（车辆工程专业论文）环板式针摆行星减速器减振降噪研究.pdf

摘要 摘要 双曲柄环板式针摆行星减速器是一种新型减速器。它是在分析比较渐开线双环、三 环减速器和传统摆线针轮行星传动各自优缺点的基础上创新研制的一种新型针摆行星 传动。既保留了环板式传动又可省去输出机构。由于输出轴刚性好、转臂轴承由行星轮 内移至行星轮外，尺寸不再受限制，从而传递的转矩较现有的摆线针轮减速器更大。双 曲柄环板式针摆行星减速器保留了传统摆线针轮行星减速器同时啮合齿数多，总法向力 与总圆周力间夹角小，摆线轮与针轮齿均为硬齿面等优点，同时克服了现有以渐开线为 齿形的诸种环板式减速器难以避免的缺点。因此，双曲柄环板式针摆行星传动的研制成 功，必将提供一种体积小、重量轻、传动比范围大、传动效率高、传动平稳、结构简单、 承载能力大等诸多优点的有实用价值的新型摆线针轮行星传动装置。 同其他机械设备一样，双曲柄环板式针摆行星减速器也存在振动和噪声问题。 机械振动和噪声不仅对机械本身产生危害，影响其力学性能和使用寿命，而且对人 体产生较大危害。振动与噪声相结合作用于人体，会造成人生理和心理方面的损害，降 低工作效率，带来很大的压抑感和疲劳感，甚至造成损伤神经、听力等不可挽回的后果。 因此对双曲柄环板式针摆行星减速器振动和噪声的研究及控制是非常必要的。 本文利用有限元分析软件a n s y s 对摆线轮、环板、渐开线直齿圆柱齿轮、箱体进 行模态分析，求解其固有频率和振型。为减振降噪提供理论依据。 本文测试了三齿联动双曲柄四环板针摆行星减速器的振动与噪声。分别对其在不同 位置、不同工况下进行振动与噪声测试，运用a r t e m i s 分析软件对相关数据进行分析和 处理，明确噪声与振动分布规律，转速越高产生的噪声与振动的频率也越高，该减速器 有共振现象发生，在转速为5 0 0 r m i n 时尤为明显，提出相应的降噪方案，能够达到5 6 d b ( a ) 的降噪效果。 关键词：减速器；噪声；振动；模态分析；测试 大连交通大学工学硕十学位论文 a b s t r a c t d o u b l ec r a n kf o u rr i n g p l a t e t y p ec y c l o i dr e d u c e ri san e w - t y p er e d u c e r a f t e ra n a l y z i n g t h em e r i t sa n dt h es h o r t c o m i n g so fi n v o l u t e g e a rr i n g - p l a t ed r i v ea n dt r a d i t i o n a lc y c l o i dd r i v e e a c h ，w ep r o p o s e dt h ed o u b l ec r a n kf o u rr i n g p l a t e - t y p ec y c l o i dd r i v e ，w h i c hr e s e r v et h e m e r i t so ft h ei n v o l u t e g e a rt h r e e - r i n g p l a t ed r i v e ，s u c ha so m i r i n go u t p u ts y s t e ms ow ec a n r e c e i v eg o o dr i g i d i t yo fo u t p u ts h a f ta n dt r a n s m i t t i n gm o r et o r q u e a n dt h en e wt y p ed r i v e a l s or e s e r v et h em e r i t so ft h et r a d i t i o n a lc y c l o i dd r i v e ，s u c ha sm o r em e s h i n gt e e t h ，t h es m a l l a n g l eb e t w e e nr a d i a lf o r c ea n dt a n g e n t i a lf o r c e ，h a r ds u r f a c eo fc y c l o i dg e a ra n dp i n - t o o t h b e s i d e ，t h i sn e wt y p ed r i v eo v e r c o m i n gt h es h o r t c o m i n g so ft h er i n g p l a t ed r i v e s t h e r e f o r e ， s u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to fd o u b l ec r a n kr i n g p l a t e t y p ep i n c y c l o i d a lg e a rp l a n e t a r yd r i v ew i l l p r o v i d ean e w - t y p ep i n c y c