（车辆工程专业论文）摩托车发动机初级齿轮噪声分析与控制研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着摩托车发动机不断地向高速、高强度方向发展，初级齿轮啮合噪声的问 题日益突出初级齿轮啮合噪声不仅降低摩托车乘坐舒适性，同时也影响其使用 寿命和行驶安全因此，为了使初级齿轮啮合传动平稳，减小振动和噪声，而且 不发生强烈的冲击磨损，有必要对初级齿轮啮合噪声进行分析和控制研究。本文 以某单缸四冲程风冷式发动机初级齿轮为研究对象，从虚拟仿真分析和试验测试 分析两方面对初级齿轮啮合噪声的影响因素进行分析和研究。 本文首先从初级齿轮振动噪声产生机理入手，通过分析其动力学特性，找出 齿轮参数和轮齿齿形对噪声的影响。通过运用三维弹性接触有限元动态分析方法， 对初级齿轮啮合传动虚拟试验仿真中关键的边界条件、施加载荷的方式以及齿面 问的接触定义等问题进行研究，建立了初级齿轮啮合传动的有限元分析模型，并 对该模型进行了虚拟试验仿真。 应用上述初级齿轮三维接触有限元分析模型，通过改变初级齿轮使用工况中 的转速和负载、结构参数中的齿宽系数和变位系数以及齿廓修形方式对初级齿轮 振动噪声的影响进行了虚拟试验仿真。而后，在自行开发设计的摩托车发动机试 验台上进行了初级齿轮的试验测试。根据虚拟试验仿真并结合试验测试的结果， 得出如下结论： 初级齿轮振动噪声随转速增加而增加，但是不同变位系数、不同修形方式 以及不同齿宽的初级齿轮，其振动噪声随转速的增涨幅度是有区别的。 不同变位系数的初级齿轮，其振动噪声也各有不同，节点位于两对齿啮合 区内的变位齿轮，其振动噪声较低 修形初级齿轮的振动噪声好于不修形的，但修形方式的不同将导致不同改 进结果，而且直线修形好于圆弧修形。 小齿宽比大齿宽的初级齿轮振动噪声高，但由于受到制造、安装等因素的 影响，应该合理确定齿宽。 关键词：初级齿轮，有限元，噪声，变位系数，齿轮修形 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h en o i s ep r o b l e mo f p r i m a r yg e a r j o g g l ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s 、聃t h t h ee n g i n eo fm o t o rd e v e l o p i n gt o w a r d sh i 曲s p e e da n dh i 曲i n t e n s i t y t h en o i s eo f p r i m a r yg e a rj o g g l en o to n l yr e d u c e st h ec o m f o r to fm o t o r ，b u ta l s oi n f l u e n c e si t sl i f e a n ds a f e i no r d e rt od 曲k et h ep 劬a r yg e a rj o g 西es t a b l e , v i b r a t i o na n dn o i s e r e d u c t i o n , w h i l ew i t h o u ts t r o n gi m p a c t i v ea b r a s i o n , i ti sn e c e s s a r yt oa n a l y z ea n d c o n u o lt h en o i s eo f p r i m a r yg e a r j o g g l e b a s e do nt h ep r i m a r yg e a r so f as i n g l ec y l i n d e r o faf o u rs t r o k ew i n d - c o o l i n ge n g i n e ，t h ea r t i c l eh a sd o n es t u d ya n dr e s e a r c ho nt h e i n f l u e n c ef a c t o r s t h en o i s eo fp r i m a r yg e a rj o g g l e 曲如咄v i r t u a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t s f i r s t l y , b a s e do nt h ep r o c r e a n tt h e o r yo ft h ev i b r a t i o na n dn o i s eo fp r i m a r yg e a r j o g g l e , t h ea r t i c l ea n a l y z ei t sd y n a m i cc h a r a c t e r st o f i n do u tt h ei n f l u e n c eo fg e a r p a r a m e t e r sa n dg e a rs h a p eo