第六章 三環(huán)減速器振動和噪聲試驗分析研究
§6-1 引言
以SHQ40型三環(huán)減速器分例，我們對三環(huán)減速器進行了固有參數(shù)測試、振動和噪聲級的測試及分析，驗證理論建模及噪聲預估值計算的可信程度，分析三環(huán)減速器的振動機理及振動、噪聲分布。
§6-2 振動噪聲試驗方案
§6-2.1 振動噪聲試驗方案設計
試驗方案設計示意圖如圖6-0示。
圖6-0 試驗方案布置
圖中：1，2——控制臺；
3——100kw直流測功機；
5——聯(lián)軸器；
4，6，8，10，12，14——輸入轉(zhuǎn)速扭矩傳感受器；
7，11——SHQ40；
9——輸出轉(zhuǎn)速扭矩傳感器；
13——汽車變速箱；
15——50kw直流測功機；
16——輸入轉(zhuǎn)速扭矩儀；
17——輸出轉(zhuǎn)速扭矩儀；
18，19——交直流機組；
20——傳感器；
21——放大器2635型；
22——TEAC-5000WB磁帶記錄儀；
23——CF-355頻譜分析儀；
24——脈沖錘；
25——聲強儀，Sound Intensity Analyzer Type 4433；
26——聲強儀測頭，Tho Sound Intensity Probe Type 3520；
27——CX-335繪圖儀；
實物如圖6-1及圖6-2示；
圖6-1 電功率流封閉齒輪運轉(zhuǎn)試驗臺
試驗時，通過控制臺1，2調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)讓交直流機組18發(fā)出適當?shù)闹绷麟妷菏怪绷鳒y功機3（工作于恒速電動工況）按恒定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，通過聯(lián)軸器4，6和輸入轉(zhuǎn)速扭矩傳感器5與試件7輸放端（高速端）相聯(lián)接。試件7輸出端通過聯(lián)軸器8，10，12，14及輸出扭矩傳感受器9、升速用11、汽車變速箱13而與直流測功機15（工作于恒電流工況）聯(lián)接，驅(qū)使其發(fā)出適當電壓的直流電，再通過交直流機組19將其逆變成為工頻北流電返回電網(wǎng)，完成整個電功率封閉閉鏈。
圖6-2 控制臺
輸入轉(zhuǎn)速扭矩傳感器5得到的輸入轉(zhuǎn)速和輸入扭矩信號，通過輸入扭矩儀16直接數(shù)顯讀出。同樣，輸出轉(zhuǎn)速扭矩傳感器9得到的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速扭矩信號，可通過輸出扭矩儀17直接數(shù)顯讀出。
試件7上的振動信號與脈沖激勵的響應信號通過傳感器20取出信號，然后經(jīng)過放大器21放大后，用磁帶記錄儀22記錄并可采用頻譜分析儀23監(jiān)控并分析，而其上的噪聲信號可以通過聲強儀25的測頭26取出信號后送入22和23中用于分析研究。
§6-2.2 SHQ40試件及測點布置
SHQ40試件如圖6-4（a）（b）所示。
其主要特性參數(shù)如下：
一、名稱：SHW40
二、傳動比：i=16；
三、輸出扭矩：Mout=4.196KNm；
四、箱體材料：HT20-40
a.抗拉強度：δb=314MPa
b.抗彎強度：δbB=520MPa
c.布氏硬義：HB=187～255；
d.抗壓強度：δbc=736MPa
e.彈性模量：E=118～126GPa
f.切變模量：G=44.3GPa
g.泊松比：μ=0.3
h.密度γ=7.0g/cm3
圖6-3 SHQ40三環(huán)減速器
五、環(huán)板材料：45#鋼
六、齒輪材料：45#鋼
七、齒輪副齒數(shù)：
a.內(nèi)齒輪齒數(shù)：51
b.外齒輪齒數(shù)：48
八、齒輪齒形：漸開線
九、軸承
a.箱體上：輸入軸與支承軸端為深溝球軸承409：
輸出端為調(diào)心滾子軸承53518
b.環(huán)板上：輸入軸與支承軸上為E92515。
十、重量：
三環(huán)減速器上測點布置如圖6-4示。
圖6-4 SHQ40試件測點
§6-2.3 試驗規(guī)程
一、跑合試驗
1、在200rpm、300rpm、400rpm、500rpm、600rpm、700rpm、800rpm、900rpm及1000rpm轉(zhuǎn)速下用30號機員跑合二十小時；
2、清選SHQ40，然后加雙曲線齒輪油；
