微穿孔腹板面齒輪降噪結(jié)構(gòu)及其降噪結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】一種微穿孔腹板面齒輪降噪結(jié)構(gòu)及其降噪結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，屬于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)降噪【技術(shù)領(lǐng)域】。該結(jié)構(gòu)包括一種帶有微穿孔的面齒輪腹板結(jié)構(gòu)和帶有共振空腔的特殊箱體結(jié)構(gòu)，上述兩者之間可形成亥姆霍茲共振器吸聲結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到吸聲降噪的目的。在確定的工況下，得到面齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的主要噪聲頻率，即箱體的輻射噪聲頻率，再以微穿孔板理論為基礎(chǔ)即得到微穿孔腹板的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
【專利說(shuō)明】微穿孔腹板面齒輪降噪結(jié)構(gòu)及其降噪結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種微穿孔腹板面齒輪降噪結(jié)構(gòu)及其降噪結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，屬于齒 輪傳動(dòng)系統(tǒng)降噪【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 齒輪是機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域重要的傳動(dòng)零件，具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和傳動(dòng)比穩(wěn)定等優(yōu) 點(diǎn)。然而，齒輪傳動(dòng)過(guò)程中不可避免會(huì)由于系統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲。隨著工業(yè)的發(fā)展，噪 聲污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，噪聲不僅影響齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)，而且有損于人的身心健康。
[0003] 其中與圓柱齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)空間正交傳動(dòng)的齒輪稱為面齒輪，如圖1。與錐齒輪 傳動(dòng)相比，面齒輪傳動(dòng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：面齒輪傳動(dòng)比錐齒輪傳動(dòng)具有較大的重合度；空載 條件下可以達(dá)到1. 6-1. 8 ;小齒輪為直齒圓柱齒輪時(shí)，小齒輪上無(wú)軸向力作用；這樣可以簡(jiǎn) 化支撐，減小系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重量；小齒輪為漸開線齒輪時(shí)，不同的瞬間的嚙合公法線不改變方 向，對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)極為有利；面齒輪傳動(dòng)為定比傳動(dòng)，而點(diǎn)接觸錐齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比則是在一 定范圍內(nèi)波動(dòng)，因此面齒輪傳動(dòng)的振動(dòng)和噪聲均小于錐齒輪傳動(dòng)；面齒輪嚙合的齒輪為漸 開線圓柱齒輪，其軸向移動(dòng)誤差對(duì)傳動(dòng)性能沒(méi)有影響，其它方向的影響也極小，無(wú)需防錯(cuò)設(shè) 計(jì)，而在錐齒輪傳動(dòng)中，其軸向誤差將引起嚴(yán)重偏載，因此重要的錐齒輪傳動(dòng)，必須進(jìn)行防 錯(cuò)設(shè)計(jì)。面齒輪在機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價(jià)值，如應(yīng)用在直升機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)中，可使直 升機(jī)主減速器重量減輕40%，噪聲降低10%，從而大大改善直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)性能。