l o i d a lg e a rp l a n e t a r yt h a th a sp r a c t i c a lv a l u ef o rc h i n a se c o n o m y i n d u s t r i a ld e v e l o p m e n t w h i c hp o s s e s st h em e r i t so fs m a l lv o l u m e ，l i g h tw e i g h t ，w i d er a n g eo f t r a n s m i s s i o nr a t i o ，h i g he f f i c i e n c y ，u n i f o r mo p e r a t i n g ，w e l lk n i t - s t r u c t u r e ，h i g hl o a d c a p a c i t y a so t h e rm a c h i n e r ye q u i p m e n t ，d o u b l ec r a n kr i n g p l a t e t y p ep i n - c y c l o i d a lg e a rp l a n e t a r y r e d u c e ra l s oh a st h ep r o b l e mo fn o i s ea n dv i b r a t i o n m a c h i n e r yv i b r a t i o na n dn o i s en o to n l yh a r mt om a c h i n e r y ，i n f l u e n c ei t s m e c h a n i c a l p r o p e r t ya n ds e r v i c el i f e ，b u ta l s ot oh u m a nb o d y v i b r a t i o na n dn o i s ea c t e do nh u m a nb o d y w i l lc a u s ed a m a g eb o t hi np h y s i o l o g ya n dp s y c h o l o g ya n db r i n gp r e s s u r es e n s ea n de x h a u s t e d s e n s et oh u m a nb o d y ，e v e nc a u s ed a m a g en e r v ea n dh e a r i n gt h a tc a nn o tr e d e e m ，r e d u c e w o r k i n ge 伍c i e n c y t h e r e f o r e i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ha n d e o n t r o lv i b r a t i o na n dn o i s eo r d o u b l ec r a n kr i n g - p l a t e - t y p ep i n - c y c l o i dg e a rp l a n e t a r yr e d u c e r m o d a la n a l y s i so fc y c l o i d ，r i n g p l a t e ，i n v o l u t es p u rg e a r ，b o xb a s e do na n s y ss o f t w a r e ， a n dt h e nt of i g u r eo u tt h e i rn a t u r a l f r e q u e n c i e sa n dv i b r a t i o n - t y p e s i tp r o v i d e sr e l i a b l e a t h e o r e t i c a lb a s i sf o rr e d u c ev i b r a t i o na n dn o i s e w et e s tt h ev i b r a t i o na n dn o i s eo fd o u b l ec r a n kf o u rr i n g p l a t e - t y p ec y c l o i dr e d u c e r l i n k e db yt h r e eg e a r sa td i f f e r e n tl o c a t i o na n dw o r kc o n d i t i o n a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gr e l a t e d d a t ab a s e do na r t e m i ss o f t w a r e ，s ow ec a nk n o wt h ed i s t r i b u t i o no fv i b r a t i o na n dn o i s e ，a n d t h e np