郎 劍，吳 俊，程華俊

（杭州自強(qiáng)鏈傳動(dòng)有限公司，浙江 杭州 310000）

鏈傳動(dòng)在輸送系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)應(yīng)用和汽車(chē)部件等許多機(jī)械系統(tǒng)中，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，具有減少機(jī)械系統(tǒng)摩擦和磨損的積極意義。通常，鏈傳動(dòng)是由多個(gè)鏈節(jié)組成，鏈節(jié)由鏈銷(xiāo)和鏈套組成，鏈銷(xiāo)和鏈套通過(guò)內(nèi)、外齒圈的嚙合連接，其中充滿潤(rùn)滑液。這種情況下，一旦鏈銷(xiāo)、鏈套、內(nèi)齒圈和外齒圈之間任意一點(diǎn)脫離，或者由于其他因素的干擾或障礙，例如，潤(rùn)滑不良等，均會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)并產(chǎn)生噪聲。不僅影響鏈傳動(dòng)的使用體驗(yàn)，而且長(zhǎng)此以往，也會(huì)對(duì)鏈傳動(dòng)的生命周期造成不良影響，縮短鏈傳動(dòng)的使用壽命。鑒于此，有必要對(duì)鏈傳動(dòng)的噪聲來(lái)源進(jìn)行探析，并采取針對(duì)性的降噪方法。

1 鏈傳動(dòng)噪聲評(píng)估

1.1 鏈傳動(dòng)噪聲評(píng)估方案

降低鏈傳動(dòng)噪聲的第一步是對(duì)噪聲進(jìn)行評(píng)估以識(shí)別噪聲來(lái)源。在實(shí)際中，由于很難將鏈傳動(dòng)系統(tǒng)封閉起來(lái)，所以部分封閉技術(shù)噪聲控制技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)。因此，麥克風(fēng)陣列技術(shù)、全息技術(shù)、束形成技術(shù)和逆頻率響應(yīng)函數(shù)技術(shù)，是目前鏈傳動(dòng)噪聲評(píng)估方式的主要選擇，但這些方法普遍成本較高或技術(shù)難度較大，在實(shí)踐應(yīng)用中有所限制。為了克服現(xiàn)有噪聲識(shí)別方法的局限性，本文提出一種鏈傳動(dòng)噪聲評(píng)估方案，即從系統(tǒng)發(fā)出的整體聲音的時(shí)域信號(hào)中提取單獨(dú)激發(fā)源的時(shí)域信號(hào)。該方案利用各種系統(tǒng)元件沖擊下的輻射聲音，用于確定它們對(duì)整體系統(tǒng)噪聲的影響。這種鏈傳動(dòng)噪聲評(píng)估的方案，主要由以下步驟組成：首先，使用噪聲傳感器近乎實(shí)時(shí)地收集鏈傳動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)；其次，根據(jù)胡政[1]等人提出的方法和結(jié)果，來(lái)校準(zhǔn)整個(gè)模擬過(guò)程；再次，使用噪聲發(fā)射和傳播模型來(lái)估計(jì)鏈傳動(dòng)模擬中產(chǎn)生的噪聲；最后，對(duì)估計(jì)的鏈傳動(dòng)動(dòng)態(tài)噪聲水平進(jìn)行后處理，以進(jìn)行可視化和噪聲暴露指標(biāo)的評(píng)估。上述步驟中產(chǎn)生的鏈傳動(dòng)噪聲水平，可以可視化為以每個(gè)接收器點(diǎn)為中心的彩色圓圈，或者可視化為插值的連續(xù)柵格。這種可視化的主要目的是更好地展示結(jié)果，尤其能夠得出詳細(xì)的、相關(guān)的噪聲暴露指標(biāo)，用于后續(xù)分析和緩解策略。除了可視化動(dòng)畫(huà)之外，鏈傳動(dòng)噪聲評(píng)估方案的模擬輸出結(jié)果，還可以生成替代表示，例如直方圖，以更好地理解鏈傳動(dòng)噪聲水平的分布和相關(guān)的根因。

