基于噪声传递原理对齿轮箱噪声控制方法研究

珠海格力电器股份有限公司 覃德华

基于噪声传递原理对齿轮箱噪声控制方法研究

珠海格力电器股份有限公司 覃德华

齿轮箱是利用不同齿轮之间的联合来达到动力的不同阶级与方式传输过程的重要路径。在齿轮联合过程中由于摩擦、震动、撞击等原因会产生各种噪声。这种噪声严重的影响了机械设备的使用效果，同时过量的噪声会都机械周围的环境造成一定的污染。目前，通过各种方式，如润滑系统等对噪声的产生途径进行了控制研究，取得了一定的成绩。本文主要从齿轮箱内部噪声的传递原理入手研究噪声产生与扩大的原理。并基于研究内容对齿轮箱进行适当的改造以降低齿轮箱外噪声污染的目的。希望为今后的工作与研究提供理论基础。

噪声传递；齿轮箱；噪声控制

1.引言

本文主要对前人的研究结论进行总结与分析，基于现有针对齿轮箱噪声传递的多动体力学、系统动力学模型、声学边界元等理论基础进行实验与设计研究。主要在齿轮箱噪声传递与预测模型的基础之上对现实齿轮箱的传声向量以及齿轮箱的噪声贡献率入手，找到齿轮箱噪声污染与齿轮箱内部噪声传递的相关关系，并系统分析其形成原因，进而对齿轮箱进行改造与优化，以达到降低其噪声的目的。并基于模拟实验的方式来认证优化方案的有效性。

2.齿轮箱传声向量与齿轮箱噪声贡献率1000

2.1 齿轮箱传声向量

本文研究齿轮箱为机械齿轮箱，箱体密度不均因，无法拟合成双向向量传递模式，因此对齿轮箱传声向量的确定与计算是根据边界元方法进行的，在此方法中认为声音的传递与声音的扰动大小无关，紧与传递的参与体以及振动体有关。因此，可以将噪声的传递看作是从发生点到感应点之间的越障碍传输过程。在障碍（齿轮箱，下同）恒定的情况下，二者的强度可以构成明显的线性关系。其系数至于障碍的物理属性有关，具体的关系参数包括了性状、材料（密度、总类等）、表面处理（单面阻尼、隔音材料、防震动材料等）、传递尖端（场点）、震动属性等。

具体计算公式如下：

在公式中P表示在该向量的垂直方向的压力，V则表示在该向量的垂直方向的速度。其他付号为物理学与统计学常用意义。其中密度指标为齿轮箱内润滑剂密度，当无润滑剂时为空气密度。

将声音传递模拟为三围的椎体传输体系，并假设齿轮箱内壁光滑且无隔声与吸声物质覆盖，在此情况下，可取值为1/2.将上述公式进行化简得出：

将声音强度以单位向量发现方向的声压进行带入得到：

由此可见，齿轮箱噪声大小与其传播向量法线方向的声压大小与速度成正比线性关系。通过对声音向量与噪声的关系的理论推倒可以发现，齿轮箱的噪声大小在设定障碍的情况下仅与噪声传递到障碍的压力与速度有关。这位后期的齿轮箱优化以及具体的贡献大小提供了理论依据。

2.2 齿轮箱噪声贡献率

噪声大小的表现方式表现为齿轮箱的整体声功率以及齿轮箱内部的噪声对齿轮箱的向量压力大小。因此，本文针对齿轮箱噪声贡献率的研究分如下两个方面进行：

（1）齿轮箱声压贡献率

齿轮箱对噪声声压的贡献率表现为齿轮箱的传声接点对声压的放大作用。根据边界元理论，传声节点中的声压强度可以表现为：

其中N为齿轮箱的传声节点数目；ATV为齿轮产生的噪声强度、其他符号与上文相同。

声压强的贡献率可以采用（总体压强-原始压强）/原始压强*100%来表示。因此，声压贡献率可以表示为：

由上文公式可以看出在原始噪声传输过程中恒定声压不便的情况下，齿轮箱的声压贡献率与节点数目成正比关系。

（2）齿轮箱声功率贡献率

面板声压贡献量只能表征面板对声场中某特定点的声压贡献量，无法对整个声场的声学贡献量进行有效表征。为了从整体上研究面板对整个声场的声学贡献量，需要进行面板声功率贡献量分析。声源在单位时间内发射的总能量称为声源功率，对于在自由空间中传播的平面声波可以用下式表示：