[0004] 面齒輪傳動(dòng)主要應(yīng)用于直升機(jī)主減速器的第一級(jí)，屬于大功率、高轉(zhuǎn)速齒輪傳動(dòng)， 其噪聲問(wèn)題尤為嚴(yán)重，噪聲抑制方法研宄是面齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)研宄的重要內(nèi)容。在普通齒輪 傳動(dòng)降噪領(lǐng)域，周調(diào)彪發(fā)明了一種齒輪嚙合機(jī)構(gòu)（專利號(hào)：CN 203285952 U)，通過(guò)在軸孔 上設(shè)置至少兩個(gè)鍵槽使傳動(dòng)更平穩(wěn)，設(shè)置非金屬材料層以及不同形狀的孔、槽，使其結(jié)構(gòu)不 對(duì)稱以改變振動(dòng)狀態(tài)，從而降低齒輪噪聲輻射效率，但針對(duì)的是普通齒輪傳動(dòng)。沙賓賓等 發(fā)明了變速器殼體降噪結(jié)構(gòu)（專利號(hào)：CN 201651249 U)，通過(guò)在變速器殼體上布置多道加 強(qiáng)筋改善其整機(jī)振動(dòng)特性，減小了齒輪噪聲的傳遞，從而降低了傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲、改善整機(jī)振 動(dòng)，但是增加了箱體質(zhì)量。
[0005] 由于現(xiàn)有的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)降噪技術(shù)都是通過(guò)抑制振動(dòng)來(lái)達(dá)到降低噪聲的目的，并 且面齒輪傳動(dòng)方式特別，應(yīng)用于面齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲抑制方法尚未全面形成，因此迫切 需要發(fā)明一種針對(duì)面齒輪傳動(dòng)的降噪方法和實(shí)現(xiàn)方法，從而抑制面齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于聲學(xué)原理并具有降噪功能的面齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，主要解決面齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲抑制問(wèn)題。
[0007] -種具有降噪功能的面齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括面齒輪傳動(dòng)箱體、通過(guò)第一輸出 軸軸承座和第二輸出軸軸承座安裝于面齒輪傳動(dòng)箱體內(nèi)的輸出軸、安裝于輸出軸上的面齒 輪、通過(guò)輸入軸軸承座安裝于面齒輪傳動(dòng)箱體中的輸入軸、安裝于輸入軸上并與面齒輪實(shí) 現(xiàn)嚙合傳動(dòng)的圓柱齒輪；其特征在于：上述面齒輪為微穿孔腹板面齒輪結(jié)構(gòu)，在其腹板上 布有若干微穿孔，微穿孔直徑為毫米級(jí)；同時(shí)與面齒輪背面相對(duì)應(yīng)的齒輪箱內(nèi)壁面上具有 圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，該圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)使得面齒輪背面與齒輪箱之間形成亥姆霍茲共振腔結(jié)構(gòu)，面齒 輪背面與箱體內(nèi)壁的距離即為共振腔深度；從而由微穿孔腹板面齒輪和帶有亥姆霍茲共振 腔的齒輪箱體形成亥姆霍茲共振器吸聲結(jié)構(gòu)，達(dá)到吸聲降噪的目的。
[0008] 上述的具有降噪功能的面齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于：上述微穿孔腹板面齒輪結(jié) 構(gòu)具體為以下兩種方式之一：方式一：直接在普通面齒輪的腹板上打微小通孔，小孔深度t 即等于面齒輪腹板厚度；方式二：由兩層結(jié)構(gòu)組成，第一層結(jié)構(gòu)上均勻地分布η個(gè)同樣形狀 的扇形槽，使之形成輪輻式面齒輪結(jié)構(gòu)；第二層結(jié)構(gòu)在與上述扇形槽對(duì)應(yīng)處具有微穿孔，小 孔深度t即為第二層結(jié)構(gòu)的厚度，二者之間通過(guò)螺栓連接。
[0009] 上述的具有降噪功能的面齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于：上述齒輪箱內(nèi)壁面上的圓 環(huán)狀結(jié)構(gòu)具體為以下兩種方式之一：方式一：所述圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)為箱體內(nèi)壁上的一圓環(huán)狀的 凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，其與箱體為同一構(gòu)件；方式二：所述圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)為單獨(dú)部件，通過(guò)磁鐵或螺栓與 箱體內(nèi)壁固連在一起。
[0010] 上述的具有降噪功能的面齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的降噪結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，其特征在于包 括以下過(guò)程：