nt h en o i s e w i t ht h eu s eo ft h r e e - d i m e n s i o n a le l a s t i c c o n t a c td y t 瑚a i ea n a l y z e ，r e s e a r c ho nt h ec r i t i c a lp r o b l e m si nt h ev i r t u a ls i m u l a t i o no f p l i i m 巧g e a rj o g g l es u c ha sb o u n d a r yc o n d i t i o n , t h em e t h o d so fa p p l y i n gl o a d sa n dt h e d e f i n i t i o no fc o n t a c tb e t w e e ng e a rf a c e s ，b u i l dt h ef i n i t ea n a l y z em o d e lo fp r i m a r yg e a r d r i v e n , a n dc a r r yo u tt h ev i r t u a ls i m u l a t i o n 、析t ht h i sm o d e l w i t ht h ef e am o d e lm e n t i o n e d , t h ea r t i c l ea n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft h er o t a t e s p e e da n d l o a di n w o r k i n gc o n d i t i o n s g e a rw i d t h c o e f f i c i e n ta n dm o d i f i c a t i o n c o e f f i c i e n ta sw e l la st h em o d i f i c a t i o no ft o o t hs h a p eo nt h ev i b r a t i o na n dn o i s eo f p 】血m r yg e a rj o g g l e a f t e rt h a ti td o e se x p e r i m e n t so nt h ep r i m a r yg e a ro nt h et e s t - b e d d e v e l o p e db yo u r s e l v e s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f v i r t u a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s , i td r a w so u tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： t h ev i b r a t i o na n dn o i s eo fp r i m a r yg 皤i n c r e a s ea l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo f r o t a t o rs p e e d , b u tt h ei n c r e a s er a t i o 锄d i f f e r e n tw i t hd i f f e r e n tm o d i f i c a t i o nc o e f f i c i e n t , d i f f e r e n tc o r r e c t i o no f t h ef l a n ks h a p ea sw e l la sd i f f e r e n tt o o t hw i d t h p r i m a r yg e a rw i t hd i f f e r e u tm o d i f i c a t i o nc o e f f i c i e n t , t h ev i b r a t i o na n dn o i s ea r e d i f f e r e n t , t h e 、，i b m 虹o na n dn o i s eo fm o d i f i c a t i o ng e a ri sl o w e rw i t ht h en o d el o c a t e s i n s i d et h e j o g g l ea r e a t h ev i b r a t i o na n dn o i s eo fc o r r e c t i o ng e a ri sb e t t e rt h a nt h eg e a rw i t h o u t m o d i f i e d , b u td i f f e r e n tc o r r e c t i o no ft h ef l a