阻尼支撐圈在齒輪箱中的應用

戴光昊，余曉輝，尹遜民，高長偉

( 中國船舶重工集團公司 第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱150078)

0 引 言

近年來，隨著齒輪傳動技術向著高速化發展，齒輪傳動裝置的振動噪聲問題越來越突出，嚴重時甚至會導致齒輪損壞，因此針對齒輪傳動裝置開展減振技術研究具有明顯的工程實用價值。為有效降低齒輪傳動裝置的振動噪聲，在箱體和傳動齒輪部位附加阻尼材料是目前較為常用的減振方式，該技術的關鍵是通過添加阻尼層(或約束阻尼層)將振動能轉變成熱能耗散出去，從而達到減振降噪的目的;但這往往需要大面積添加阻尼材料，會大幅增加齒輪箱的重量，且耗費較高［1－2］。因此從齒輪傳動裝置振動傳遞的關鍵路徑入手，考慮到船用傳動裝置一般采用滑動軸承，將高阻尼金屬材料應用到齒輪箱的滑動軸承支撐部位，從而有效衰減振動的傳遞。該減振結構設計基本不增加箱體重量，耗費少，加工工藝簡單，減振效果明顯，且可以應用到絕大部分采用滑動軸承支承的齒輪傳動裝置中，具有良好的應用前景。

1 滑動軸承阻尼支撐圈設計

1.1 滑動軸承阻尼支撐圈結構

以某試驗齒輪箱為例進行滑動軸承阻尼減振支撐圈結構設計，將軸承座和軸承蓋的鏜孔擴大一圈，選用機械性能與普通鋼材較為接近的高阻尼的Cu－Mn 合金材料設計滑動軸承阻尼支撐圈結構［3］。考慮到阻尼支撐圈結構的裝配便利性，減振支撐圈設計成上、下2個半阻尼圈形式，上阻尼圈與滑動軸承上瓦配合使用，下阻尼圈與滑動軸承下瓦配合使用。阻尼圈上圈對應上瓦設有定位銷孔和測溫孔，阻尼圈下圈設有進油孔，以方便軸承進油。阻尼圈與軸承座、軸承蓋及軸瓦之間采用過渡配合方式，滑動軸承阻尼減振支撐結構裝配示意如圖1所示，普通鋼材與Cu－Mn 合金材料的性能參數如表1所示。

圖1 滑動軸承阻尼圈裝配示意圖Fig.1 Sliding bearing damping support structure assembly diagram

表1 材料性能對比表Tab.1 Material performance comparison table

1.2 滑動軸承阻尼支撐圈靜態性能分析計算

滑動軸承阻尼支撐圈裝配在齒輪箱滑動軸承外圈，輪齒嚙合力通過滑動軸承傳遞到支撐圈上，考慮到合金材料的機械性能與鋼材存在一定的差異，因此必須校核計算支撐圈的強度和變形特性。應用有限元方法計算減振支撐結構的強度和剛度特性，建立含減振支撐結構的箱體有限元計算模型如圖2所示。將軸承載荷加載到有限元模型中，計算在軸承載荷作用下箱體各部位的受力和變形曲線如圖3～圖4所示。

圖2 滑動軸承阻尼減振支撐結構有限元模型Fig.2 Sliding bearing damping supporting structure finite element model

圖3 阻尼減振支撐結構應力分布云圖Fig.3 Sliding bearing damping supportingcase stress distribution

圖4 阻尼減振支撐結構變形圖Fig.4 Sliding bearing damping supporting case detormation graph

從圖3和圖4 中可以看出，滑動軸承減振支撐結構的應力曲線與箱體連接部位相一致，試驗工況下減振支撐結構的應力較小，滿足強度要求;減振支撐結構的位移與箱體連接部位一致，最大位移約為5 μm;此阻尼支撐圈結構的強度和剛度性能可保證試驗齒輪箱的穩定運行。

