Doctoral Thesis in Machine Design，TRITA-MMK 2008:19
传动故障及轴承预加载对变速箱噪音的影响
Department of Machine Design，Royal institute of Technology
SE-100 44 Stockholm, Sweden
© Mats Åkerblom 2008
摘要：这5个文件都是处理齿轮箱噪音和振动，第1个文件回顾了以往文献关于齿轮箱的噪音和振动的研究。第2个文件描述了一个专为测试齿轮噪音而设计建造的测试台。用有限元分析，预测试验台的动态特性。第3个文件实验研究齿轮精加工方法和变速箱齿轮的偏差影响的理论预测噪声，对被测试设备制造使用三种不同的整理方法。传输错误被认为是一个重要的激励机制，齿轮噪音，测量以及预测。该试验台是用于测量变速箱噪音及不同的振动对测试装置的影响。测得的噪音和振动水平进行比较，预测和实测的传输误差。实验结果大多可以解释和预测传输测量误差项。但是，它似乎并不能够确定一个单一的参数，如测得的峰 - 峰值传输错误。测量结果还显示，拆卸和使用相同的变速箱齿轮副重组可以改变测得噪声和振动.这个发现表明，除了其他因素影响齿轮噪音。第四，调查轴承影响或变速箱噪音和振动预紧力。振动测量均在140牛米和400nm的扭矩水平，用0.15毫米和0毫米轴承间隙，并用0.15 mm轴承预紧力。结果表明，轴承间隙和预紧力影响变速箱的振动。预装轴承，振动增加超过2000转和低于2000转的速度下，相比与轴端间隙轴承。有限元模拟表现出同样的倾向作为测量值。第五本文介绍如何通过优化变速箱噪声为减少传输错误。关于齿轮偏差和不同扭矩的鲁棒性考虑，以便找到一个几何齿轮给予由于制造公差偏差范围内以适当的扭矩，低噪音。静态和动态的传输错误，噪声，振动测量和该齿轮之间的动态传输错误，房屋振动和噪声的相关性研究扫描了速度从500到2500在恒转矩转速。没有相关关系的动态传递误差和噪声。静态加载的传输错误似乎与齿轮副的能力，激发动力系统中的齿轮箱振动相关。
关键词：齿轮，变速箱，噪声，振动，传输错误，轴承预加载。
1 引言
1.1背景
噪音越来越被认为是环境问题。这种观念体现在社会的许多领域中，包括工作环境要求降低噪音水平。在这种噪声环境下不仅会导致员工听力损伤，而且难以集中注意力，生产力也会下降，造成生产事故的风险会增加，生产质量也变得越来越糟糕。一个产品的质量可以被定义为满足客户的需求。这些需求往往随时间而改变，而在市场上最强的竞争对手将设置行业标准。噪音问题也涉及到工程机械的轮式装载机。变速箱有时是噪音的主要来源，如果齿轮噪音并不是最重要的噪音来源，它的纯高频音很容易区别于其他噪声源，噪音导致了一个较差的环境氛围。为了避免噪音，齿轮噪声必须控制在15分贝以下。
表1.1.1法律要求的施工机械噪
表1.1.2客户和市场要求的施工机械噪音
1.2齿轮噪音
变速箱噪声可能是由于负载过大。这种噪音齿轮通常被称为“齿轮哀鸣”，并包括在高频率所对应的齿轮啮合频率和倍数，这是已知的纯色调为主的谐波。一个与齿轮啮合频率相同的频率音调被指定为谐波齿轮啮合，一个频率音调的两倍齿轮啮合频率被指定为二次谐波，依此类推。术语“谐波齿轮啮合”指的是齿轮啮合频率。变速箱错误（TE）被认为是重要的激励机制对于齿轮哀鸣。Welbourn定义变速箱错误“输出齿轮的实际位置和齿轮传动能完美结合的位置之间的差异。”传输错误可能表现为角位移或点线位移。传输错误是由变形，几何误差和几何变动引起的。对于齿轮哀鸣，其他可能产生噪声的原因，包括在无负载的情况下轮齿之间的碰撞，自动变速箱轴承产生的噪音，噪音也可以由内部生成的油泵和离合器产生。在此项工作中这些问题没有得到处理，现在“齿??轮噪音”或“齿轮箱噪音”都指“齿轮哀鸣”。奥尔登 描述了三部分组成的变速箱噪音的产生过程：激发，传播和辐射。噪声的来源是齿轮啮合，其中振动产生（激励），主要是由于传输错误。传输通过齿轮，轴和轴承。该震动，使周围的空气都作为噪声（辐射）感知压力的变化。齿轮噪音可以通过改变任何这三种机制之一。本论文主要涉及激励，但传输故障也是在文献中关于动态模型统计调查组讨论在文件B中.轴承预紧力影响的差异像轴承刚度和阻尼的动态特性，这些属性也影响了变速箱外壳的振动。[1-2]