本次研究中，對(duì)鏈傳動(dòng)噪聲的準(zhǔn)確的模擬輸出，是通過(guò)模擬和校準(zhǔn)之間的迭代反饋循環(huán)的優(yōu)化方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中，模擬階段主要依賴(lài)于鏈傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)矩陣形式的高級(jí)數(shù)據(jù)。在此階段，通過(guò)運(yùn)用AVLEXCITE TD動(dòng)力學(xué)仿真工具進(jìn)行仿真。在AVLEXCITE TD 中，根據(jù)鏈傳動(dòng)噪聲的有限元模型，據(jù)預(yù)定義的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型模擬鏈傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)迭代過(guò)程直到仿真輸出滿足收斂要求。校準(zhǔn)階段是在迭代過(guò)程中生成并維護(hù)最佳數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，然后執(zhí)行多個(gè)模擬運(yùn)行，最終選擇與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量相比差異最小的。此階段獲得的模擬輸出如果未經(jīng)校準(zhǔn)，可能會(huì)與實(shí)際存在較大偏差。因此，該過(guò)程的關(guān)鍵部分是將模擬輸出調(diào)整為觀察到的參數(shù)，即鏈傳動(dòng)噪聲的有界變量非負(fù)最小二乘最小化。[2]這樣在進(jìn)行模擬時(shí)，AVLEXCITE TD 的模擬輸出，會(huì)在相應(yīng)的時(shí)間間隔內(nèi)，重新生成鏈路上的測(cè)量結(jié)果，以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確。在此過(guò)程中，為了更好地評(píng)估鏈傳動(dòng)噪聲，需要根據(jù)現(xiàn)實(shí)中的鏈傳動(dòng)動(dòng)力學(xué)，構(gòu)建鏈傳動(dòng)噪聲的有限元模型，并以此模型進(jìn)行模擬、評(píng)估和分析。

1.2 鏈傳動(dòng)噪聲評(píng)估結(jié)果

在鏈傳動(dòng)噪聲評(píng)估的過(guò)程中，要將鏈傳動(dòng)看成是鏈條與一正多邊形鏈輪組成的一種多邊形傳動(dòng)。其中，正多邊形的邊長(zhǎng)等于鏈條的節(jié)距，邊數(shù)等于鏈輪的齒數(shù)。[3]假設(shè)鏈條緊邊一直處于水平位置，當(dāng)主動(dòng)鏈輪以等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則鏈條沿水平方向的速度變化程度Vm，可表示為：

式（1）中，VC——嚙合前速度。

VS——嚙合后速度。

R——圓周半徑。

?——嚙入過(guò)程中，鏈節(jié)鉸鏈中心在主動(dòng)鏈輪上的相位角。

n——回轉(zhuǎn)速度。

其中，VC與VS大小一致，方向相反。Kv為速度不均勻系數(shù)，由公式（2）表示：

式（2）中，Z1為鏈輪齒數(shù)。將式（2）帶入式（1）中，就能夠構(gòu)建起本次研究所需的鏈傳動(dòng)噪聲的有限元模型。在模擬軟件中導(dǎo)入鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的基本參數(shù)和有限元模型，結(jié)合提取單獨(dú)激發(fā)源的時(shí)域信號(hào)，利用拉格朗日系統(tǒng)的平穩(wěn)統(tǒng)計(jì)，作為相關(guān)方程的穩(wěn)態(tài)解，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲的模擬，進(jìn)而對(duì)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲進(jìn)行評(píng)估。

通過(guò)模擬可以看到，在鏈傳動(dòng)系統(tǒng)中，Kv隨著Vm減少而變大，而鏈傳動(dòng)的噪聲也隨之加劇。由此可見(jiàn)，Kv是影響鏈傳動(dòng)噪聲的關(guān)鍵因素之一。具體的模擬結(jié)果如圖1 所示。

圖1 鏈傳動(dòng)噪聲評(píng)估結(jié)果

通過(guò)對(duì)圖1 結(jié)果的進(jìn)一步分析，可以發(fā)現(xiàn)之所以導(dǎo)致這種結(jié)果，與鏈傳動(dòng)的固有結(jié)構(gòu)有關(guān)。在鏈傳動(dòng)中，鏈條的水平方向上的速度是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程，從小到大，再?gòu)拇蟮叫?，一個(gè)循環(huán)結(jié)束后開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)，由此實(shí)現(xiàn)鏈傳動(dòng)，即所謂的“多邊形效應(yīng)”。[4]通過(guò)公式和計(jì)算機(jī)模擬能夠發(fā)現(xiàn)，在多邊形效應(yīng)的影響下，隨著鏈節(jié)之間距離的減小，它們的不穩(wěn)定性會(huì)增加。當(dāng)鏈節(jié)靠得更遠(yuǎn)時(shí)，即鏈輪齒數(shù)更少時(shí)，鏈節(jié)間的主相互作用項(xiàng)更強(qiáng)，則鏈條的多邊形會(huì)更加不穩(wěn)定。這也是導(dǎo)致鏈傳動(dòng)噪聲的關(guān)鍵因素之一。