1.3 滑動軸承阻尼支撐圈對齒輪箱特性影響分析

在齒輪箱阻尼支撐圈靜態性能計算分析的基礎上，應用LMS Virtual.Lab 軟件建立齒輪箱的剛柔耦合仿真分析模型如圖5所示［4］，通過有、無阻尼減振支撐結構的齒輪箱的動力學仿真對比分析阻尼支撐圈對齒輪箱動態特性的影響。

圖5 試驗齒輪箱動力學模型Fig.5 Dynamic model of the test gearbox

設定小齒輪軸輸入轉速2 950 r/min，大齒輪輸出端加載扭矩2 000 NM為仿真工況，通過仿真分析得出齒輪箱各個滑動軸承的時域動態激勵力，為深入分析動態力特性，通過FFT 變換得出滑動軸承頻域動態激勵力，進而對比有、無阻尼支撐圈結構的軸承頻域動態力的變化情況;從而準確分析其對齒輪箱動態激勵的影響。由于齒輪箱采用人字齒輪傳動，輪齒嚙合的軸向力相互抵消，因而忽略其軸向力特性，只對比分析滑動軸承橫向和垂向動態激勵力。

試驗齒輪箱仿真模型共有4個滑動軸承，為便于觀察分析，直接列出有阻尼支撐圈結構時滑動軸承頻域動態力減去無阻尼支撐圈結構時齒輪箱各滑動軸承頻域動態力的差值曲線如圖6所示，這里只列出其中1個滑動軸承的對比結果，其余3個軸承對比結果基本一致。通過對比分析可知，計算模型應用阻尼支撐圈結構對齒輪箱滑動軸承動態力特性影響較小，齒輪箱的動態激勵力未產生明顯變化。通過上述計算分析可知阻尼支撐圈設計方案可行，結構設計合理，可應用到試驗齒輪箱進行減振結構設計。

圖6 有、無阻尼圈齒輪箱頻域動態力差值曲線Fig.6 The dynamic force difference curve of gearbox with and no damping supporting structure

2 齒輪箱應用阻尼支撐圈減振效果分析

2.1 阻尼支撐圈結構尺寸對減振效果的影響

滑動軸承阻尼支撐圈的減振效果主要取決于外形結構尺寸，一般來說阻尼減振支撐結構的外形結構由較小尺寸逐漸變大時，其阻尼減振效果會明顯增加，但當其外形結構增加到一定的尺寸后再增大結構則阻尼減振效果提升緩慢。在這種情況下，通過增大減振支撐結構尺寸的形式來提升阻尼減振效果則花費較大且效果不明顯。

為分析阻尼減振支撐結構的尺寸對其減振效果的影響，在前面根據強度和剛度特性計算確定滑動軸承減振支撐結構原設計厚度的基礎上，分別通過增加設計厚度30%、減小設計厚度30%后得到3 組不同厚度的阻尼減振支撐結構;采用模態應變能法計算得出應用3 種不同厚度阻尼減振支撐結構的箱體結構前20 階模態綜合損耗因子［5］，不同阻尼支撐圈結構厚度的模態綜合損耗因子如圖7所示。

圖7 阻尼圈結構對箱體模態綜合損耗因子影響Fig.7 The loss factor on influence analysis of damping structure thinkness

從對比分析圖中可以看出，減振支撐結構從設計厚度減小30%，箱體結構主要階次的模態綜合損耗因子變化較快;而當減振支撐結構設計厚度增加30%，箱體結構主要階次的模態綜合損耗因子變化緩慢;通過調整阻尼減振支撐結構的厚度進行模態綜合損耗因子的對比分析可知，依據強度及剛度性能進行減振支撐結構設計確定的厚度合理，其不僅強度、剛度性能滿足要求，且減振效果較好，再通過增加厚度的方法不僅花費較高且減振效果提升不明顯。