1.3目标
本论文的目的是帮助了解有关变速箱噪声的知识。以下具体领域将是本研究的重点： 1.齿轮的加工方法和齿轮噪音的降低，变速箱振动的误差影响。 2.齿轮之间的偏差相关性，预测传输错误，传输测量误差和变速箱噪音。3. 轴承预加载对变速箱噪声的影响。4.齿轮传输错误的几何优化，同时考虑到齿轮扭矩和制造公差。
2 工业应用 - 传输降噪
2.1简介
本节简要介绍了减少从轮式装载机传动齿轮的噪音。其目的是展示如何在文件中所述的齿轮结构优化应用在工业中。作者是“噪音工作队”的队长，并进行了齿轮的优化。一种发展要求为轮式装载机新的自动功率就是提高传动齿轮的噪音。现有的变速箱功率被认为是嘈杂的。当在四档高速驾驶，可听到高频齿轮哀鸣。因此，现在有改善音质的要求。变速箱由一个扭矩整流器，带有四个前进速度和四个倒转速度，升降梭箱是一个集成了四个转移功率到输出轴齿轮链组成。所从事的齿轮由湿式多盘由液压传动和控制系统驱动离合器。此液压系统油是由内部提供的石油输入轴驱动泵[1-2]。
2.2齿轮传动噪声的新目标
经验表明，高频齿轮噪音至少应为15分贝以下，如发动机等噪声源分贝，以免被视为干扰或噪音。测量值表明，如果齿轮噪音可降低10分贝，这个标准应该满足于一定的余量。频率在驾驶室测量的噪声分析表明，从传输主要的噪音从投寄箱齿轮起源。对传输噪声的目标是这样表述为如下：“齿轮噪音在传输的升降梭箱齿轮（声压级）应10分贝下降相比，以现有的传输不被视为不愉快的感觉。”位置在投寄箱齿轮。有人认为有必要使这两个齿轮和变速器壳体发生变化，以减少齿轮噪音控制在10分贝以下的声压水平[2]。
图2.2.1轮式装载机产生噪音的齿轮箱齿轮位置
2.3噪声和振动测量
为了建立一个新的传输参考，噪音和振动测量的现有传输。传输是由相同的柴油发动机在轮式装载机的类型。发动机和变速器连接到使用相同的立场是在一个橡胶轮式装载机使用，以使安装尽可能类似的安装在轮式装载机坐骑。输出轴制动采用电气制动。
2.4优化齿轮
噪音优化的升降梭箱齿轮的设计选择宏观和微观给予低于原（参考）齿轮传动误差。齿轮的几何形状是选择产量为相关的扭矩范围低传输错误，同时也将在微观几何形态由于制造公差考虑到变化。一对齿轮的优化是描述纸张E.传输错误被认为是重要的激励机制齿轮哀鸣更多的细节。 Welbourn [1]定义在这个项目它的目的是减少传输的最大预测在齿轮啮合误差幅度为“输出齿轮的实际位置与齿轮传动完美结合的位置差异。”频率（首先是齿轮啮合频率谐波）小于50的参考齿轮副。对传输错误第一谐波是总传输错误的一部分，其频率等于齿轮啮合频率变化幅度。扭矩范围100至500牛顿米的选择，因为这是扭矩区间，其中齿轮副在其设计中的应用产生的噪音。据Welbourn，在传输错误减少50％，可以预计将减少6分贝（声压级，SPL）变速箱噪音。传输错误计算自民党软件（负载分配方案）在实验室开发的齿轮在俄亥俄州立大学。“优化”是没有严格的数学。该设计进行了优化，通过计算不同几何形状的传??输错误，然后选择一个几何这似乎是一个很好的妥协，不仅考虑传输错误等因素，还得考虑损失，重量，成本，对轴承的轴向力和制造的影响。当选择微观几何形态修改和公差，重要的是要考虑选择和制造成本。我们的目标是要利用作为参考齿轮优化的齿轮精加工方法相同，即使用一个VAS 531和CBN涂层磨轮。输入特定的扭矩和齿轮转速，它可以定义一个齿轮微观几何形态的最大限度地减少传输错误。例如，在无负载，如果没有错误，没有其他球场几何偏差，齿的齿轮渐开线形状应是真实的，没有像尖或渐开线修改。