[0011] 步驟1、參考錐齒輪減速器的規(guī)范和要求設(shè)計(jì)單級(jí)面齒輪傳動(dòng)的基本參數(shù)；步驟 2、根據(jù)特定工況（即面齒輪傳動(dòng)副工作時(shí)的輸入轉(zhuǎn)速和輸入功率），利用面齒輪傳動(dòng)系統(tǒng) 動(dòng)力學(xué)的分析方法求解出面齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的軸承動(dòng)載荷F(t)，即箱體所受到的激勵(lì)力；步 驟3、將F(t)施加到齒輪箱軸承座的中心位置上，利用有限元軟件，分析得到箱體表面節(jié)點(diǎn) 的時(shí)域振動(dòng)響應(yīng)速度V (t)，并通過(guò)傅里葉變換得到頻域的速度響應(yīng)v(f);步驟4、建立面 齒輪傳動(dòng)箱體的邊界元模型，并導(dǎo)入邊界元軟件，以上一步的頻域速度響應(yīng)v(f)為邊界條 件，通過(guò)仿真分析得到箱體內(nèi)部輻射噪聲頻譜，從而根據(jù)頻譜圖得到箱體輻射噪聲的主要 頻段，以其中心頻率作為共振吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率f；;步驟5、設(shè)定吸聲結(jié)構(gòu)共振時(shí)預(yù)期的 最大吸聲系數(shù)為代入式（2)計(jì)算得到微穿孔板結(jié)構(gòu)的相對(duì)聲阻抗r;步驟6、根據(jù)共振 頻率f；和相對(duì)聲阻抗r，再由式（3)和式（7)聯(lián)立得到吸聲結(jié)構(gòu)的低頻和高頻極限頻率f\、 f2，代入式（6)計(jì)算得到微穿孔板的相對(duì)聲質(zhì)量m;步驟7、由式（10)、（11)和（13)，并且代 入穿孔板厚度t、面齒輪背面與箱體內(nèi)壁之間的距離D、相對(duì)聲阻抗r和相對(duì)聲質(zhì)量m以及 吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率f；，求解得到微穿孔板常數(shù)Λ，進(jìn)而由式（12)計(jì)算得到微穿孔板的穿 孔直徑d ;步驟8、由式（9)，代入相對(duì)聲質(zhì)量m、微穿孔板常數(shù)Λ、穿孔直徑d以及面齒輪腹 板厚度t，計(jì)算得到穿孔率〇 ;步驟9、根據(jù)上述步驟求得的參數(shù)相對(duì)聲阻率r和相對(duì)聲質(zhì) 量m，以及已知空腔深度D代入式（1)，以頻率f為變量計(jì)算得到吸聲系數(shù)α的變化曲線， 即結(jié)構(gòu)的理論吸聲效果；由以上步驟，從而確定微穿孔腹板面齒輪的降噪結(jié)構(gòu)參數(shù)：穿孔 直徑d、穿孔率 〇以及理論吸聲系數(shù)α ;
[0012] 上述步驟所用公式如下：
[0013] 微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)由下式給出
[0014]

【權(quán)利要求】
1. 一種具有降噪功能的面齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括面齒輪傳動(dòng)箱體（5)、通過(guò)第一輸 出軸軸承座（3)和第二輸出軸軸承座（8)安裝于面齒輪傳動(dòng)箱體（5)內(nèi)的輸出軸（4)、安裝 于輸出軸（4)上的面齒輪、通過(guò)輸入軸軸承座（10)安裝于面齒輪傳動(dòng)箱體（5)中的輸入軸 (11)、安裝于輸入軸（11)上并與面齒輪實(shí)現(xiàn)嚙合傳動(dòng)的圓柱齒輪（1);其特征在于： 上述面齒輪為微穿孔腹板面齒輪結(jié)構(gòu)，在其腹板上布有若干微穿孔，微穿孔直徑為毫 米級(jí)；同時(shí)與面齒輪背面相對(duì)應(yīng)的齒輪箱內(nèi)壁面上具有圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，該圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)使得面 齒輪背面與齒輪箱之間形成近似封閉的亥姆霍茲共振腔結(jié)構(gòu)，面齒輪背面與箱體內(nèi)壁的距 離即為共振腔深度；從而由微穿孔腹板面齒輪（2)和帶有亥姆霍茲共振腔的齒輪箱體（5) 形成亥姆霍茲共振器吸聲結(jié)構(gòu)，達(dá)到吸聲降噪的目的。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有降噪功能的面齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于： 上述微穿孔腹板面齒輪結(jié)構(gòu)具體為以下兩種方式之一： 方式一：直接在普通面齒輪（12)的腹板上打微小通孔，小孔深度t即等于面齒輪腹板 厚度； 方式二：由兩層結(jié)構(gòu)組成，第一層結(jié)構(gòu)上均勻地分布η個(gè)同樣形狀的扇形槽，形成輪輻 式面齒輪（13)結(jié)構(gòu)；第二層結(jié)構(gòu)為薄金屬板，并在與上述扇形槽對(duì)應(yīng)處具有微穿孔，小孔 深度t即為此微穿孔薄金屬板的厚度，二者之間通過(guò)螺栓連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有降噪功能的面齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于： 上述齒輪箱內(nèi)壁面上的圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)具體為以下兩種方式之一： 方式一：所述圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)為箱體內(nèi)壁上的一圓環(huán)狀的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，其與箱體為同一構(gòu) 件； 方式二：所述圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)為單獨(dú)部件，通過(guò)磁鐵（7-1)或螺栓（7-2)與箱體內(nèi)壁固連在 一起。