n ks h a p em a n n e rw i l lr e s u l ti nd i f f e r e n t 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 i m p r o v e m e n tr e s u l t s ，a n dt h el i n ec o r r e c t i o ni sb e t t e rt h a nc i r c u l a r t h ev i b r a t i o na n dn o i s eo fs m a l lg e a rw i d t hi sh i g h e rt h a nb i gg e a rw i d t h , h o w e v 甑, t h eg e a rw i d t hs h o u l dd e c i d e dr a t i o n a l l yc o n s w a i n e db yt h ep r o d u c t i o na n d i n s t a l l a t i o n k e y w o r d s ：p r i m a r yg e a r , f i n i t ee l e m e n ta n a l y z e , n o i s e ，m o d i f i c a t i o nc o e f f i c i e n t , m o d i f i c a t i o ns h a p eo f g e a r s m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：争丫k 签字日期： 跏 年月7 e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：升骰 签字日期： 0 年6 月弓日 导师签名： 签字日期： 嘶1 k n 评一月日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 l 绪论 1 1 初级齿轮振动噪声研究的意义和价值 我国摩托车工业取得突飞猛进的发展，摩托车产量和保有量呈指数级增长。 但是，摩托车产量和保有量的增加，也带来一些安全和环境污染方面的社会问题， 摩托车的噪声污染便是其中之一摩托车经常行驶在居民拥挤的街区，离行人和 住宅很近，因此噪声危害相对更加严重。摩托车噪声不仅影响乘员的乘坐舒适性， 而且也是交通噪声污染的主要声源，随着人们环境保护意识的增强以及乘坐舒适 性要求的提高，摩托车噪声控制的要求日益严格。 发动机是摩托车的1 d 脏”，其性能直接决定摩托车整车质量的优劣，而初级齿 轮传动动态性能是影响发动机总成优良率的主要因素。随着摩托车的排量越来越 大，速度越来越高，初级齿轮啮合噪声的问题日益突出因此，为了使初级齿轮 啮合时传动平稳，减小振动和噪声，而且不发生强烈的冲击磨损，有必要对初级 齿轮啮合噪声进行分析和控制研究。同时噪声与振动是密不可分的，一切噪声都 源自振动。振动不仅引起某些部件的疲劳失效，降低整车的使用寿命，而且降低了 乘坐舒适性。噪声和振动降低了乘坐舒适性，使驾驶员精神不能集中容易疲劳，从 而对摩托车行驶安全构成威胁。所以对初级齿轮啮合噪声进行分析和控制研究不 仅关系到其噪声控制好坏，同时也影响到摩托车的使用寿命和行驶安全。本课题从 初级齿轮噪声产生机理入手，通过分析其动力学特性，找出其齿轮参数和轮齿齿 形对噪声的影响，从而通过优化设计达到减振降噪的目的。 总之，通过对初级齿轮噪声分析和控制，将有助于提高产品的传动特性，降 低对环境的噪声污染，提高摩托车乘坐舒适性，为机动车传动系统的减振降噪研 究提供指导意义。同时对我国摩托车企业缩小与国外先进企业的差距，加强噪声 控制专项技术研究、开发和应用，不断开发低噪声污染的产品，摆脱一味仿制和 局部修改，真正实现自主研发是有实际应用和推广价值的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 齿轮动力学研究现状 齿轮系统动力学是研究齿轮系统在传递动力和运动过程中的动力学行为的一 门科学。齿轮系统是一个复杂的弹性机械系统，动力和运动通过一对齿轮副共轭 齿面间的连续相互作用进行传递，在动态激励下必然产生动态响应，因此研究齿 轮啮合过程中动态激励的基本原理，确定动态激励的类型和性质，是研究齿轮传 重庆大学硕士学位论文i 绪论 动系统振动和噪声的重要基础。为了逐步深入地研究多级齿轮系统的动态性能， 首先需要确定单级齿轮副的动态特性。 关于齿轮动态特性的研究，国外众多学者从不同的角度，运用不同的方法进 行了研究。日本学者o z g u v c n 在以单自由度扭转振动模型分析直齿轮动态性能的 基础上，考虑轴和轴承的刚度及动力、负载元件的影响，以六自由度非线性半定 弯一扭耦合模型分析直齿轮的非线性动态特性【i 】；t t s u t a 将齿轮激励力描述为齿 轮啮合刚度和齿轮误差的乘积，给出了齿轮啮合冲击力的计算方法t 2 。a k a h r a m a n 等分析了直齿啮合中的间隙非线性动态特性及由传递误差引起的内部激励问题， 比较了内部激励和外部激励的差别【3 】。