r o p o s e dt h ei m p r o v e m e n tm e a s u r e sw h i c hc a nr e d u c et h en o i s e56 - , 6 d b ( a ) k e yw o r d s ：r e d u c e r ；n o i s e ；v i b r a t i o n ；m o d a la n a l ) s i s ；t e s t ； 绪论 绪论 1 课题的背景和意义 摆线针轮行星传动装置具有体积小，重量轻，传动比范围大，传动效率高，传动平 稳且可靠等优点，但它也有薄弱环节，即转臂轴承处于摆线轮上输出机构的内部，将使 转臂轴承受力大，而且转速高于输入轴，径向尺寸受到限制，从而限制了摆线针轮行星 传动更充分地发挥其承载能力。 为大幅度提高机械传动装置的承载能力、传动效率和可靠性诸多指标，目前以创新 研究出来的多种结构双曲柄环板式针摆行星传动，其特点是不仅保留了原摆线针轮行星 减速器同时啮合齿数多，总法向力和总圆周力间夹角小，摆线轮和针轮齿均为硬齿面等 优点，而且具有双曲柄环板式传动可省去输出机构而输出轴刚性好，转臂轴承由行星轮 内移至行星轮外，尺寸不再受到限制，从而传递的转矩可以较现有的摆线针轮行星减速 器更大等优点【1 1 。本新型传动装置研制成功，将为部门提供一种具有体积小、重量轻、 传动比范围大、传动效率高、传动平稳、结构简单等优点而传递的转矩和功率还可以较 传统摆线针轮行星传动成倍增大的新型摆线针轮行星传动。它可以应用于矿山、冶金、 石油、化工、工程、轻工等众多领域。 同其他机械设备一样，双曲柄环板式针摆行星减速器也存在振动和噪声问题。 本课题对目前研制出的两种机构型式进行了噪声与振动测试。一种是双电机驱动双 曲柄四环板针摆行星减速器，测试过程中发现其噪声小( 在转速为1 0 0 0 r m i n ，载荷1 0 0 的工况下，噪声为8 1 d b ( a ) ) ，传动平稳。原因是：两个曲柄用机械性能相同的两个电 动机驱动，依靠电动机的机械特性载荷大时转速下降，而载荷小时转速上升的规律， 使通过连杆上的针轮带动同一摆线轮的两台电动机自动保持转矩与功率的均载。由于两 个曲柄均为主动曲柄，所以不存在主动曲柄通过连杆推动被动曲柄过死点，产生瞬时冲 击的问题。系统中没有渐开线齿轮传动参与其中，因而该传动可以不受任何干搅地充分 发挥四环板相位两两差1 8 0 0 ，使传动系统能在动平衡状态下运转、经过齿形优化又可以 保证针轮与摆线轮多齿共轭啮合，瞬时传动比恒定的两大优点，所以才能得到满载运转 很平稳。另一种是三齿联动双曲柄四环板针摆行星减速器，测试过程中发现其噪声与双 电机驱动双曲柄四环板针摆行星减速器相比有了明显的增高，在转速为1 0 0 0 r m i n ，载 荷1 0 0 的工况下，噪声为9 0 1 d b ( a ) 。当转速升高到1 5 0 0 r m i n 时，噪声更是高达 9 5 4 d b ( a ) 。虽然其具有诸多优点，但是噪声超过了i s o 听力保护标准，如表1 1 2 j 所示， 影响了其推广和使用。 大连交通大学t 学硕十学位论文 表1i s o 听力保护标准 t a b l e1i s oh e a r i n gp r o t e c t i o ns t a n d a r d i 连续噪声暴露时间h 842l1 2 允许等效连续a 声级d b ( a ) 8 5 9 08 8 9 39 1 9 69 4 9 99 7 1 0 2 如果人长期处在强烈的噪声环境中，不仅对听力有损害而且还会引起其他的生理作 用，如恶心、呕吐、眼球振动、视觉模糊、头部悸动、胃部不适、咳嗽、血管扩张、肌 肉抽搐等等。当环境振动振级达到或超过7 0 d b ，人便可感觉到振动；超过7 5 d b ，便会 有反感、烦恼等反应；8 5 d b 以上，将对人的日常生活、工作带来严重的干扰，进而损 害人体健康。因此，进行噪声与振动控制尤为重要。 2 摆线针轮行星传动的国内外发展概况 摆线针轮行星传动最早是由德国人劳伦兹勃朗( l o r e n zb a r a e n ) 提出的以外摆线为 齿廓曲线的少齿差传动，由于其中的一个齿轮采用针轮的形式，故亦称摆线针轮行星齿 轮传动。 3 0 年代后期日本住友重机械株式会社从德国引进该技术，并开始研制生产该行星齿 轮传动装置。但由于当时工艺条件落后，齿形加工精度很低，因而产量不高；直到6 0 年代摆线磨床的出现，从工艺上保证了摆线齿形的精度，才促进了这种传动的发展。 我国从六十年代末期，东北工学院、郑州工学院和沈阳机电学院都开始介绍这种新 型机械传动的运动学、几何学及动力学等方面的基本知识；上海交通大学对摆线减速器 的制造工艺、传动效率试验、输出销轴强度试验等方面进行了研究。东北工学院的周培 德教授系统地提出了摆线齿轮滚刀齿形设计原理及用包络线原理和用啮合线原理两种 计算滚刀齿形的方法，大连铁道学院朱恒生教授以点齿代换法为媒介，从运动学和几何 学出发，提出了摆线齿轮在任意加工节圆时计算滚刀齿形的通用方程式：鞍山钢铁学院 高兴岐教授提出了摆线针轮行星传动胶合失效的计算准则。郑州机械研究所还进行了将 少齿差摆线啮合用于齿轮泵的研究。