聯合仿真與試驗探究潤滑油黏度對齒輪振動的影響

薛遠水

(煙臺汽車工程職業學院 交通工程系，山東 煙臺 265500)

0 引言

潤滑摩擦對運動副以及齒輪傳動的動態特性具有重要的影響。許多學者對振動和潤滑摩擦的作用關系進行了研究。UDAYKANT J P研究了物體振動方向對物體表面接觸摩擦力的影響，利用數值模擬的方法，對不同方向振動對接觸摩擦力的影響進行了較深刻分析[1]。但是，以上研究缺少試驗數據支撐。FRYZA J則同時利用試驗和理論分析了穩態和振動狀態下的點接觸潤滑油膜厚度，得出不同的振動頻率、相對速度工況下，振動對彈流潤滑的影響[2]。其結論有試驗支撐，更接近實際。有的學者從新技術角度研究齒面振動與摩擦關系，XIAO W Q利用一種嵌在齒面的阻尼顆粒對齒輪振動進行抑制，其研究表明，低速時光滑阻尼顆粒可有效抑制振動，高速時粗糙顆粒減振更好[3]。通過其研究可在一定程度認知粗糙表面與振動的作用機理。HUANG K則提出一種多自由度模型分析高重合度齒在彈流潤滑狀態下，表面粗糙度對齒輪振動的影響，得出表面粗糙度對齒嚙出狀態時的振動有較大影響[4]，其研究從理論模型上深入地探究了高重合度齒輪表面粗糙度對振動的影響。

以上研究多圍繞齒輪本身特性與振動的關系，而潤滑油作為大多運動零部件的中間介質，如將潤滑介質考慮在內，可更全面地研究相對運動副的動態特性。李直等人通過結合齒面形貌和潤滑狀態，研究了不同轉速和載荷工況下齒輪的振動特性，得出利于形成油膜的齒輪表面形貌有利于減輕齒輪振滑與振動的作用的結論[5]，而潤滑油某些特定的特性對齒輪振動的影響，其沒有展開細化研究。潤滑油作為重要的潤滑介質，其某些自身特性對機械動態特性也會有很大的影響。在早期研究中，丁津原等人研究了潤滑油添加劑對齒輪潤滑油的影響，進而通過試驗分析了潤滑油添加劑對齒輪傳動的影響[6]。在近期研究中，丁勝鵬等人研究了不同黏度潤滑油對直線導軌阻尼器振動的影響，得出：在一定范圍內，潤滑油黏度的增大可以減緩其振動[7]。

潤滑油黏度作為影響齒輪動態特性的重要因素之一，目前，很少學者從潤滑油黏度對齒輪振動的影響方面入手進行研究。本文基于前人的研究，將潤滑油黏度作為控制變量，聯合機械傳動專業軟件Romax仿真和齒輪試驗，以某工程機械用齒輪試件作為研究對象，探究了潤滑油黏度對齒輪振動的影響，對齒輪振動試驗數據利用MATLAB進行處理，并對其影響機理進行了闡述。所得結論為相關的研究提供一定的參考。

1 Romax仿真分析潤滑油的齒輪油膜厚度

1.1 Romax建立齒輪嚙合模型

Romax軟件是專業的分析和開發傳動系統的軟件，利用其分析潤滑狀態和油膜厚度，可使結果更加可信。齒輪參數見表1。

表1 齒輪參數

所建立的齒輪副模型，如圖1所示。

圖1 齒輪模型

1.2 仿真工況設置和潤滑油選取

為了保持仿真和后續試驗參數的一致性，施加轉矩為1000N/m，轉速為1000r/min。根據齒輪試驗的經驗，齒輪穩定運轉時的潤滑油溫度為95℃，所以齒輪箱的工作溫度設置為此溫度。選取兩種不同黏度的潤滑油，潤滑油的參數如表2所示。

表2 潤滑油參數 單位：MPa·s

1.3 油膜厚度仿真結果

在1000N·m-1、1000r·min-1時，齒輪箱溫度95℃的工況下，選取潤滑油CKC220，齒輪的油膜厚度為0.537μm，選取潤滑油CKC320時的油膜厚度為0.713μm。結果表明：在本文所設置工況下，齒輪油膜厚度會隨著潤滑油黏度的增大而增加，當黏度增大時，潤滑油更容易吸附在齒面上，利于潤滑油膜的穩定；當潤滑油黏度越小時，嚙合齒面間的潤滑油會隨著轉速的增高而流失，導致潤滑油膜變薄。