对于一个特定的扭矩，在齿轮几何设计应以这样一种方式，它在挠度与在齿轮啮合刚度变化差异进行补偿。然而，即使有可能确定最佳齿轮微观几何形态，它可能无法制造，鉴于齿轮加工的局限性。还必须考虑如何在指定的图纸和如何衡量在验机的齿轮几何。在许多应用中也有一个以上的扭矩范围传输错误应尽量减少。由于制造公差是不可避免的，而且为更小的公差要求导致制造成本较高，这是很重要的齿轮是很大的。换句话说，重要的特征，在这种情况下传输错误，必须变化不大时，扭矩是多种多样的，或当齿轮微观几何形态变化由于制造误差。LDP是用来计算传输错误参考和不同层次优化扭矩齿轮副，由于制造公差的偏差灵。而“最小，最大，水平”的方法包括三个层次分配给每个参数[2-3]。
图2.4.1未优化齿轮（左）优化齿轮（右）
图2.4.2谐波传动误差的预测和齿轮几何优化
表2.4.1齿轮微观几何形态的偏差分
图2.4.3考虑表2.4.1偏差时的谐波传动误差预测和齿轮优化
2.5优化传输
有限元分析用于优化传输。优化是在不进行严格的数学方法，但通过计算不同几何形状的壳体震动，然后选择一个几何形态，这似乎是一个很好的妥协。振动不是唯一要考虑的，重量，成本，可用做空间，铸造进行了审议。一个简化的壳单元模型进行优化，以减少计算时间。这种模式是核对更详细的壳体实体单元模型，以确保简化并没有改变太多的动态特性。实验模态分析也被用来寻找真正的变速器壳体的固有频率，并确保该模型并没有偏离实际外壳。齿轮分别为轴和齿轮，梁建模轴承太多，通过在轴承位置的频率范围内的力量，从1000到3000赫兹。幅度被选为10％从齿轮静载荷。这种选择可能是合理的，因为只有相对差异的利益，而不是绝对值。有限元分析是由罗多约翰森沃尔沃的技术。作者的贡献是选择了不同的测量点。数量评价结果分别在高振动速度的地区选择。在每个测点的振动响应，由于激励被认定为功率谱密度（PSD）的图形。齿轮箱重新设计的目标是减少在频率范围1000至3000赫兹的所有测点的振动[4]。
图2.5.1优化前的模型（左）优化后的模型（右）
2.6噪声测量的结果
噪声和振动测量在2.3节中描述了进行优化后的齿轮和变速器外壳。声音降低了4分贝。
图2.6.1优化前测得的噪音（左）优化后测得的噪音（右）
2.7讨论和结论
这似乎是可以通过减少静态加载的传输错误和/或优化该传动齿轮的噪音。在本研究中，要回答这个问题将需要有一个更大的噪音测量，但时间和成本问题排除了这一点。它也有很有趣执行的传输次数的噪音测量，优化前和优化后的齿轮，以确定的传输噪声。即使在10分贝降低齿轮噪音的目的没有达到，减少在轮式装载机驾驶室齿轮噪音低于15分贝实现噪音的总体目标。因此，噪音优化成功。
3 补充论文摘要
3.1 齿轮噪音和振动
本文介绍了对齿轮噪音和振动的文献概述。它分为三段处理传输错误，动态模型，以及噪声和振动测量。传输错误是一个齿轮噪音和振动的重要激励机制。这是定义为“之间的输出齿轮的实际地位和它的位置差异如果将占据了绝对的齿轮传动共轭”[1]。文献调查显示：虽然大多数作者同意，传输错误是一个重要的激励机制齿轮噪音和振动，它不是唯一的一个。其他可能随时间变化的噪声激励机制包括摩擦和弯矩。这些机制可能产生的噪音是同一数量级顺序产生的传输错误，至少在情况下，他与低传输错误齿轮。与齿轮箱的动态建模的文件涉及第二部分。动态模型通常用来预测齿轮引起振动和调查的变动的影响齿轮，轴，轴承和齿轮箱。文献调查显示，动态模型系统的齿轮，轴，轴承和齿轮箱外壳组成，可以理解有用和预测的变速箱的动态行为。对于相对简单的齿轮系统，集总参数与弹簧，粘性阻尼动态模型都可以使用。对于更复杂的模型，包括为变速箱壳体，有限元等元素.造型经常被使用。该文件的第三部分涉及噪音和振动测量和信号分析，这是用来实验调查时齿轮噪音。调查显示，这些都是有用的工具，齿轮噪音实验调查，因为在特定的齿轮制造噪音关系到牙齿的数量和齿轮的转速频率。[1-4]
3.2齿轮噪音和振动试验台测试圆柱齿轮。