由此可以看出齿轮箱对声功率的贡献主要与齿轮箱的震动属性相关。其中震动属性与齿轮箱的材质、温度、表面覆盖材料等相关。

3.基于噪声传播理论的齿轮箱优化方案

由上文的分析可以得出，齿轮箱的噪声传播对齿轮噪声具有一定的放大功能。此种放大功能主要表现为对单位节点内的声压的放大以及对噪声声功率的放大作用。放大效果的主要影响因素为齿轮箱的传声节点数目以及齿轮箱的材质与表面覆盖有关。基于此种结论对齿轮箱的优化改造主要可以从齿轮箱材质以及尺寸方面入手，同时可以采用隔音与防震动材料的覆盖来达到较好的降低噪声的目的。具体的齿轮箱优化方案如下：

3.1 基于齿轮箱的节点降低的改进方案

根据声物理以及经典物理的相关理论可以发现，传声节点主要出现在尖角部分，因此基于节点降低的理论分析可以将齿轮箱的内部尖角的数目进行降低。降低的方式主要有两个方面：一方面是将齿轮箱整体外壁进行抛光打磨处理，使其表面光滑，进而降低非意愿的传声节点的出现。另一方面是针对齿轮箱的内部几何性状进行优化，将尖角部分以圆角进行代替。不可进行圆角或者不方便进行圆角改造的部分（齿轮箱外部）应隔音材料进行覆盖。达到整体降低齿轮箱传声节点的目的，进而达到降低齿轮箱噪声的目的。

3.2 基于震动原理的改进方案

齿轮箱的噪声扩大主要是由于齿轮箱的震动属性所决定的。在实际的操作与实验中我们发现，齿轮箱的承重面主要是由加厚的铸铁等材料进行完成的，其震动系数较低，因此对噪声不具备扩大的效果，相反对齿轮箱的噪声具有较强的吸收功能。因此，本文主要通过对齿轮箱非承重面进行加厚的方式进行优化。通过对齿轮箱非承重面进行加厚，降低其在噪声传播过程中的震动效应，进而降低其多噪声的贡献率。.

3.3 基于隔音材料与传声面积的改进措施

由于隔音材料的添加能够较好的降低齿轮箱的噪音传播，因此在齿轮箱表面添加隔音材料是一种较好的选择。但是，齿轮在转动的过程中会产生大量的热量，往往依赖于齿轮箱进行部分的散热，因此隔音材料的添加还需要考虑其可操作性。本文考虑到齿轮箱内壁与齿轮的距离越大其噪声辐射面积越大的原理，对齿轮箱的内部空间进行了压缩，并在齿轮噪声产生节点的辐射面积内进行部分隔音材料的添加。隔音材料的覆盖面积不超过全部面积的30%。在不影响箱体散热的情况下，有效的降低了齿轮箱的噪音。

4.不同齿轮箱优化方式对噪声降低的比较

基于如上的三种改进方式以及齿轮箱的原设计方式在不同的噪音分贝下进行定点的噪音测试。通过噪音测试的结果来表征优化设计的可行性。具体的实验结果如下：

表1 不同齿轮箱优化方式对噪声降低的比较表

由表1可以看出齿轮箱原型对机械噪声具有一定的加强功能，加强的平均幅度为9.4%。其他优化方案均对噪声有不同程度的降低，其中三方案联合的优化模式降低效果最佳，其平均降低幅度达到56.2%，能够起到较好的降低噪声的效果。而在三种分别的优化方案当中，按顺序其降低效果分别为14.1%，14.3%，30.4%。其中优化方案一即基于隔音材料与传声面积的改进措施效果最佳。

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覃德华（1980—），男，广东珠海人，现供职于珠海格力电器股份有限公司家电技术研究院，研究方向：小家电设计开发。