l 乙gp a r k e r 采用有限元法对齿轮副进行了动 力响应分析，分别计算了不同转速、转矩下的动力响应，计算结果和试验数据相 吻合文中对齿轮啮合过程进行逐步分析，计算了轮齿的动态激励，其中包括轮 齿刚度激励、误差激励。同时对两自由度的模型进行了计算，结果表面了不同啮 合剐度下频谱曲线有着明显的变化1 4 】。l v d i m a r 提了一种计算齿轮动力载荷的新 方法，齿轮的啮合刚度和接触方式通过齿轮啮合过程中轮齿和轴承的变形来确定。 从算例中发现，对齿轮接触影响最大的模态是齿形变化最显著的那一阶。同时也 研究了摩擦力对齿轮接触的动态影响。最后在考虑了齿轮的啮合刚度、啮合过程 中的摩擦和阻尼以及轴承的刚度条件下，计算出了不同工况下齿轮传动系统的动 力载荷【5 】。y u a nh c a r o m 等对齿轮传动系统的传递误差激励进行了模拟。建立了齿 轮传动系统的有限元模型，计算了齿轮传动系统在误差激励下的振动响应，计算 结果表明齿轮传动系统的横向振动为主要振动嘲。 国内学者在此方面也进行了一定的研究。王建军根据对国内外齿轮系统动力 学研究成果的系统总结，阐述齿轮系统动力学理论的基本结构体系。说明齿轮动 力学的发展过程；围绕动态激励、模型类型、建模和求解方法以及齿轮系统的固 有特性、动态响应和动力稳定性等介绍齿轮系统动力学所涉及的基本问题，讨论 该理论的主要工程应用的基础上，提出应进一步研究的方向与重点【”。李润方等把 具有内部激励和时交剐度齿轮系统非线性微分方程交换为近似的线性微分方程， 把时变刚度激励、误差激励、啮合冲击激励作为右端项。时变刚度曲线用轮齿三 维接触有限元方法求得，啮合冲击激励力用轮齿三维冲击一动力接触有限元混合 法求得。误差激励按精度等级确定的齿轮偏差进行模拟。把激励力作用在整个齿 轮系统的三维有限元模型上，以便求得其振动响应i s 】。西安交大的姚文席将传动轴 和齿轮作为一个动态系统，建立了单级齿轮传动系统的动力学模型【9 l 。华中科技大 学的唐增宝等以齿轮、轴、轴承所组成的传动系统的扭转振动和弯曲振动为研究 对象，建立了系统的数学模型和运动方程式求出了系统的动态响应，为系统的动 态分析提供了理论基础【l o 】。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 2 齿轮振动噪声国内外研究现状 齿轮振动噪声作为研究课题大致始于一个多世纪以前，m o r l e y ( 1 8 6 3 年) 发表 了关于在齿轮轮体和轮缘之间插入橡皮圈以防止振动和噪声的论文。第二次世界 大战以后，以美国为代表的工业发达国家制定了研究齿轮振动噪声的庞大计划， 由此真正开始了对齿轮振动噪声的全面研究。n i e m a n n 和u n t e r b e r g e r ( 1 9 5 9 年) 两 人的研究成果，首次以庞大的实验为基础，在大范围内取得了实验性数据。特别 是在六十年代以后，由于对齿轮传动装置有了新的认识并提出了更高的要求，许 多工业发达国家加强了对齿轮振动噪声的研究工作。如中田，中村，会田，寺内， 梅泽，清野，n i e m a n n ，u n t e r b e r g e r ，o p i t z ，t u n m e r s 等人在这一时期对齿轮振动 噪声进行了卓有成效的研究近二十年来，齿轮振动噪声的研究更为活跃，特别 是计算机技术的迅速发展，以往难以解决的齿轮振动噪声问题，借助于计算机用 数值解法得到了能满足工程需要的近似解，它使齿轮振动噪声的研究工作迈向了 新的阶段。 日本会田俊夫等人对齿轮噪声与振动的关系进行了研究，用模拟法考察齿轮 噪声的发生途径，最终求得决定齿轮振动和噪声的参变量；探讨作为齿轮振动起 振力的轮齿弹簧刚度的函数性质，求出忽略齿轮误差时的轮齿弹簧刚度函数与啮 合系数的关系，以及啮合系数与振动噪声的关系。研究因载荷引起齿轮啮合量变 化时，啮合系数的变化及由此引起的齿轮振动和噪声的变化等【l ”。日本梅泽清彦 教授对齿轮系统的振动分析、动态建模、计算机方针作了全面深入的研究，取得 一系列研究成果【1 2 1 。法国学者p v e l e x 等对轮齿制造误差和安装误差对齿轮副振动 和噪声研究表明，轮齿齿廓误差的幅值和相位对齿轮副振动影响很大，而且轮齿 基节误差、压力角误差和安装偏心及齿向误差对系统动态特性的影响也很显著【1 3 1 同样，齿轮振动噪声问题引起我国学者的高度重视。山东工业大学的李剑锋 等以三维有限元方法对多齿对同时啮合的直齿圆柱齿轮轮齿变形和刚度进行了详 尽的分析研究，为齿形修形提供了依据【1 4 】。李小华从齿轮箱的设计角度出发，论 述了影响齿轮传动噪声的因素及其控制方法，认为通过控制齿轮线速度、合理设 计齿轮参数可以达到降低噪声的效果【l 卯。天津大学的汤和在微机上建立了理想齿 轮动力学方程，模拟出理想齿轮的振动和噪声频谱，分析了齿轮本身加工或装配 误差对振动噪声谱的影响【l6 】；华中理工大学的徐安定采用加工中的误差补偿、测 试中的预处理和应力测试技术对齿轮参数、材料及侧隙与振动噪声关系进行了研 究，指出了可行的减振降噪的措施：东北大学的王挺忠以准双曲面齿轮和弧齿锥齿 轮为研究对象，在计算机上模拟齿轮接触状况，揭示出准双曲面齿轮和弧齿锥齿 轮噪声产生的机理。