描述了噪声测试试验台的齿轮。该钻机是循环功率型和两个相同的连接有两个万向节传动轴的变速箱，组成。扭矩是由围绕应用其倾斜轴之一的变速箱。这种倾斜成为可能，齿轮箱之间的支架及配套轴承。液压缸产生的倾斜力。
有限元分析是用来预测自然频率和个别部件和完整的变速箱模式形状。实验模态分析进行了变速箱的该，结果表明，FE预测与实测频率（误差小于10％）相同。而完整的变速箱有限元模型也被用于在谐波响应分析。正弦力是应用在齿轮啮合和在该点上对应的变速箱振动幅度进行了预测。[4-5]
3.3 齿轮噪音和振动的研究
该报告提交一份详尽的整理方法和变速箱齿轮噪音和振动齿轮偏差影响的实验研究。测试齿轮被制造使用三种不同的整理方法与不同偏差。 Table3.3.1给出了测试装置。在表面处理和齿轮齿面的几何形状进行了测量。传动误差测量采用单侧面齿轮测试仪。自民党从俄亥俄州立大学的软件被用于传输错误计算。该试验台在纸张B中描述了用于测量变速箱噪音及不同的测试装置和振动。测量结果表明，拆卸和使用相同的变速箱齿轮副重组可能会改变测得的噪声和振动水平。重建的变化，有时是不同的数量级之间的差异对测试设备的顺序相同，这表明，除了其他因素影响齿轮噪音。在一个设计上的齿轮噪音，奥斯瓦尔德等人的研究。报道重建的同一数量级的变化。不同的齿轮精加工方法产生不同的表面处理和结构，以及不同的几何形状和偏差的齿轮齿面，所有这些都影响到传输错误，从而改变变速箱的噪音水平。实验结果可以解释大部分的测量和计算传输误差项。预测之间的峰 - 峰值传输错误和500 Nm的扭矩测量噪音水平的关系如图3.3.1。似乎有计算之间传输错误和噪音，除了齿轮副.所有情况下有很强的相关性，这种相关性分解，如图3.3.2，其中显示之间的关系预测峰峰值传输错误和噪音测量扭矩水平的140牛米。最后的结论是，它可能无法确定一个单一的参数，如峰值到峰值传输错误，可直接测得噪声和振动。[5]
表3.3.1概述不同的测试齿轮副
图3.3.1测量噪声之间的关系计算在500牛米下的齿轮传动误差用最小二乘方法拟合
图3.3.2测量噪声之间的关系计算在140牛米下的齿轮传动误差
3.4变速箱噪音和振动 - 轴承预加载的影响
轴承的轴端间隙或变速箱噪音和振动的影响，预加载在纸张D.测量进行了调查，在测试的螺旋齿轮副，轴，圆锥滚子轴承，变速箱组成。振动测量了在140牛米和400 Nm的扭矩水平0.15毫米和0毫米轴承轴端间隙和0.15 mm轴承预紧力。结果表明，轴承间隙或预紧力的影响变速箱的振动。相比与轴端间隙轴承，轴承显示预装在超过2000转和2000转的速度低于减少振动的速度增加。在第一次测量，并没有拆卸变速箱或从试验装置拆除。只有轴承预紧/ 轴端间隙改为从0毫轴端间隙/过载 0.15毫米预紧力。因此两者之间的测量差异纯粹是基于不同的轴承预紧力。由Sellgren和Åkerblom执行FE模拟显示为测量相同的趋势在这里。对于测试变速箱，似乎轴承预紧力比轴端间隙，在低于2000转时减少了振动，速度超过2000转时增加了振动，应至少在140 Nm的扭矩水平下。[6]
图3.4.1测量齿轮箱体振动在0-0.15毫米轴承预加载在140 Nm
3.5 齿轮几何形状对减少齿轮箱故障和噪声的作用
齿轮形状的几何优化减少了齿轮箱的噪音和传动故障。齿轮几何优化不严格执行数学上的规则。它是通过计算不同几何形状的传??输错误，然后选择一个几何形状这似乎是一个很好的折衷考虑，不仅对传输错误，还包括其他重要特征。关于齿轮偏差和不同扭矩的考虑是为了寻找合适的齿轮几何形状以降低传输错误。静态和动态传输错误以及噪音和振动测量。动态传输错误，齿轮箱振动和噪声的相关性研究中，从500到2500在恒转矩转速的速度扫描。没有相关关系的动态传递误差和噪声。[5-6]
图3.5.1测量在140 Nm下谐波动态传动误差及变速箱箱体振动和噪声
4讨论与结论