辽阳制药机械厂于1 9 7 8 年首先研制成功两台二齿 差摆线针轮减速器，魏祥稚高工在我国率先对二齿差摆线针轮传动进行了成功的实践探 索；郑州工学院冯澄宙教授也对二齿差摆线针轮传动原理、强度计算、短幅外摆线齿轮 的公法线测量方法进行了研究：大连铁道学院马英驹教授对二齿差摆线轮齿廓项部曲线 参数与复合齿形进行了优化计算。大连交通大学李力行教授根据对摆线针轮行星传动特 性分析及对摆线轮齿形精确测量的实际需要，提出能概括各种齿形修行的通用的摆线轮 齿形方程式，并首次提出了一种考虑了摆线轮修形及受力零件弹性变形影响的准确摆线 轮受力分析方法和公式。 3 双曲柄环板针摆行星传动的原理和特点 2 绪论 双曲柄环板式针摆行星传动的机构简图如图1 【l 】所示，在平行四杆机构a b c d 的连 杆b c 上，装有针轮2 ，其中心o d 位于连杆b c 的中点。与针轮2 相啮合的摆线轮5 中 心o 。位于两个主动曲柄回转中心a 、d 连线a d 的中点，针轮与摆线轮中心距o d o 。的 大小等于两个主动曲柄的长度e 。由于在平行四杆机构a b c d 中，连杆作平动，其上各 点的轨迹形状、速度、加速度均相等，所以固连于连杆b c 上的针轮2 轮心o p 的轨迹 必是以o 。为圆心，以e 为半径的圆。 c 图1 双曲柄环板式针摆行星传动机构简图 f i g 1d i a g r a mo ft h ed o u b l ec r a n kf o u rr i n g - p l a t e t y p ec y c l o i dd r i v e 1 主动曲柄2 带针轮的环板3 主动曲柄4 机座5 摆线轮 双曲柄环板式针摆行星传动与传统的摆线针轮行星传动在传动方式上的最大区别 在于：传统的摆线针轮行星传动是针轮固定，与之啮合的两片摆线轮做行星运动；双曲 柄环板式针摆行星传动，由环板带动针轮做圆曲线平动来带动绕定轴线回转的摆线轮。 这样，转臂轴承就可以由行星轮内移至行星轮外，尺寸不再受摆线轮尺寸的限制，其受 力大大减小，不再是影响整机承载能力的薄弱环节。经合理设计的新型结构在承载能力、 传动效率、传动平稳性和寿命诸方面都显著超过以渐开线为齿形的同样体积和重量的三 环减速器。三齿轮联动双曲柄的四环板式针摆行星减速器和双电机驱动双曲柄四环板式 针摆行星减速器传动简图如图2 、图3 1 3 j 所示。 大连交通大学t 学硕十学位论文 九。 一 4 一 氕当l 。l u 一 ， 只 u ，一 3 。工f 王 一一 6 2 一一 ，。 - - ，厂 一 。j | - i 7 1 、一 ! hl =三单 8 、一l 上r ! r 叮。 、 u 一 1 输出轴2 摆线轮 3 一内侧带针轮的环板( 连杆) 3 一外侧带针轮的环板( 连杆， 与3 相位差1 8 0 。) 4 _ 曲柄轴 5 一从动齿轮 6 - 一主动齿轮 7 _ 一输入轴 8 _ 从动齿轮 卜曲柄轴 图2 三齿轮联动双曲柄的四环板式针摆行星减速器传动简图 f i g 2d i a g r a mo ft h ed o u b l ec r a n kf o u rr i n g - p l a t e t y p e c y c l o i dr e d u c e rl i n k e db yt h r e eg e a r s l 一输出轴 2 一摆线轮 3 一外侧带针轮的环板( 连杆) 3 一内侧带针轮的环板( 连杆， 与3 相位差18 0 。) 4 一输入轴( 主动曲柄轴) 5 一输入轴( 主动曲柄轴) 图3 双电机驱动双曲柄四环板式针摆行星减速器传动简图 f i g 3d i a g r a mo ft h ed o u b l ec r a n kf o u rr i n g - p l a t e - t y p e c y c l o i dr e d u c e rd r i v e db yd o u b l ee l e c t r o m o t o r s 4 绪论 4 本文研究的主要内容 本文针对三齿轮联动双曲柄的四环板式针摆行星减速器主要作了如下几方面的研 究： ( 1 ) 噪声与振动测试：采用h e a da c o u s t i c s 噪声与振动分析系统，分别选取三齿 轮联动双曲柄四环板式针摆行星减速器不同位置布置噪声测试点和振动测试点，测试其 在不同工况下噪声及振动情况，运用a r t e m i s 分析软件对相关数据进行分析处理，得出 噪声与振动分布规律的频谱图。 ( 2 ) 固有频率的计算：对三齿轮联动双曲柄四环板式针摆行星减速器的主要部件 ( 减速器箱体、摆线轮、环板、渐开线直齿圆柱齿轮) 进行固有频率的计算。 ( 3 ) 结果分析：计算出摆线轮与针齿、渐开线直齿圆柱齿轮在运转过程中的啮合 频率、减速器各个滚动轴承的振动频率。与测试出来的噪声与振动分布规律的频谱图进 行对比分析。找出噪声与振动产生峰值所对应的频率并分析其原因。通过与计算得到的 固有频率进行对比分析，验证减速器在工作过程中是否有共振现象产生。 ( 4 ) 提出减振降噪方案：根据分析得到的结果，提出相对应的减振降噪方案。 大连交通大学工学硕士学位论文 第一章噪声与振动的基础知识 1 1 声压的产生 声音起源于物体的振动，如讲话的声音来源于人体喉内声带的振动，扬声器的发声 来源于纸带的振动，机械噪声来源于机器各部件的振动。