上海内燃机研究所的刘友汉论述了噪声鉴别分析技术和各种 控制措施及其降嗓效果【1 7 3 ；太原大学的秦旭平通过大量数据的综合分析，介绍了利 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 用不同的润滑剂可改变齿轮噪声峰值、降低感觉噪声级；河海大学的曹挺杰提出了 利用阻尼材料和改进齿轮结构达到减振目的。 上述文献中，国内外学者从动力学方面、设计方面等不同的角度研究分析了 齿轮的振动噪声，提出了多种减少齿轮振动和噪声的方法。但大多没有系统研究 齿轮啮合引起的动态激励对齿轮箱动态性能的影响本文综合考虑齿轮啮合的刚 度激励、误差激励和冲击激励，运用l s d q a 软件计算齿轮在动态激励下的振 动响应。 1 3 论文研究内容 我国在摩托车发动机噪声方面研究还处于初级阶段，尤其对初级齿轮的噪声 控制的有效性和实用性方面还存在诸多问题。为了更有效地控制发动机噪声，特 别是汽油机机械噪声，本课题采用虚拟研究与实验测试相结合的研究方法。首先 应用三维接触有限元分析方法，对初级齿轮副进行动态响应分析，找出齿轮参数、 使用条件等因素对齿轮振动噪声的影响，然后通过对初级齿轮副进行振动噪声试 验，对试验数据应用频谱分析相关技术，找到初级齿轮振动噪声的特征。通过三 维接触有限元虚拟分析技术和实验测试技术相结合的研究方式，找出初级齿轮振 动和噪声的主要因素，从而提出降低初级齿轮振动和噪声的有效方案。本文所做 的主要工作如下： 研究初级齿轮振动噪声产生机理，从理论上分析初级齿轮振动噪声产哇的 原因 通过初级齿轮三维实体建模以及建立初级齿轮三维接触有限元模型，找到 初级齿轮振动噪声虚拟分析的方法 通过对初级齿轮三维接触有限元虚拟研究，找出转速、载荷、齿宽系数、 变位系数、齿轮修形等因素对初级齿轮振动噪声的影响。 研究初级齿轮试验测试的方法，开发初级齿轮试验测试台架；通过对初级 齿轮进行试验测试，并结合虚拟分析结果，找出初级齿轮振动噪声的影响因素， 提出改进措施。 4 重庆大学硕士学位论文2 初级齿轮振动噪声产生机理 2 初级齿轮振动噪声产生机理 2 1 齿轮振动噪声模型 齿轮噪声与其振动有着密切的联系，两者出于同一激励源即齿轮的啮合激 励，而测取到的振动与噪声信号只是传播媒介不同而已。在声场中某一固定位置上 检测到的噪声信号与振动信号具有良好的相关性，即噪声声压与振动速度成正比， 且以振源相同频率和相同特性的波形传播，当齿轮发生故障时，啮合振动特性的 变化表现为噪声特性的相似变化。所以，齿轮噪声模型有时可以表示为振动响应 的同一形式【1 8 】。 啮合冲击模型 齿轮啮合存在间隙和误差以及产生刚度变化，从而不可避免地存在轮齿“接触 一分离一接触”的过程，从而产生钟击”冲击力的大小取决于脱齿位移量，可得 模型为： b=1+1+(2h功(21) 乃= 砧疋( 2 2 ) 其中：e 动载荷系数；k d 静态载荷；局动态载荷 动态耦合振动模型 主动齿轮和从动齿轮在啮合过程中相当于两个振子相互作用、相互影响，可 能成为耦合系统： m i 置+ 屯( t ) x l = k x 2 + m t ￥2 ( 2 3 ) m 2 南+ 屯) x 2 = k 而+ 绣 ( 2 4 ) 式中：j ，l i 振子质量：m ，耦合质量 侧隙效应模型 侧隙是产生脱啮振动噪声的基本条件，如果没有侧隙也就不可能产生脱啮， 但脱啮必须适应齿轮啮合传动和工作条件，其数学模型为： 五f = - + f k 箜应1 - i j = t 一嘶s 6 匐+ 。s 皤) 2 + q 匀 式中：厶有侧隙时系统振动频率；正无侧隙时固有频率 2 2 齿轮振动噪声产生机理 2 2 1 齿轮激励的产生 5 重庆大学硕士学位论文 2 初级齿轮振动噪声产生机理 产生齿轮振动噪声的原因是多方面的。齿轮不平衡而引起每个齿轮的旋转频 率及倍频谐波振动；啮合的轮齿在传递载荷的作用下产生交形造成啮合冲击；齿 轮冲动的运动误差引起的振动；以及齿轮系统工作处于临界状态，即激振力频率 与固有频率合拍造成共振【1 9 】聊。许多研究和实验分析表明，一对渐开线齿形的齿 轮在运转过程中产生振动和噪声，其主要原因在于啮合过程中“节线冲力”和“啮合 冲力”的激励。 一对理想齿轮( 即齿面啮合绝对准确和绝对刚性) 啮合传动时，啮合起始点在主 动齿轮齿面上接近其基圆，而从动齿轮齿面上处于顶圆上，因而此时相对滑动速 度最大。随着齿轮的转动，接触点沿啮合线向节线移动，相对滑动速度逐渐减小， 而在节点改变方向，至啮合终点时，其绝对值又趋于最大。由于齿面间存在摩擦 力，相对滑动速度在节点突然换向，导致齿面间的相对摩擦力的方向改变。这样 就产生了脉动力。滑动摩擦力的脉动变化程度与齿面的摩擦系数、齿轮传递载荷、 滑动速度和齿廓实际形状等因素有关相对滑动速度与齿轮的转速成正比，并随 轮齿啮合点到节点的距离变化而变化。齿轮转速越高，传递功率越大，则这种力 的脉动变化也就越大一对理想的渐开线齿轮在理论上产生振动的唯一原因就是 这种节线冲力，它的频率只包含啮合频率及其高次谐波成分。 