3、在400rpm、650rpm-50kgm、850rpm-100kgm、1000rpm-150kgm、1000rpm-200kgm、1000rpm-300kgm、1000rpm-400kgm、1000rpm-440kgm工況下跑合二十小時。
4、清選SHQ40然后加雙曲線齒輪油，準備試驗。
二、空載試驗
1、在轉(zhuǎn)速為400rpm工況下，測定并記錄試件SHQ40上測點1～12點的振動速度和加速度；
2、在轉(zhuǎn)速為750rpm工況下，測定并記錄試件SHQ40上測點1～12點的振動速度和加速度；
3、在轉(zhuǎn)速為1000rpm工況下，測定并記錄試件SHQ40上測點1～12點的振動速度和加速度；
三、加載試驗
1、在1000rpm-100kgm工況下測定并記錄SHQ40上測點1～12的振動速度、加速度及聲壓和聲強；
2、在1000rpm-250kgm工況下測定并記錄SHQ40上測點1～12的振動速度、加速度及聲壓和聲強；
3、在1000rpm-350kgm工況下測定并記錄SHQ40上測點1～12的振動速度、加速度及聲壓和聲強；
4、在1000rpm-400kgm工況下測定并記錄SHQ40上測點1～12的振動速度、加速度及聲壓和聲強；
四、脈沖激勵試驗
1、固有特性參數(shù)測試
敲擊測點1～12，在測點13處記錄分析；
2、頻響函數(shù)測試
沿X向敲擊試件SHQ40上輸入軸上的14點并記錄測點12的響應信號，用于分析計算。
§6-3 SHQ40試件振動頻率計算
一、轉(zhuǎn)軸頻率
由式（2.3）可計算出SHQ40在各工況下轉(zhuǎn)軸頻率，如表6-1示，其中輸入軸頻率為fin，輸出軸頻率為fout，轉(zhuǎn)速單位轉(zhuǎn)/分（rpm）。
表6-1 轉(zhuǎn)頻表
| 輸入軸轉(zhuǎn)速（rpm） |
400 |
750 |
1000 |
| 輸出軸轉(zhuǎn)速（rpm） |
25 |
46.87 |
62.50 |
| fin（Hz） |
6.67 |
12.50 |
16.66 |
| fout(Hz) |
0.41 |
0.78 |
1.04 |
二、輪齒的嚙合頻率
由式（2.2）可計算出SHQ40在各種工況下輪齒的嚙合頻率，見表6-2示。
表6-2 嚙頻表
| 輸入軸轉(zhuǎn)速（rpm） |
400 |
750 |
1000 |
| ft（Hz） |
340 |
637.5 |
850 |
三、軸承頻率
由式（2.4）、（2.5）、（2.6）、（2.7）可計算出各軸承在不同工況下的外圈頻率for、內(nèi)圓頻率fin滾子元件頻率fb及保持架頻率fo,見表6-3示
表6-3 軸承頻率
| 轉(zhuǎn)速 |
軸承 |
| 409 |
453518 |
92515E |
| 頻率 |
| for |
fin |
fb |
fo |
for |
fin |
fb |
fo |
for |
fin |
fb |
fo |
| 400 |
21.6 |
31.7 |
33.0 |
2.7 |
5.2 |
5.2 |
2.8 |
0.2 |
31.2 |
42.2 |
44.6 |
2.8 |
| 750 |
40.5 |
59.5 |
61.9 |
3.9 |
9.8 |
9.8 |
5.3 |
0.3 |
58.4 |
79.1 |
83.7 |
5.3 |
| 1000 |
54 |
79.3 |
82.6 |
9.9 |
13.1 |
7.1 |
7.1 |
0.4 |
77.9 |
105.4 |
111.6 |
7.1 |
四、平面四桿機構(gòu)產(chǎn)生的激勵頻率
由式（2.8）、式（2.9）可計算出在各種工況下由平面四桿機構(gòu)所產(chǎn)生的激勵頻率如表6-4。
表6-4 平面四桿機構(gòu)死點沖擊激勵頻率表
| 輸入軸轉(zhuǎn)速（rpm） |
400 |
750 |
1000 |
| fN |
6.67 |
12.50 |
16.66 |
| fmx |
13.33 |
25 |
33.33 |
| fmt |
680 |
1275 |
1700 |
五、箱體固有頻率
見第三章表3-1。
§6-4 SHQ40固有頻率試驗
本試驗采用脈沖激勵法中的錘擊法測試SHQ40三環(huán)減速器的固有頻率，有關脈沖激勵法的理論及方法已在第三章中詳細論述過了。
脈沖激勵信號采樣的觸發(fā)值的大小及方法、位置及其窗函數(shù)如圖6-5所錄。脈沖響應信號所加的窗函數(shù)——指數(shù)窗如圖6-6所示。