2.2 阻尼支撐圈減振效果計算分析

在試驗齒輪箱動力學仿真分析的基礎上，分別計算有、無阻尼減振支撐結構箱體的模態頻率、振型及結構模態阻尼損耗因子;將動態激勵力分別加載到有、無軸承減振支撐結構的箱體上進行振動響應計算［6］，應用基于模態的強迫振動響應計算方法求解得出箱體機腳處的振動加速度響應曲線對比如圖8所示。

由圖8 可知，試驗齒輪箱機腳的主要振動加速度頻率為其嚙合頻率及其倍頻幅值。對比可知，試驗齒輪箱采用減振支撐結構后嚙合頻率處振動加速度幅值由9 m/s2降低到3 m/s2左右，嚙合頻率倍頻處的振動加速度幅值約由3.5 m/s2降低到2 m/s2左右。通過對比計算可知，阻尼減振支撐結構具有良好的減振效果，且振動幅值越大減振效果越好。

圖8 齒輪箱機腳振動加速度響應計算曲線Fig.8 The gearbox vibration acceleration curve

3 阻尼支撐圈減振效果試驗驗證

3.1 阻尼支撐圈驗證試驗概述

為驗證滑動軸承減振支撐結構的減振效果，選用鋼制材料和金屬阻尼材料制造相同的支撐結構，分別在高速齒輪功率封閉試驗臺上進行兩輪帶載驗證試驗，通過試驗對比分析阻尼減振支撐結構的減振效果，減振支撐結構效果驗證試驗安裝示意如圖9所示。

圖9 鋼制圈、阻尼支撐圈安裝示意圖Fig.9 Vibration damping supporting structure installation diagram

3.2 阻尼支撐圈減振效果試驗對比分析

通過帶載試驗測得在小齒輪軸轉速2 950 r/min，大齒輪加載扭矩2 000 NM 時，試驗齒輪箱滑動軸承分別采用鋼制支撐結構和阻尼Cu－Mn 合金制支撐結構時機腳某測點的振動加速度對比曲線如圖10所示。

圖10 試驗齒輪箱結果對比分析Fig.10 The test result contrast analysis

分析試驗數據可知，試驗齒輪箱主要振動峰值在其嚙合頻率及其倍頻處，且嚙合頻率處的振動幅值最大，采用阻尼減振支撐結構后齒輪箱機腳振動加速度幅值在嚙合頻率處由約6.5 m/s2降低到3 m/s2左右，嚙合頻率倍頻處的振動加速度幅值由約2 m/s2降低到1 m/s2左右。通過試驗數據對比分析可知，滑動軸承阻尼減振支撐結構具有良好的減振效果，且振動幅值較大的嚙合頻率處的減振效果較好。

對比分析試驗測試數據和有限元分析結果可知，試驗測試與有限元仿真分析結論一致，通過對比試驗驗證得出有限元仿真分析計算方法正確，結論可信，進一步驗證了滑動軸承阻尼減振支撐結構具有良好的減振效果。

5 結 語

從船用齒輪傳動裝置振動傳遞的主要途徑滑動軸承支承部位入手，以某試驗齒輪箱為研究對象，選擇合適的高阻尼Cu－Mn 合金材料設計較為實用的阻尼減振支撐圈結構;并應用有限元軟件建立含阻尼減振支撐圈結構的算例齒輪箱有限元模型，通過有限元靜、動力分析計算滑動軸承阻尼支撐圈的靜、動態性能和減振效果，通過計算分析確定此結構可應用于試驗齒輪箱。在計算分析基礎上，選擇普通鋼材和阻尼合金材料加工2 組滑動軸承支撐圈結構試驗件，通過對比試驗驗證了滑動軸承阻尼減振支撐圈結構具有良好減振效果。根據船用傳動裝置的特點進行設計的滑動軸承阻尼支撐圈結構實用性較好，可直接應用于指導齒輪傳動裝置的減振設計，減振效果明顯，具有良好的應用前景。

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