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有降噪功能的面齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的降噪結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法， 其特征在于包括以下過(guò)程： 步驟1、參考錐齒輪減速器的規(guī)范和要求設(shè)計(jì)單級(jí)面齒輪傳動(dòng)的基本參數(shù)； 步驟2、根據(jù)特定工況（即面齒輪傳動(dòng)副工作時(shí)的輸入轉(zhuǎn)速和輸入功率），利用面齒輪 傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析方法求解出面齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的軸承動(dòng)載荷F(t)，即箱體所受到的激 勵(lì)力； 步驟3、將F(t)施加到齒輪箱軸承座的中心位置上，利用有限元軟件，分析得到箱體表 面節(jié)點(diǎn)的時(shí)域振動(dòng)響應(yīng)速度V(t)，并通過(guò)傅里葉變換得到頻域的速度響應(yīng)V(f); 步驟4、建立面齒輪傳動(dòng)箱體的邊界元模型，并導(dǎo)入邊界元軟件，以上一步的頻域速度 響應(yīng)v(f)為邊界條件，通過(guò)仿真分析得到箱體內(nèi)部輻射噪聲頻譜，從而根據(jù)頻譜圖得到箱 體輻射噪聲的主要頻段，以其中心頻率作為共振吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率f；; 步驟5、設(shè)定吸聲結(jié)構(gòu)共振時(shí)預(yù)期的最大吸聲系數(shù)為αρ代入式（2)計(jì)算得到微穿孔 板結(jié)構(gòu)的相對(duì)聲阻抗r; 步驟6、根據(jù)共振頻率f；和相對(duì)聲阻抗r，再由式（3)和式（7)聯(lián)立得到吸聲結(jié)構(gòu)的低 頻和高頻極限頻率f\、f2，代入式（6)計(jì)算得到微穿孔板的相對(duì)聲質(zhì)量m; 步驟7、由式（10)、（11)和（13)，并且代入穿孔板厚度t、面齒輪背面與箱體內(nèi)壁之間 的距離D、相對(duì)聲阻抗r和相對(duì)聲質(zhì)量m以及吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率f；，求解得到微穿孔板常 數(shù)Λ，進(jìn)而由式（12)計(jì)算得到微穿孔板的穿孔直徑d; 步驟8、由式（9)，代入相對(duì)聲質(zhì)量m、微穿孔板常數(shù)Λ、穿孔直徑d以及面齒輪腹板厚 度t，計(jì)算得到穿孔率〇 ; 步驟9、根據(jù)上述步驟求得的參數(shù)相對(duì)聲阻率r和相對(duì)聲質(zhì)量m，以及已知空腔深度D代入式（1)，以頻率f為變量計(jì)算得到吸聲系數(shù)α的變化曲線，即結(jié)構(gòu)的理論吸聲效果； 由以上步驟，從而確定微穿孔腹板面齒輪的降噪結(jié)構(gòu)參數(shù)：穿孔直徑d、穿孔率〇以及 理論吸聲系數(shù)α; 上述步驟所用公式如下： 微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)由下式給出
式中，Ctl為空氣中的聲速，D為共振腔深度，即為穿孔板與后壁的距離，m為相對(duì)聲質(zhì)量，r為相對(duì)聲阻率，f為聲音頻率；微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率f；處的吸聲系數(shù)可表示為
吸聲系數(shù)為α乂2時(shí)的極限截止頻率分別用f\、f2表示；將α乂2代入式（1)并結(jié)合式 (3)，通過(guò)對(duì)其中的余切函數(shù)進(jìn)行近似得到
式中，對(duì)于金屬微穿孔板，相對(duì)聲阻率r和相對(duì)聲質(zhì)量m可分別表示為
式中，d為微穿孔直徑，t為微穿孔板厚度，〇為穿孔率，kJPkm分別為聲阻系數(shù)和聲 質(zhì)量系數(shù)，可表示為
其中，Λ為微穿孔板常數(shù)，可通過(guò)式（9)計(jì)算 A = (、.2\3dy[J (12) 微穿孔板的相對(duì)聲阻率與相對(duì)聲質(zhì)量的比值滿足下式關(guān)系
〇
【文檔編號(hào)】F16H57/028GK104455345SQ201410618181
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】李政民卿, 陳宏尚, 劉新勝, 朱如鵬, 李曉貞, 吳昊, 王晶, 耿駿 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)