事实上，理想齿轮并不存在实际应用中的齿轮在受力运转中，总会产生不 同程度的弹性变形，加上不可避免地存在着制造误差、装配误差。这些误差和变 形破坏了齿轮传动的啮合关系，使齿轮啮合时的位置相对于其理论位置发生偏离， 从而使瞬时传动比发生变化，由此齿轮就不能匀速平稳地啮合运转，时而加速时 而减速，造成齿与齿之间发生碰撞或冲击这种由于轮齿的不准确啮合而引起的 撞击力称为“啮合冲力“2 ”。 齿轮传动由于轮齿啮合刚度的时变性、轮齿传递误差、啮入啮出冲击以及传 动系统输入力矩和负载力矩等的变化均会产生动态啮合力，这样由于动态啮合力的 激励，使齿轮产生振动，从而引起齿轮及其系统的振动和噪声。根据齿轮系统的动态 激励，有内部激励和外部激励两类，齿轮传动系统的内部激励包括齿轮啮合的时 变刚度、啮合的综合误差、旋转的时变刚度、轴承误差，外部激励包括系统的输 入和负载条件。除了外部原因以外，轮齿误差、齿轮热弹变形等产生的齿轮动态 激励是齿轮产生振动和噪声的主要原因。内部激励是齿轮传动与一般机械的不同 之处，它是由于同时啮合对数的变化、轮齿的受载变形、齿轮误差等引起了啮合 过程中的轮齿动态啮合力产生的，因而即使没有外部激励，齿轮系统也会受这种 内部的动态激励而产生振动噪声【捌 2 2 2 齿轮啮合刚度 了解齿轮的啮合刚度是研究齿轮动态性能的基础。随着人们对齿轮传动过程 6 重庆大学硕士学位论文2 初级齿轮振动噪声产生机理 中动态性能研究的不断深入，齿轮的啮合 刚度的研究也不断深入。由于齿轮轮齿啮 合的重合度多数不是整数，啮合过程中同 时参与啮合的轮齿对数随时间作周期变 化，而且轮齿在从齿根到齿顶啮合的过程 中，弹性变形也不尽相同，从而引起了齿 轮啮合综合刚度的变化】。 如图2 1 所示，齿轮啮合过程中，一 对轮齿啮合与两对轮齿啮合交替进行。在 单齿啮合区b 中，齿轮的啮合综合刚度 较小，啮合弹性变形较大：在双齿啮合区 a b 和c - d 中，此时是两对齿承受载荷， 0 ，_、 八念 凇 i， ， k 。 口f 一 ， 曾 、匹l 、 p b 2 和p b l p b 2 ，前一对轮齿会延迟脱离啮合，并在后一对轮齿间发生啮入冲击。 如图2 2 ( a ) 所示，当主动轮轮齿a 与从动轮轮齿a 在k 1 点处结束啮合即将 脱离时，第二对轮齿的 b 齿未能与b 齿在 k 3 点进入啮合，这时 轮齿a 的齿顶不能按 时退出啮合，继续维持 在从动轮齿榉的齿面 上运动，以刮行的方式 带动从动轮旋转，从动 轮逐渐减速，直至后一 对轮齿b 、b 追上进入 啮合，从动轮突然加快， 恢复原来转速。 若p b l 0 ( 3 1 3 ) 式中白，c 。由主节点m ，出发、沿主片s i 两条边的矢量； j 由主节点出发指向从节点一的矢量g 在被检查的主片上的投 影矢量，有： s = g 一( g m ) m ( 3 1 4 ) m ：盥 ( 3 1 5 ) 忙lx c i + 1 l 当从节点n a 靠近、但不一定与主动面接触时，可能会使以接近或位于两个主 片的交线上，这会导致不等式( 3 1 2 ) 和式( 3 1 3 ) 可能不确定。在这种情况下，若刀，位 于两个主片的交线岛上，则下述量为最大值： 年阜a ：1 ，2 , 3 ，4 ) ( 3 1 6 ) 2 ) 局部搜索如果从节 点疗。不在两主片的交线上， 则确定接触点的位置是非常 关键的。接触点显然是主片 上距万。最近的点( 不一定是 主节点m ，) 。为了确定一在 主片s i 上可能的接触点的位 置，把接触点的位置矢量表 示成参数方程形式( 见图 3 8 1 ； 其中： 图3 8 从节点在主片上的接触点定位 f i g 3 8l o c a t i o no f c o n t a c tp o i n to f t h es l a v en o d eo n t h em a s t e rs e g m e n t ，= z 偕，7 ) + 以g ，7 ) 屯+ 正g ，7 ) 毛 ( 3 1 7 ) 重庆大学硕士学位论文 3 初级齿轮虚拟样机研究 z ( 善，7 ) = 乏： 0 ( 善，7 ) 彩 ( f = l ，2 3 ) l l 式中 r ，偕，7 ) u = 1 , 2 , 3 ，4 ) 单元的插值函数 主片s i _ l ：的接触点( ，仉) 必须满足以下两个方程： 嘉 ，仉) 【f 一， ，仉) 】= 0 嘉( 砌c ) 【f 一也】= o 式中f 从节点n ，的位置矢量。 联立式( 3 8 ) 和式( 3 9 ) ，即可求得接触点的坐标( 六，仉) 法求解上述方程组。 接触力计算 在搜索到了接触点后，计算穿透量： ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) 一般采用数值方 三= 吩【f 一，候，仇) 】 ( 3 2 1 ) 式中吩在接触点( 六，仉) 处主片s l 的单位外法矢，由下式确定： 啊2 ( 3 2 2 ) 若l 0 ，则意味着从节点行没有穿透主动面，不做任何处理。若l 0 ，则意 味着从节点以穿透主片s i ，在接触点处将产生接触力，包括法向接触力和切向摩 擦力。 1 ) 法向接触力这里采用罚函数法计算法向接触力。