凡是发生声音的振动体称为声 源。声源发出的声音必须通过中间媒质才能把声音传播出去。 声波的传播只是空气密度的变化，而媒质本身只在其平衡位量来回运动，并不随波 的传播而前进，实质上是物体振动的传播，传播出去是物质运动的能量，而不是物质本 身，即声音是物质的一种运动形式，这种运动形式称为波动。媒质质点振动方向与其传 播方向相同的波称为纵波，故空气中的声波是纵波。振动方向与传播方向相垂直的波称 为横波。在固体媒质中，除体积弹性外，还有切变弹性，故声波可能以横波，也可能以 纵波或二者都存在的方式传播，而液体和气体中的声波只能是纵波【4 】。 1 2 声压的辐射与方向性 如果一个物体在弹性媒质中振动，波就从这一物体发出，这一起始振动的物体便是 振源。对于声波来说就是声源。有声波存在的弹性媒质空间称为声场。在均匀各向同性 的媒质中，边界影响可以不计的声场称为自由场。在自由场中，声波可以无反射地自由 传播。 声波从声源发出，在媒质中向各方向传播，在某一瞬间，相位相同各点的轨迹曲面 称为波前或波阵面，波的传播方向称为波线或射线。在均匀媒质中，波线与波阵面垂直。 如果波长比声源尺寸大得多，声波就以声源为球心以同样速度向四面八方辐射出去，这 种声源称为点声源，显然这样的波阵面是一个球面，波前是球形，故称球面波。如果声 源物体其尺寸比波长大得多，则声波只在其振动方向传波，其波前是一平面，称为平面 波。 平面波的波线是同一方向的，故声音有很强的方向性，而球面波则是无方向性。实 际上声源不会小得成为点，也不会大得发出平面波，多数声源发出的声波在一个角度范 围内沿振动体的振动方向向前后发射，其它方向也有声波发射出去，但比较微弱。当振 动体本身尺寸越大，频率越高，所发出的声波方向性就越强，扩散角也就越小，就接近 于平面波。由于绝大多数的发声体所发出的声波既不是平面波，也不是各个方向均匀辐 射的球面波，所以声波总是在某些方向强些，某些方面弱些。这就是声波的方向性( 指 向性) 。 6 第一章噪声与振动的基础知识 1 3 噪声的物理量度 1 3 1 声压、声强和声功率 ( 1 ) 声压 当声波传播时，空气媒质各部分产生压缩与膨胀的周期性变化，压缩时压强增加， 膨胀时压强减小。这变化部分的压强与静压强的差值称为声压。声压变化的平均值为零， 因此平均声压是一个无用的量。通常用瞬时声压、峰值声压或有效声压( 简称声压) 。 瞬时声压：媒质因声波存在而引起的压强变化量，即有声波时的大气压强尸( f ) 与无 声波时的大气静止压强r 之差p ( f ) ，单位为帕 斯卡 ( p a ) 其表达式为【5 】 p ( f ) = j p ( f ) 一p o ( 1 1 ) 这一声压是时间的变化量，称瞬时声压，它有时为正，有时为负。 有效声压：在实际应用上，常取瞬时声压在一周期或更长时间内的平方平均值，再 取其平方根值，称为均方根声压，又称为有效声压。习惯上所指的声压，均指有效声压 见。有效声压见与瞬时声压p ( t ) 的关系，按上述的定义为 旷丽 ( 1 2 ) ( 2 ) 声强 声源的振动通过弹性介质传播出去。介质中的振动的质点具有动能，同时介质因为 变形还具有势能。所以声波的传播过程也是能量的传播过程。在某点按指定方向的声强 是该点上在单位时间内通过与指定方向垂直的单位面积的声能平均值。在自由平面声波 或球面声波的情况，声波在传播方向上的声强为6 】 ，：立 ( 单位：w m ： p o c 式中见一有效声压； 风一空气密度； c 一空气中的声速。 ( 1 3 ) ( 3 ) 声功率 声强与声源辐射的声功率有关。所谓声功率是指声源在单位时间内辐射出来的总声 能，记为w ，其单位为w ( 瓦) 。如果围绕声源的传播面积为s ，不考虑声波在传播中的 衰减，则【4 】 7 大连交通大学工学硕士学位论文 对于平面波， 对于球面波， 形= 王膦 声源发出的声功率为： w = i s 声源发出的声功率为： 矽= i 4 ；r r 2 ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) 1 3 2 声压级、声强级和声功率级 ( 1 ) 级和分贝 人耳刚能听到的1 0 0 0 h z 纯音的声强为1 0 _ 2 w m 2 ，称为可听声阈，痛阈声强为 1 w m 2 。对应的可听阈声压是2 1 0 。5 p a ，痛阈声压是2 0 p a 。对人的听觉来说，从听阈 到痛阈所感觉到的声音的强弱变化范围非常宽。因此，若用声强或声压的绝对值来描述 声音的强弱是很不方便的，而且要实现一定精度的测量也是很困难的。同时，人耳的听 觉系统对声音强弱的响应接近于对数关系。所以，对声强或声压用对数标度就比较方便。 声学中将正比于声功率的两个同类量，例如两个声强或两个声压平方等之比( 无量 纲的数值) ，取以1 0 为底的对数，习惯上命名为贝尔( b e l ) ，符号为b 。贝尔为一种级 的单位，它的1 1 0 称为d b ( 分贝) ，所以d b 也是级的一种单位。 ( 2 ) 声压级 某一点的声压级定义为该点的声压p 与基准声压仇之比，取以l o 为底的对数乘以 2 0 ，单位为d b ，表示为 6 1 l 。