静态加载的传输错误似乎于变速箱噪音有很大关系。在这些调查中动态传输错误似乎并没有被扫描到于变速箱噪音有关。Henriksson发现在动态传输错误和相关变速箱噪声测试时，以固定的速度和不同程度的扭矩下的变速箱。不同的测试条件下，速度与恒速扫描，以及不同的复杂性（相对于一个完整的卡车变速箱简单测试变速箱）可以解释关于不同的结果相关性的动态传输错误和变速箱噪音。轴承预紧力的影响变速箱的噪音，但它是不可能出任何一般性发言关于是否预紧比轴端间隙更好。答案取决于频率和其他组件在复杂的齿轮，轴，轴承，动力系统，齿轮箱外壳。为了尽量减少噪音，变速箱应尽可能设计的严格。这是由Rook和他的观点是支持有关的传输优化结果在2.5节中。有限元分析是一种有用的工具来优化变速箱外壳。[7-8]
5未来研究
这将是有趣的调查动态传输错误和变速箱为一个完整的轮式装载机传动噪声的相关性。一个挑战将是衡量传输错误尽可能接近的齿轮，并避免在齿轮和编码器之间的连接共振。在一个典型的轮式装载机的升降梭箱传动齿轮可能是最容易使用的光学编码器测量。造型更繁杂的变速器可能是另一种对未来工作的挑战。一种方法是使用齿轮，轴，并以此作为激励的传输错误轴承模型。这可能是一个有限元模型或者多体系统模型。从这个模型的输出将在轴承位置的力。可以被用来激发的有限元模型。该模型可以用于预测在对变速箱的附着点的噪声辐射，和/或振动。这种做法将是绝对值，而不仅仅是相对水平。
图5.1.1轮式装载机传动位置可用光学编码器来测量齿轮箱齿轮静态和动态传动误差
参考文献
[1] Welbourn D. B., “Fundamental Knowledge of Gear Noise ??A Survey”, Proc. Noise & Vib. of Eng. and Trans., I Mech E., Cranfield, UK, July 1979, pp 9–14.
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[3] Ohio State University, LDP Load Distribution Program, Version 2.2.0,http://www.gearlab.org/ , 2007.
[4] Borner J., and Houser D. R., “Friction and Bending Moments as Gear Noise Excitations”,SAE Technical Paper 961816.
[5] Oswald F. B. et al., “Influence of Gear Design on Gearbox Radiated Noise”, Gear Technology, pp 10–15, 1998.
[6] Sellgren U., and kerblom M., “A Model-Based Design Study of Gearbox Induced Noise”, International Design Conference – Design 2004, May 18-21, Dubrovnik, 2004.
[7] Henriksson M., “Analysis of Dynamic Transmission Error and Noise from a Two-stage Gearbox”, Licentiate Thesis, TRITA-AVE-2005:34 / ISSN-1651-7660, Stockholm, 2005.
[8] Rook T., “Vibratory Power Flow Through Joints and Bearings with Application to Structural Elements and Gearboxes”, Doctoral Thesis, Ohio State University, 1995.