通過(guò)對(duì)單個(gè)循環(huán)內(nèi)的鏈傳動(dòng)過(guò)程進(jìn)行噪聲搜集和模擬分析，發(fā)現(xiàn)除了因多邊形效應(yīng)導(dǎo)致的噪聲之外，材料也是導(dǎo)致鏈傳動(dòng)噪聲產(chǎn)生的關(guān)鍵因素之一。在模擬分析中，鏈條與鏈條導(dǎo)軌的撞擊也能產(chǎn)生噪聲。推測(cè)是由于同種材質(zhì)在鏈傳動(dòng)過(guò)程中的相互碰撞，會(huì)導(dǎo)致松邊垂度不合適、鏈條或鏈輪磨損等問(wèn)題，進(jìn)而引發(fā)鏈傳動(dòng)噪聲。模擬評(píng)估結(jié)果顯示，在全鋼鏈條、半鋼半橡膠鏈條和全橡膠鏈條中，噪聲最小的是全橡膠鏈條，耐久最好的是半鋼半橡膠鏈條，動(dòng)力最強(qiáng)的是全鋼鏈條，成本最高的是全鋼鏈條。綜合來(lái)看，半鋼半橡膠鏈條的噪聲、耐久、動(dòng)力和成本的性?xún)r(jià)比最高。

通過(guò)對(duì)單個(gè)循環(huán)內(nèi)同一材質(zhì)的鏈傳動(dòng)的工作管理進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果再現(xiàn)了鏈傳動(dòng)系統(tǒng)中典型的多因素不穩(wěn)定，即不完善的管理，例如，松邊垂度不合適、潤(rùn)滑不良、鏈罩或支承松動(dòng)等問(wèn)題，也會(huì)導(dǎo)致鏈傳動(dòng)噪聲的產(chǎn)生。推測(cè)是由于不完善的管理會(huì)導(dǎo)致鏈傳動(dòng)外源因素的產(chǎn)生，進(jìn)而影響到鏈傳動(dòng)整體的嚙合，導(dǎo)致振動(dòng)或者噪聲。

2 鏈傳動(dòng)降噪方法

如上所述，鏈傳動(dòng)噪聲是歸因包括結(jié)構(gòu)原因、材料原因和外源原因。因此，在降低鏈傳動(dòng)噪聲的過(guò)程中，要針對(duì)上述歸因，分別采取針對(duì)性的方法，實(shí)現(xiàn)鏈傳動(dòng)降噪的有的放矢。具體來(lái)說(shuō)，可在實(shí)踐中采取以下方法：

2.1 調(diào)整鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

由鏈傳動(dòng)噪聲評(píng)估結(jié)果可知，因鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的多邊形效應(yīng)是造成鏈傳動(dòng)噪聲最主要的因素。因此，在實(shí)現(xiàn)鏈傳動(dòng)噪聲的過(guò)程中，首先要解決多邊形效應(yīng)。由于多邊形效應(yīng)的產(chǎn)生主要是由鏈傳動(dòng)的固有結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致，因此，多邊形效應(yīng)只能減小而不能完全消除。通過(guò)公式（2）可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)增加鏈輪齒數(shù)就能夠減少鏈條速度與輪角速度的變化，繼而達(dá)到鏈傳動(dòng)的降噪目的。受此啟發(fā)，在鏈傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)調(diào)整中，還可以采取以下方法：首先，為了實(shí)現(xiàn)鏈傳動(dòng)降噪，可以采取保持鏈傳動(dòng)瞬時(shí)傳動(dòng)不變的方法。因?yàn)樵诒３炙矔r(shí)傳動(dòng)始終為1 的前提下，鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)最小，噪聲也最小。為此，可以將中心距調(diào)整為鏈節(jié)距的整數(shù)倍，或者改變主動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，促使鏈條作勻速運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而保證瞬時(shí)傳動(dòng)始終為1；其次，為了實(shí)現(xiàn)鏈傳動(dòng)降噪，可以降低鏈條速度變化的方法。因?yàn)楦淖冎鲃?dòng)輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律當(dāng)鏈條速度的變化幅度相對(duì)較小的情況下，也能保證鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)最小，噪聲最小。為此，可以通過(guò)附加小節(jié)距鏈傳動(dòng)裝置的方法，或者使用小節(jié)距多排鏈方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈條速度的控制；最后，在鏈傳動(dòng)中利用變節(jié)距鏈條來(lái)減弱多邊形效應(yīng)，采用變節(jié)距鏈條，使鏈條與鏈輪輪齒總是在位于相切時(shí)進(jìn)行嚙合，則能明顯減弱多邊形效應(yīng)。因?yàn)楫?dāng)中心距為偶數(shù)倍半節(jié)距時(shí)，輸出速度的波動(dòng)最小，也能保證鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)最小，噪聲最小。

