齒輪進(jìn)行實(shí)體建模,通過數(shù)值仿真的方法計(jì)算其動(dòng)態(tài)嚙合力。嚴(yán)格按照齒輪形狀進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用八節(jié)點(diǎn)六面體網(wǎng)格,在輪齒嚙合面上將網(wǎng)格細(xì)化,劃分三層網(wǎng)格;將主/從動(dòng)齒輪軸孔面耦合在參考點(diǎn)上,約束除轉(zhuǎn)動(dòng)外的自由度,施加轉(zhuǎn)速和扭矩;在主/從動(dòng)齒輪的嚙合面上建立接觸,齒輪間的嚙合間隙大小為0.33 mm;在計(jì)算時(shí)打開非線性選項(xiàng)。建立的齒輪有限元模型如圖1所示。

        圖1 嚙合齒輪的三維有限元模型

        提取一對嚙合齒的嚙合力,剔除瞬態(tài)嚙合時(shí)的沖擊嚙合力,截取較為穩(wěn)定的嚙合力,對其進(jìn)行傅里葉變換,結(jié)果如圖2所示。

        圖2 齒輪嚙合力

        由圖可見,嚙合齒輪的嚙合頻率為562.3 Hz,與嚙合齒輪的計(jì)算嚙合頻率560 Hz有差異,其原因可能是齒輪嚙合時(shí)的柔性變化與非線性造成。齒輪的嚙合力還是在基頻時(shí)能量占比大,諧波頻率越往后嚙合力越小。在嚙合頻率附近還存在一些小的峰,其為考慮非線性的結(jié)果。

        2.3 齒輪嚙合輻射噪聲分析

        嚙合齒輪的輻射噪聲是由于齒輪振動(dòng)而引起,通過齒輪表面向外輻射[9]。

        通過數(shù)值計(jì)算的齒輪輻射噪聲往往會(huì)有一定差異,對于激勵(lì)的提取僅依靠數(shù)值公式的話會(huì)丟失一些其它因素。借助于當(dāng)前模擬仿真軟件,可實(shí)現(xiàn)較為可靠的計(jì)算。

        本文通過邊界元法來計(jì)算嚙合齒輪的輻射噪聲。由于齒輪的第一階嚙合頻率的嚙合力較大,此處僅以第一階嚙合力來計(jì)算。分別將嚙合力施加到主/從動(dòng)齒輪嚙合的節(jié)點(diǎn)位置,方向?yàn)辇X嚙合面的法線方向,將齒輪作為獨(dú)立模型來計(jì)算。對主從動(dòng)軸孔節(jié)點(diǎn)除繞軸向轉(zhuǎn)動(dòng)方向外所有的方向施加固定約束。分別建立齒輪的邊界元模型,在距離齒輪嚙合位置1 m處建立sphere data recovery mesh。計(jì)算齒輪嚙合的輻射聲壓級。其結(jié)果如圖3所示。

        從圖3可以看出,從齒輪的球面噪聲分布來看,能量主要集中在嚙合面的法線方向,其聲壓最大,達(dá)到75 dB;垂直于齒輪腹面的聲壓較低。

        圖3 562 Hz聲壓圖

        將齒輪的嚙合間隙改為0.15、0.2、0.25、0.3、0.35和0.4 mm,取齒輪嚙合面法向1 m聲壓級,結(jié)果如圖4所示。不同的齒輪嚙合間隙產(chǎn)生的聲壓級不同,其原因?yàn)辇X輪副齒頂與齒根的碰撞產(chǎn)生不同的嚙合力。嚙合間隙大,嚙合重疊系數(shù)降低,過小的嚙合間隙也會(huì)產(chǎn)生稍大的噪聲,結(jié)合實(shí)際使用中的齒輪的受熱膨脹和潤滑油溢出速度產(chǎn)生的液動(dòng)噪聲,在設(shè)計(jì)齒輪時(shí)需要選擇合適的嚙合間隙。

        圖4 不同嚙合間隙的1 m聲壓級

        將直齒輪改為斜齒輪傳動(dòng),其結(jié)果如圖5所示,可以看到聲壓整體降低了4.8 dB,其原因?yàn)樾饼X輪的剛度變化為正弦波形,直齒輪的剛度變化為鋸齒波形,直齒輪剛度變化引起的振動(dòng)、沖擊要比斜齒輪大。

        圖5 斜齒輪輻射噪聲

        3 結(jié)論

        本文基于齒輪的動(dòng)態(tài)非線性嚙合力分析了齒輪嚙合時(shí)的輻射噪聲,結(jié)論如下:

        1)不同的齒輪嚙合間隙會(huì)影響齒輪的輻射噪聲,在設(shè)計(jì)齒輪時(shí)需選擇合理的間隙;

        2)斜齒輪的輻射噪聲比直齒輪小,其為不同嚙合剛度變化對輻射噪聲;

        3)齒輪接觸法向的輻射噪聲較大。

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