2 齒輪振動試驗

2.1 試驗齒輪

試驗采用牌號18CrNiMo合金鋼漸開線直齒圓柱齒輪，兩對齒輪的設計參數相同，見表1。為保證振動狀態穩定，利于對比不同黏度時振動數據，提高磨齒精度由8級至6級，屬于同一生產批次，熱處理及齒面差異忽略不計。

2.2 試驗設備

齒輪振動試驗設備主要由齒輪運轉試驗臺架、電動機、負載電機、轉速調節器、數據采集儀、振動傳感器組成。試驗臺架的轉矩范圍0～2000N·m-1，轉速范圍0～1700r·min-1，滿足本次振動試驗要求。數據采集儀對來自傳感器的振動加速度信號進行采集。振動傳感器布置在齒輪箱上試驗齒輪徑向的位置。試驗臺架系統原理示意圖如圖2所示。

圖2 試驗臺架系統原理示意圖

2.3 試驗方案及準備

共進行兩次試驗，第一次試驗采用CKC220潤滑油，第二次采用CKC320潤滑油。齒輪運轉初始階段，由于齒面摩擦生熱，油溫是一直上升的，而相應潤滑油的黏度也會隨著溫度的增加而變化，所以為了保證兩次試驗不受其他變量的影響，待齒輪運轉系統達到熱平衡后采集振動信號，據歷史試驗數據，2 h可達熱平衡狀態。

在振動狀態達到穩定狀態時(振幅波動較小時)，前后兩次試驗各采集10次信號，每隔5 min采集1次，每次采樣1 min，每次試驗振動信號的采集過程歷時1 h。兩次試驗的轉速、轉矩和潤滑油量保持一致。當振動信號采集完畢時，停止試驗。試驗方案如表3所示。

表3 振動試驗方案

3 試驗數據處理及分析

對于振動信號頻域處理，直觀上看，所得到的波形代表振動信號的能量。可以對比兩次不同試驗的振動信號的頻域幅值。將兩次試驗的振動數據利用MATLAB進行頻域處理，如圖3、圖4所示。

圖3 CKC220潤滑油齒輪副頻譜

圖4 CKC320潤滑油齒輪副頻譜

由圖3、圖4可以看出，兩對齒輪的頻譜幅值都較小，說明齒輪處于穩定磨損期，且無異常。

從具體數值對比上看，采用低黏度潤滑油CKC220的齒輪試驗，穩定狀態時，其頻譜幅值最大為0.43 mm·s-2要高于采用高黏度潤滑油CKC320時的0.09 mm·s-2。根據Romax仿真潤滑油膜厚度的結果進行分析，不同黏度的潤滑油在相同工況下進行齒輪運轉試驗時，齒輪嚙合面間形成的潤滑油膜厚度是不同的，CKC220 和 CKC320分別對應的油膜厚度為0.537μm和0.713μm。由于加工制造、熱處理以及材料等因素的影響，齒面分布形狀不規則的微凸體，齒面在嚙合時，齒面間的微凸體會相互之間發生碰撞，進而影響齒輪的嚙合質量。從宏觀角度來講，會增加齒輪運轉時的不平順性。當齒面間形成潤滑油膜時，當潤滑油的黏度較高時，油膜厚度能夠高出大部分微凸體的高度，齒輪嚙合實際就是齒面-油膜-齒面的接觸，這樣有利于齒輪運轉的平順性，齒輪的振動幅值便會減小。當潤滑油的黏度低時，嚙合齒面間的油膜厚度不足覆蓋大部分的微凸體，因此兩齒面間會有相當部分的微凸體直接發生接觸，增加齒面間的不正常磨損和接觸，使齒輪運轉不平順，因此會造成齒輪振動的幅值變大。

4 結語

建立Romax齒輪嚙合模型，分析了不同黏度潤滑油的齒間油膜厚度，并選取不同黏度的潤滑油齒輪進行振動試驗，對振動數據進行處理，結合Romax油膜厚度分析結果，對比分析不同黏度下的齒輪振動信號。通過本次研究分析過程，得到結論如下：

1)由Romax分析結果可得，相同轉速、轉矩以及齒輪各項參數工況下，在一定范圍內，潤滑油的黏度越大，齒輪嚙合時，形成齒面間油膜厚度越大，利于減少齒輪副表面間的摩擦。

2)根據MATLAB對振動信號數據的處理結果(圖3、圖4)以及Romax對齒面潤滑油油膜的分析結果，可以說明：潤滑油膜越厚，齒面間越易形成彈流潤滑，從而使得齒面間的嚙合運轉過程越平順，齒輪的振動信號幅值就越小；潤滑油膜越小，越不利于齒面嚙合運轉的平順性，則齒輪的振動信號的幅值就越大。