其基本原理是：每一时 步检查各从节点是否穿透主动面，没有穿透则对该节点不作任何处理。如果穿透， 则在从节点与被穿透主表面之间引入一个较大的界面接触力，其大小与穿透深度、 主片刚度长正比，称为罚函数值。它的物理意义相当于在从节点和被穿透的主动 面之间放置一个法向弹簧，以限制从节点对主动面的穿透。 根据这一算法，在一和s i 之间附加的法向接触力矢量为： 毛= - l k i r t i ( 3 2 3 ) 式中b 罚因子，代表主片s i 的刚度因子，由s i 所在单元的体积模量k 、 体积v i 和主片面积a i 确定，即： k ：厶圣i 笠( 3 2 4 ) v ： 2 l 重庆大学硕士学位论文 3 初级齿轮虚拟样机研究 式中厶接触刚度比例因子，一般取值为o 1 ，厶取值过大，可能造成不 稳定，除非缩短时间步长。 法向接触力矢量毛等效作用到主片s j 的4 个节点上的法向接触力分量为： = n j 皈刃。) f n = m 睡，7 。) k i n i 0 = 1 , 2 , 3 ，4 ) ( 3 2 5 ) 其中，皤，r 。) 是主片s i 所在单元的形函数在接触点( ，7 。) 处的值。 2 ) 切向摩擦力通常人们采用经典库仑摩擦定律来确定摩擦力。但是采用经 典的库仑摩擦定律，会导致两个数值稳定性问题：一是接触状态变化情况的确定； 二是接触节点摩擦力方向变化的确定采用修正的库仑摩擦定律来确定切向摩擦 力可以有效地处理这两个问题。 本文采用的修正的库仑摩擦定律为： r t 叫r n l 怪q ( 掣 ) 晶 ：s ， 式中厶，牛分别为节点的法向接触力和切向摩擦力； u 从动轮齿面与主动轮齿面接触点的相对切向位移( 或速度) 增 量； 节点与各接触面的摩擦系数： c 临界相对滑动速度，取很小的一个正数。 为了考虑摩擦由静态到动态的变化过程，用下式来确定摩擦系数： a = ，0 + ( 以一j 弦一4 1 ( 3 2 7 ) 式中，以分别为动态和静态摩擦系数； c 衰减常数； ，扶节点和主片之间的相对速度 由库仑摩擦力带来的界面剪应力可能会很大，某些情况下可能会超过材料的 承受能力。此时可以用另一极限方式来确定切向力： f = m 抽挺，i 哆 ( 3 2 8 ) 式中r 粘滞系数，具有剪切应力的量纲； 五主片面积。 3 3 4l s d 蛆中接触方式的确定 在本文模拟计算所用的有限元分析程序a n s y s l s d y n a 中主要有三种基本 接触类型： 单面接触单面接触用在一个物体表面的自身接触或它与另一物体表面 的接触，主要用于碰撞和撞坏事故动力问题的接触定义。 节点一表面接触节点表面接触主要用于给点面的接触行为建模。例如 两根梁的相互接触。使用这类接触单元，不需要预先知道确切的接触位置，接触 重庆大学硕士学位论文3 初级齿轮虚拟样机研究 面之间也不需要保持一致的网格，并且允许有较大的变形和相对滑动。 表面一表面接触面面接触常用于物体问有大量相对滑动、接触面积较大的 接触定义。 对于齿轮啮合之间的接触，其接触情况类似于梁之间的接触形式，又因为齿 轮啮合的复杂性，并不能预先知道确切的接触位置，所以根据对上述接触类型适 合的接触情况的分析以及在对齿轮啮合动态接触状况探讨的基础上，在本文的齿 轮啮合传动的接触定义中，选择了表面表面接触中比较常用的自动接触方式，即 自动面面接触作为齿轮间啮合接触的接触方式【3 2 】。 3 4 齿轮啮合的动态模拟 在边界条件、负载和接触方式正确地施加和定义之后，从前处理软件a n s a 中导出l s - d y n a 求解器所需的点k 文件，进行初级齿轮啮合的动态模拟计算。 在初级齿轮啮合的动态模拟计算过程中，初级齿轮副啮合传动历经了三种状 态，在0 到0 0 5 s 时间段内，角速度和扭矩载荷以一定的加速度增加( 如图3 4 与 3 5 所示) ，齿轮的啮合状态不稳定。到了0 0 5 s 之后，转速及载荷达到设定的数值， 啮合齿轮在恒定载荷下开始匀速转动，但是齿轮副不可能瞬间就达到平衡运转， 要在系统阻尼的作用下经过一个时间段的运转才能达到平衡，这个时间段属于系 统平衡过渡期，大概在0 0 5 s 到0 1 5 s 之间；在0 1 5 s 到0 2 s 时间段内，经过平衡 过渡期系统阻尼的作用，系统达到了平衡运转状态，开始平衡运转直到计算结束。 初级齿轮啮合动态模拟计算结果可以在后处理软件l s - p o s t 中查看和提取， 计算结果中包括啮合齿轮副轮齿所有节点的位移、速度和加速度信息以及所有单 元的应力、应变信息，对于不同的研究内容可以分别提取相应的模拟结果。 由以上分析可知，初级齿轮副的三维接触有限元动态模拟方法包含较多的结 果信息，能够从多个方面，比较全面地分析初级齿轮啮合的性能。 3 5 本章小结 本章建立了初级齿轮啮合传动的三维弹性接触有限元模型，并对该模型进行 了啮合传动的动态模拟计算。由模拟结果可知，初级齿轮副三维接触有限元动态 模拟方法包含所需的结果信息，能够比较全面地分析初级齿轮啮合的性能。 重庆大学硕士学位论文4 初级齿轮振动噪声仿真研究 4 初级齿轮振动噪声仿真研究 4 1 引言 齿轮以其瞬时传动比恒定、传动比变化范围大、速度范围大、传动效率高、 结构紧凑等优点，在机械及汽摩行业得到了广泛的应用。