2.2 改變鏈傳動(dòng)材料

由鏈傳動(dòng)噪聲評(píng)估結(jié)果可知，因鏈條而導(dǎo)致嚙合沖擊是導(dǎo)致鏈傳動(dòng)噪聲的另一因素，而這與鏈傳動(dòng)過(guò)程中鏈條和鏈輪之間的阻尼相關(guān)。材料表征將阻尼定義為存儲(chǔ)模量與損耗模量的比率，而材料的損耗因子與應(yīng)變決定阻尼。因此，在降低鏈傳動(dòng)噪聲時(shí)，需要通過(guò)增加材料的彎曲剛度來(lái)實(shí)現(xiàn)鏈傳動(dòng)降噪效果。這種效果與材料的振動(dòng)峰值振幅的降低有關(guān)。在計(jì)算機(jī)模擬中，分析了全鋼鏈條、橡膠鏈條和半鋼半橡膠鏈條之間的噪聲、耐久、動(dòng)力和成本，結(jié)果顯示，半鋼半橡膠鏈條的綜合性最高，因此，建議將鏈傳動(dòng)中的全鋼鏈條替換為半鋼半橡膠鏈條。圍繞這一點(diǎn)，考慮到鏈傳動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)景和動(dòng)力需求，可以采取以下的方法：其一，將鏈節(jié)三段為一組進(jìn)行分組，其中，中間一段為橡膠制作，兩邊的兩段為全鋼制作，即鋼-橡膠-鋼的結(jié)構(gòu)。這種方法既能夠保證鏈傳動(dòng)的動(dòng)力機(jī)制和傳動(dòng)效果的不變，又能借助中間段的橡膠鏈節(jié)，低效嚙合沖擊，降低鏈傳動(dòng)噪聲；其二，在鏈條中使用減振吸振材料，如將內(nèi)鏈板、滾子和套筒用橡膠制作，特別是海綿型或極低剛度彈性體，比固體和高剛度橡膠更能表現(xiàn)較高的阻尼行為，進(jìn)而抵消嚙合沖擊，實(shí)現(xiàn)鏈傳動(dòng)降噪。

2.3 強(qiáng)化鏈傳動(dòng)管理

由鏈傳動(dòng)噪聲評(píng)估結(jié)果可知，不完善的管理會(huì)增加鏈銷(xiāo)和襯套之間的接觸區(qū)域的摩擦，進(jìn)而導(dǎo)致鏈傳動(dòng)噪聲。為此，需要強(qiáng)化現(xiàn)有的鏈傳動(dòng)管理，通過(guò)降低鏈銷(xiāo)和襯套之間的接觸區(qū)域的摩擦，實(shí)現(xiàn)鏈傳動(dòng)的降噪目標(biāo)。在這方面，為了提高鏈條傳動(dòng)的摩擦性能，業(yè)內(nèi)探索了多種方法，包括激光表面紋理和冷噴涂技術(shù)，以及鏈銷(xiāo)氮化和涂層。[5]雖然由于低磨損限制，表面紋理化對(duì)于鏈驅(qū)動(dòng)中的鏈銷(xiāo)來(lái)說(shuō)是一種很有前途的方法，但它會(huì)抵消表面的結(jié)構(gòu)，因此，還有問(wèn)題需要解決。相比之下，通過(guò)物理氣相沉積的氮化物硬質(zhì)涂層，不僅可提高鏈銷(xiāo)的耐磨性，而且可降低由此產(chǎn)生的噪聲。然而，目前的氮化物硬質(zhì)涂層技術(shù)，對(duì)鏈套內(nèi)表面進(jìn)行涂層目前還不可行。因此，有專(zhuān)家提出了一種替代方法，即形成轉(zhuǎn)移的摩擦膜。[6]這一概念基于摻有固體潤(rùn)滑劑的涂層在減少磨損和摩擦方面具有很高的潛力。特別是在鏈傳動(dòng)的邊界潤(rùn)滑或干運(yùn)行條件下，摻有固體潤(rùn)滑劑的涂層可以在干滑動(dòng)條件下實(shí)現(xiàn)低摩擦系數(shù)，因?yàn)樗c潤(rùn)滑劑的硫基添加劑相互作用，可以分解潤(rùn)滑劑的烴鏈，以無(wú)定形碳形成減少摩擦，實(shí)現(xiàn)鏈傳動(dòng)降噪。

3 結(jié)論

本文將導(dǎo)致鏈傳動(dòng)噪聲的原因分為結(jié)構(gòu)原因、運(yùn)動(dòng)原因和外源原因。針對(duì)不同的噪聲來(lái)源，本文建議采取針對(duì)性的方法。例如，針對(duì)結(jié)構(gòu)原因?qū)е碌脑肼暎ㄗh改變鏈傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)和材料；針對(duì)運(yùn)動(dòng)原因?qū)е碌脑肼暎ㄗh減弱鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)；針對(duì)外源原因?qū)е碌脑肼?，建議在鏈銷(xiāo)上使用硬質(zhì)摩擦活性涂層。所提建議能較好地解決不同原因所導(dǎo)致的鏈傳動(dòng)噪聲，值得相關(guān)人員借鑒和參考。