= 2 0 l g 上( 单位：d b ) ( 1 7 ) 。po 式中：风一基准声压，p o = 2 x 1 0 p a 。 ( 3 ) 声强级 以两声强，和厶之比，取以1 0 为底的对数，乘以1 0 ，即 ， l ，= 1 0 1 9 ( 单位：d b ) ( 1 8 ) 0 式中：厶一基准声强，厶= 1 0 1 2 w m 2 。 这一基准声强厶是一般j 下常人对1 0 0 0 h z 声音所能觉察到的最低声强，当一个 1 0 0 0 h z 声音的强度为1 0 - 1 2 w m 2 时，它的声强级为零分贝，也就是零分贝为人耳对 1 0 0 0 h z 声音的最低可闻阈的声强级，低于这一声强级，人耳就感觉不到这一声音。 ( 4 ) 声功率级 8 第一章噪声与振动的基础知识 声功率级的定义：某点声源声功率w 与基准声功率之比，取以1 0 为底的对数乘 以1 0 ，以分贝( d b ) 计，它的表达式为 l , = 1 0 1 9 焉 ( 姚d b ) ( 1 ” 式中：一基准声功率级，= 1 0 d 2 w 。 1 3 3 声压级的叠加 声压级、声强级和声功率级都是经过同类量对比的对数关系，并以分贝命名其单位 的，因此叠加方法都是一样的。分贝不像自然数那样可用算术方法直接相加减，而必须 先将其还原为本来的声能量，如声强、声功率以及声压平方等，然后将它们相加得出总 和，再取其分贝值，才是几个声压级“叠加 而成的总声压级。因此，当某点有n 个声 音的声压级各为z p l ，k ，气，k 时，其总的均方尸压所2 为6 1 露= 衍+ 蠢+ + 露= p 0 2 ( 1 0 n 1 + 1 0 n 1 锄+ + 1 0 0 l l a ) = 露( l o n l ) ( 1 1 0 ) 总声压级为 k = 1 0 l g 譬= 1 0 l g ( 羔1 0 n ) ( 单位：d b ) ( 1 1 1 ) 式中：风一基准声压，p o = 2 x 1 0 p a 。 1 3 4 背景噪声、声压级的“相减” 在某一环境中，总有来自各方向的各种声音，这些声音的总噪声，称为环境噪声。 环境噪声中除去所需要的信号声以外的总噪声，称为背景噪声。现场测量到的声压级均 为环境噪声的声压级，必须将其扣除背景噪声级，才能得出真正的信号噪声声压级。其 “相减”原理基本相似叠加法。 设环境噪声总声压级为岛，背景噪声声压级为三。和信号声声压级厶，它们的声压 分别为p r ，p l 和见，按( 1 1 1 ) 式6 】： 虏= 所2 一露= 露1 伊i l r 1 1 俨1 耳】 ( 1 1 2 ) 写成信号声压级为 三见= 岛一 其中：a l = 1 0 1 9 1 1 0 - o 1 白一厶】 ( 单位：d b ) 9 ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) 大连交通大学t 学硕十学位论文 当测得的环境噪声声压级大于背景噪声声压级l 。1 0 d b 以上时，所测得的环境噪声声 压级仅比信号声压级增) i n 0 4 d b ，这一增值可以忽略不计。另外当环境噪声声压级大于 背景噪声声压级l d b 时，信号声压级仅比环境噪声声压级小l d b 以内。而在实际测量中， 因噪声的涨落和仪表读数等种种原因引起的误差，往往在l d b 以上，因此在这一情况下 所测得的声压级应视为不可靠。 1 4 噪声的频程 由于一般噪声的频率分布宽阔，在实际频谱分析中，不需要也不可能对每一个频率 成分进行具体分析，为了方便，把2 0 - 2 0 0 0 0 赫兹的声频范围分为若干个相连的段落， 划分的每个具有确定频率范围的段落称做频带或频程。频程的划分方法通常有两种，一 种是恒定带宽，即每个频程的上、下限频率之差为常数。这种恒定带宽频带划分方法常 用于频谱的窄带分析。鉴于人耳对于频率的响应特性，另一种是恒定相对带宽的划分方 法，即保持频带上、下限之比为一常数。因为人耳对不同频率的声音进行比较时，有意 义的是两个频率的比值而不是它们之间的差值，所以恒定相对带宽频带的划分是保持频 带的上下限之比为常数，频带的具体划分规则如下： 假定某频带的上下限频率分别为五、彳，且正 彳，它们与中心频率厶之间有如 下关系【7 j 五= 2 ”石 ( 1 1 5 ) f 0 = , f , a ( 1 1 6 ) 五为上下限频率的几何平均值，称为频带中心频率，它虽然是一个频率的赫兹数，但它 却代表了一个倍频程的频率范围。n 为倍频程数。当n = 1 时，称为l 倍频程；n = 1 2 时， 称为1 2 倍频程；n = l 3 时，称为l 3 倍频程；依次类推。 1 5 噪声的主观评价量 ( 1 ) 响度级 响度级为正常听力判断的纯音与1 0 0 0 h z 纯音同样响时的1 0 0 0 h z 的声压级单位为 p h o n ( 方) 。 ( 2 ) 响度 响度是听觉判断声音轻响程度的主观标度是j 下常听者判断一个声音比响度级为 4 0 p h o n 的参考声强的倍数，单位为s o n e ( 宋) 。响度级每增加1 0 方，响度增加一倍。 ( 3 ) 计权声级 i o 第一章噪声与振动的基础知识 采用响度评价噪声时，要进行复杂的计算，为了使测量的声压值能够直接近似反映 人耳对于声音响度的感觉，在等响曲线中选取了4 0 ，7 0 ，l o o p h o n 三条曲线分别代表人 耳对于低声压、中等声压和高声压的响度感觉，并按这三条曲线的形状，设计a 、b 、c 三条计权网格。由于人耳对低频声音不敏感，为了加强低频效果，设计了一套低频补偿 网络，这种补偿方式称为频率计权，而改变频率响应的电子线路装置，称做计权网络。 a 计权网络特性曲线对应于倒置的4 0 方等响曲线，它模仿了人耳低频段( 低于5 0 0 h z 以下) 不敏感，而对1 0 0 0 5 0 0 0 h z 敏感的特点，由a 计权测量的声级来代表噪声的大小， 称为a 声级，记为d b ( a ) 。a 声级是各频谱声压级的合成。a 声级相同时，且各频谱声压 级却并不相同。由于a 声级能很好地反映人耳对噪声响度的频率响应，测量又具有简易、 快速的待点，因此在很多噪声评价中都普遍采用。 b 计权网络是对应于倒置的7 0 方等响曲线，低频有衰减，b 计权声级单位为d b ( b ) ， b 计权已逐渐淘汰，有的声级计中已取消。 c 计权网络是模仿1 0 0 方等响曲线的倒置曲线而设计的。在整个声频范围内，有近 乎平直的特点，所有频率的声音通过时，基本上不衰减。因此，c 计权网络测量时，声 压级并未经任何修正，读数仍为声压级的分贝值，而a 、b 计权网络却不同，已对声压 级作修正，其读数既不是声压级也不是响度级【4 j 。 1 6 振动的物理量度 衡量振动与噪声强弱一样，反映振动的特性位移、速度、加速度等参数，也可以用 分贝来表述他们的大小，分别得到相应的级值。 振动位移级三。为瞵j l 。= 2 0 l g ( 睾 ( 1 式中s 一位移( m ) ； & 一位移基准值，s o = 8 x l o _ 2 ( m ) 。 振动速度级0 为 矿 o - 2 0 1 9 苟 式中v 一振动速度( m s ) ； 一速度基准值，v o = 5 x l o 一( m s ) 。 ( 1 18 ) 大连交通大学工学硕士学德论文 振动加速度级乞为 乞= 2 0 1 9 ( ) ( 1 1 9 ) 龟 式中a 一振动加速度( n v s 2 ) ； 龟一加速度基准值，a o = 5 x 1 0 q ( m s 2 ) 。 1 7 振动的评价标准 根据振动强弱对入的影响，大致有霾种情况 ( 1 ) 振动的“感觉阈” 人体羁l 能感觉猁的振动信息，就是通常所说的“感觉阈”。人们对因l 超过感觉阈的 振动，一般并不觉得不舒适，也就是说大多数人对这种振动是可容忍的。 ( 2 ) 振动的“不舒适阙 振动的强度增大到一定程度，入就会感觉到不舒服，或者作出讨厌的反应，这就是 不舒适阈。“不舒适 是一种心理反应，是大脑对振动信号的一种判断，并没有产生生 理影响。 ( 3 ) 振动的“疲劳阈” 振动的强度进一步增加，达到某种程度，入勰对振动的感觉就由“不舒适 进入到 “疲劳阈。对超过“疲劳阂 的振动不仅有心理反应，而且也出现生理反应。也就是 说，振动的感觉器官和神经系统的功能，在振动的刺激下受到影响，并通过神经系统对 人体的其他功能产生影响，如注意力转移，工作效率低等。当振动停止后，这些生理影 响是可消除的。 ( 4 ) 振动的“危险阙” 当振动的强度继续增加，超过一定限度时，便对人不仅有心理影响，还会产生病理 性的损伤，这就是“危险阂，也称“极限阈”。超过危险阂矮的振动将使感觉器官和 神经系统产生永久性的病变，即使振动停止也不能复原。 本童小结 本章主要对噪声和振动的一些基本知识做了粗略的介绍，在噪声方面主要包括噪声 的物理量度，噪声的倍频程，噪声的叠加与相减以及噪声的基本评价量。在振动方面介 绍了振动的物理量度和振动的评价标准。 1 2 第二章机械噪声与振动 第二章机械噪声与振动 2 1 机械噪声的形成 机械噪声主要来源于机械部件的振动。机器的传动件，壳体，机架等一般都可能在 工作中发生弹性变形。变形力与反抗变形的刚度的相互作用，以及随着机械运转时的作 用力而产生周期性的交变运动，就形成这些部件的振动。具有弹性的机械部件又是各种 形式的振动的良传导体，将振动沿相接触件往外传播而不断将周围空气激振，在空气中 传出声波。 噪声发生的根本原因是激振力的作用，一般激振力包括冲击性力、周期性力以及随 机性力。机械系统受到任何激振力，这个系统就有对此激振力的响应而产生振动。实际 上，上述机械发声的三种激振力，不仅会单独作用，而且往往会同时出现叠加作用。这 个振动能量在整个系统中传播。当传播到辐射表面，这个能量就转换成压力波经空气再 传播出去，即声辐射。因此，这个激发响应，系统内部传递及辐射这三个步骤是机械噪 声的形成过程，见图2 1 1 4 j 。 p i 以a - - - - + 尺= 鬻p 巾) = 器 p ( a o 图2 1 机械噪声的形成过程 f i g 2 1t h ef o r m a t i v ep r o c e s so fm e c h a n i c a ln o i s e 图2 1 中p ( c o ) 为激发力，经机械系统响应，或机械导纳r ( 缈) ，它表示激发力与机 械系统振动间的关系。系统被激起振动速度k ( c a ) 。此动能在机械系统中传递，传递函 数为丁( 缈) 。