齿轮传动也存在着噪声、 冲击和振动等缺点。机械噪声是机械零部件在运转过程中相互间发生碰撞、摩擦、 冲击，产生振动而发出的噪声。齿轮传动中一对齿轮啮合时，由于不可避免地存在 着不同程度的齿距、齿形、齿向等误差，再加上外加载荷的变动，在运转过程中会 产生啮合冲击而发出与齿轮啮合频率相对应的噪声，齿面之间由于相对滑动也将 发生摩擦声。图4 1 所示的是齿轮噪声产生原因的调查资料，调查对象是汽车、机 床、通用机械、减速器等动力传动齿轮装置。从图中可以看出，在产生噪声的全部 原因中组装占1 5 ，制造占3 0 ，设计占3 5 ，使用占2 0 ，显然设计是主要因素。 随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，噪声环境污染越来越引起重视。 初级齿轮传动动态性能是影响发动机总成优良率的主要因素，其性能直接决定摩 托车整车质量的优劣。随着摩托车的排量越来越大，速度越来越高，初级齿轮啮 合噪声的问题日益突出，因此，降低初级齿轮噪声十分必要本文从摩托车发动 机的实际使用情况出发，通过虚拟仿真的研究方法对初级齿轮的结构参数、轮齿 齿形及使用工况来研究控制初级齿轮振动噪声 7 看 羁目搦易易羁倪同韧窃仍历阳一 ； 1 衡轮的耪泼2 。组凌糖壤羡缘西藏糙度4 衡轮鞭形状 5 齿轮瓣淹6 。辘承7 材质8 齿轮的设计9 簌劝摊与 负载的变化l o 逡行条件1 1 籀、辘系1 2 。巍轮形状 1 3 蠹轮麝攒1 4 鼗伤和毛捌1 5 箕它 图4 1 齿轮噪声产生的原因 f i 9 4 1t h el e , a s o l l so f g e a rn o i s e c 吣 重庆大学硕士学位论文4 初级齿轮振动噪声仿真研究 4 2 转速对初级齿轮振动噪声的影响 摩托车在行驶过程中，由于路况等原因频繁改变车速，发动机转速发生很大 的变动，使初级齿轮的转速随着波动。齿轮不同的转速所产生的振动有很大的不 同，其噪声辐射特性也是不一样的。所以有必要分析研究转速对初级齿轮振动噪 声的影响。 按照第三章所述的虚拟试验方法，建立如图4 2 所示的三维弹性接触有限元模 型。初级齿轮的参数如表4 1 所示： 图4 2 转速分析有限元模型 f i 9 4 2ie am o d e lf o rr o t a t es p e e da n a l y s i s 表4 1 初级齿轮的主要参数 t a b l e 4 1t h ek e yp a r a m e t e r so f t h ep m a r yg e a r s 主动齿轮从动齿轮 模数7 5 压力角2 0 中心距8 0 0 5 齿数 1 87 3 齿宽2 5 7 1 0 分度圆直径3 1 51 2 7 7 5 变位系数 0 5 4- 0 2 8 8 修形方式直线修形 重庆大学硕士学位论文4 初级齿轮振动噪声仿真研究 采用如图4 2 所示的初级齿轮三维接触有限元模型，主动齿轮施加不同转速， 从动齿轮施加3 0 n m 恒定负载进行三维接触有限元仿真分析，取大齿轮齿顶附近 一点( 取点位置如图4 3 所示) 作为参考点，提取其振动加速度，并进行频谱分析， 不同转速下该点的分析结果，如图4 4 _ 一4 8 所示。 图4 3 参考点位置 f i 9 4 3l o c a t i o no f r e f e r e n c en o d e s 一1i k i 舶。 “托h i t j 图4 41 8 0 0 r m i n 时参考点加速度的时频曲线 f i 9 4 4t h ea c c e l e r a t i o nt i m e - f r e q u e n c yd o m a i n o f r e f e r e n c en o d ea t1 8 0 0 r m i n 图4 52 4 0 0 r m i n 时参考点加速度的对频曲线 f i 9 4 5t h ea c c e l e r a t i o nt i m e f r e q u e n c yd o m a i n o f r e f e r e n c en o d ea t2 4 0 0 r m i n 重庆大学硕士学位论文4 初级齿轮振动嗓声仿真研究 图4 63 0 0 0 r m i n 时参考点加速度的时频曲线 f i 9 4 6t h ea c c e l e r a t i o nt i m e - f r e q u e n c yd o m a i n o f r e f e r e n c en o d ea t3 0 0 0 r m i n 图4 73 6 0 0 r m i n 时参考点加速度的时频曲线 f i 9 4 7t h ea c c e l e r a t i o nt i m e - f i l u e n c yd o m a i no f r e f e r e n c 宅n o d e 砒3 6 0 0 r r a i n 图4 ，87 2 0 0 f r a i n 时参考点加速度的时频曲线 f i 9 4 8t h ea c c e l e r a t i o nt i m e - f r e