圖6-5 脈沖激勵信號力窗
圖6-6 脈沖響應信號指數(shù)窗
脈沖激勵信號及響應信號的時域波形及自功率譜密度函數(shù)分別如圖6-7和圖6-8示。由圖中可以看出，脈沖激勵信號及其響應信號都較為理想。
在本試驗中，通過錘擊SHQ40試件上的測點1～12，而在測點13上記錄其響應信號，在此我們僅取測點及測點5來討論。
圖6-7 脈沖激勵信號
圖6-8 脈沖響應信號
圖6-9 13Z-5Z測試
圖6-10 13X-5Z測試
圖6-11 13Z-8Z測試
圖6-12 13X-8Z測試
圖6-9及圖6-10分別是錘擊測點5Z方向而在測點13Z向和X向采集響應信號經(jīng)CF-355型頻譜分析儀分析后而得出的頻響函數(shù)及其相干函數(shù)以及SHQ40前十二階模態(tài)固有頻率值，其與理論建模通過FEM法計算而得的固有頻率值對比見表6-5。
圖6-11及圖6-12分別是錘擊測點8Z方向而在測點13Z向和X向采集信號經(jīng)CF-355型頻譜分析儀分析后而得出的頻響函數(shù)、相干函數(shù)以及SHQ40前十二階模態(tài)固有頻率值，其與理論建模通過FEM法計算出的固有頻率值對比見表6-6示。
從表6-5和表6-6中固有頻率的理論建模通過FEM法算出的計算值與脈沖激勵階測出的試驗值對比可知，它們前十二階模態(tài)的固有頻率值相符性較好，盡管存在一定的誤差，但都在允許的范圍之內(nèi)。換句話說，我們建立的理論模型在一定的范圍內(nèi)（本文只研究了前十二階模態(tài)950HZ以內(nèi)的范圍）是可以替代實際的結(jié)構(gòu)用于分析、研究及計算。
造成固有頻率計算值與試驗值之間誤碼率差的因素有以下幾個方面：
1、由實際結(jié)構(gòu)進行一定簡化而建立理論模型而帶來的誤差；
2、FEM法本身所帶來的近似誤差；
3、加在理論模型上的約束和載荷與實際結(jié)構(gòu)的工況之間誤差；
下面我們列出SHQ40振動系統(tǒng)850HZ-2KHZ間各階模態(tài)固有頻率的試驗值。如圖6-13示。圖中左上部為相干函數(shù)，左下部圖為頻響函數(shù)圖，而右半圖部分為十三階到三十一階固有頻率值及其相干值。
表6-5 固有頻率計算值與試驗對比表
| 序號 |
計算值HZ |
13Z-5Z值Hz |
誤差% |
13X-5Z值Hz |
誤差% |
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12 |
215.0
322.9
409.2
501.0
537.5
577.7
670.4
673.1
683.1
754.8
765.7
851.7 |
210.0
300.0
380.0
490.0
545.0
595.0
635.0
705.0
715.0
755.0
795.0
840.0 |
2.0
7.0
7.0
2.0
1.0
2.0
5.0
4.0
4.0
0.0
3
1 |
245.0
300.0
400.0
500.0
545.0
585.0
665.0
625.0
685.0
730.0
775.0
830.0 |
13.0
2.0
7.0
0.0
1.0
1.0
0.0
0.0
0.0
3.0
1.0
2.0 |
表6-6 固有頻率計算值與試驗對比表
| 序號 |
計算值HZ |
13Z-5Z值Hz |
誤差% |
13X-5Z值Hz |
誤差% |
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12 |
215.0
322.9
409.2
501.0
537.5
577.7
670.4
673.1
683.1
754.8
765.7
851.7 |
215.0
350.0
395.0
495.0
545.0
600.0
650.0
695.0
705.0
750.0
790.0
840.0 |
0.0
8.0
3.0
1.0
1.0
3.0
3.0
3.0
3.0
0.0
3.0
1.0 |
230.0
345.0
395.0
495.0
535.0
585.0
630.0
670.0
680.0
720.0
775.0
825.0 |
6.0
6.0
3.0
1.0
0.0
1.0
6.0
0.0
0.0
4.0
1.0
3.0 |
階固有頻率值及其相干值。
圖6-13 固有頻率值及相干值
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