传递到与空气接触的辐射表面，产生振动速度k ( 缈) 。此表面所接触的空气 受到扰动而转换成压力波。这时辐射效率仃( 缈) 表示振动能转换成声能，产生声压p ( c o ) 。 机械结构的位移响应r ( 缈) 一方面取决于结构本身的刚度，阻尼和质量；另一方面 又决定于激振力的大小，频率和作用点。系统内的传递的数7 ( 国) 则取决于传播途径中 零件材料，形状及各零件问的组合情况。至于将振动转换成空气中声波的振动表面的辐 射效率盯( 彩) 则取决于辐射表面的材料，面积，形状，厚度及支撑条件等参数。 振动表面产生的声压正比于这个表面的振动速度。这是因为被振动表面激发的空气 质点的运动速度应该与振动表面的速度相等，而声压却正比于质点的运动速度。然而人 1 3 大连交通大学t 学硕十学位论文 们通常将振动结构的表面辐射出的声与振动面的加速度联系起来，因为加速度可以直接 测出。 2 2 振动与噪声的一般关系 机械中有噪声便有振动源存在，声强与质点振动速度的2 次方成正比。如果振动频 率为厂，振幅为a ，则振动最大加速度为( 2 n f ) 2 a ，最大速度为( 2 z r f ) a 。这意味着如 1 果振动的能量不变，则其振幅与去成正比。 j 声的辐射能量随声波而异，如果波长比振动面的尺寸大，则辐射能量在辐射面内发 生干扰时与频率的4 次方成正比。如果没有干扰时辐射出的能量与频率的2 次方成正比。 所以低频的声辐射小。即使噪声能量相同，人们对声的感觉在高频时比在低频时大。 振动在固体内传播极快，噪声也随振动而由固体传播。固体传播的噪声称固体噪声。 由空气传播的噪声称空气噪声。物体产生共振时振幅加大，同时产生较大的噪声。 2 3 渐开线直齿圆柱齿轮噪声 2 3 1 齿轮噪声的构成特性 ( 1 ) 按噪声频率特性划分 齿轮噪声中包含有与齿轮本体固有频率和啮合频率( 往往伴有上、下边频) 有关的 两种成分。这两种成分中包含有高次谐波，通常到三次谐波。前者是由齿轮啮合冲击激 发的齿轮本身的固有振动噪声，这种噪声在无负载时尤为明显。后者产生的噪声也即为 齿轮的加速度噪声。它是由于轮齿在齿轮啮合点产生很大的加速度，从而辐射出噪声。 即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 方向突然改变，这样就产生了脉冲力。节点处的脉冲力又称为“节线冲力 ，其大小及 持续时间与齿轮问的传递力、齿面间的摩擦系数以及相对滑动速度的大小有关；再加上 轮齿的弹性变形，制造和安装误差等因素存在，有可能形成“顶刃啮合 ，即当被动轮齿 距或基节大于公称值时，将在被动轮齿顶发生顶刃啮合；而当被动轮齿距或基节小于公 称值时，将在被动轮齿根发生顶刃啮合，以致产生“啮合冲力”，导致噪声。这种啮合 频率成分的噪声在齿轮噪声中占的比重较大。总之，啮合频率产生的噪声主要与齿轮的 转速、齿轮总的误差( 包括安装误差和制造误差) 以及齿轮加载后的变形有关。 ( 2 ) 按噪声在频谱中的位置划分 齿轮噪声包括高频噪声和低频噪声。高频噪声产生的主要原因是齿轮的基节偏差。 在齿轮啮合和分离时，无论是从动齿轮的基节大于主动齿轮的基节，还是从动齿轮的基 1 4 第二章机械噪声j 振动 节小于主动齿轮的基节，均使齿轮每转过一齿就产生一次撞击：高频噪声产生的次要原 因是齿形误差。通常齿轮的齿形误差是中凹的，在同样的误差量下，中凹齿轮在啮合时， 噪声要比鼓形齿大。为了减小啮合噪声，应尽量采用鼓形齿。 低频噪声主要是由齿轮的周节累积误差所引起的，由于频率较低，人的听觉对它感 受不太灵敏，只有当周节累积误差很大时，才会听到较大的“隆隆 声。其次低频噪声 还可由齿轮传动中的磕碰或毛刺摩擦引起，此种噪声杂乱无章，没有规律。因此，齿轮 的噪声主要是高频噪声，即啮合频率的噪声。 ( 3 ) 按噪声性质分 由于在齿轮啮合频率成分的噪声中，还包括有与结构噪声性质不同的空气动力噪 声。因此齿轮噪声又可分为结构振动噪声和空气及液体动力噪声。 结构振动噪声。由于轮齿刚度的周期变化及齿轮各种误差的变化形成了对系统 产生自激振动的激振力，从而引起齿轮周向振动及齿轮轴的弯曲振动，进而产生与啮合 频率对应的齿轮噪声。 齿轮轴的挠曲变化，齿的局部接触，齿轮在轴上的非对称布置等因素将引起齿轮的 周向振动、轴向振动及齿轮径向振动。其中齿轮径向振动对轴承、箱体振动影响最大， 从而构成了噪声辐射能量的主要部分。 固有频率越低的齿轮在同样工况条件下运转所产生的噪声愈高。当齿轮与轴装配在 一起时，齿轮固有频率下降；相同直径、厚度的圆盘和齿轮，因为轮齿的存在，齿轮固 有频率低一些。 液体润滑油喷注产生的噪声，使齿轮激发强烈的高频振动，辐射出噪声，同时 高压油从齿端高速喷射，射流冲击齿轮箱体也会引发啮合频率激励而产生齿频噪声及其 倍频噪声。 2 3 2 齿轮噪声的产生原因和影响因素 齿轮噪声产生的原因，除了齿轮本身的原因以外，还有轴、轴承、箱体以及驱动系 统和执行机构等方面的原因。设计和制造是齿轮噪声产生的主要因素。以下就从齿轮结 构和齿轮误差两方面来阐述影响齿轮噪声的主要因素【9 】。 ( 1 ) 齿轮结构的影响 模数与齿数。由于轮齿刚度的周期变化将引起齿轮周向振动及齿轮轴的弯曲振 动，进而产生与啮合频率对应的齿轮噪声，而轮齿的弯曲强度又与齿轮模数成正比，加 工误