微穿孔腹板面齿轮降噪结构及其降噪结构参数设计方法
【专利摘要】一种微穿孔腹板面齿轮降噪结构及其降噪结构参数设计方法，属于齿轮传动系统降噪【技术领域】。该结构包括一种带有微穿孔的面齿轮腹板结构和带有共振空腔的特殊箱体结构，上述两者之间可形成亥姆霍兹共振器吸声结构，从而达到吸声降噪的目的。在确定的工况下，得到面齿轮传动系统的主要噪声频率，即箱体的辐射噪声频率，再以微穿孔板理论为基础即得到微穿孔腹板的结构参数。
【专利说明】微穿孔腹板面齿轮降噪结构及其降噪结构参数设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种微穿孔腹板面齿轮降噪结构及其降噪结构参数设计方法，属于齿 轮传动系统降噪【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 齿轮是机械传动领域重要的传动零件，具有效率高、结构紧凑和传动比稳定等优 点。然而，齿轮传动过程中不可避免会由于系统机械振动而产生噪声。随着工业的发展，噪 声污染问题日趋严重，噪声不仅影响齿轮的运转，而且有损于人的身心健康。
[0003] 其中与圆柱齿轮啮合，实现空间正交传动的齿轮称为面齿轮，如图1。与锥齿轮 传动相比，面齿轮传动具有如下优点：面齿轮传动比锥齿轮传动具有较大的重合度；空载 条件下可以达到1. 6-1. 8 ;小齿轮为直齿圆柱齿轮时，小齿轮上无轴向力作用；这样可以简 化支撑，减小系统的结构重量；小齿轮为渐开线齿轮时，不同的瞬间的啮合公法线不改变方 向，对动力传动极为有利；面齿轮传动为定比传动，而点接触锥齿轮传动的传动比则是在一 定范围内波动，因此面齿轮传动的振动和噪声均小于锥齿轮传动；面齿轮啮合的齿轮为渐 开线圆柱齿轮，其轴向移动误差对传动性能没有影响，其它方向的影响也极小，无需防错设 计，而在锥齿轮传动中，其轴向误差将引起严重偏载，因此重要的锥齿轮传动，必须进行防 错设计。面齿轮在机械传动领域具有广泛应用价值，如应用在直升机主传动系统中，可使直 升机主减速器重量减轻40%，噪声降低10%，从而大大改善直升机传动系统性能。
[0004] 面齿轮传动主要应用于直升机主减速器的第一级，属于大功率、高转速齿轮传动， 其噪声问题尤为严重，噪声抑制方法研宄是面齿轮传动系统研宄的重要内容。在普通齿轮 传动降噪领域，周调彪发明了一种齿轮啮合机构（专利号：CN 203285952 U)，通过在轴孔 上设置至少两个键槽使传动更平稳，设置非金属材料层以及不同形状的孔、槽，使其结构不 对称以改变振动状态，从而降低齿轮噪声辐射效率，但针对的是普通齿轮传动。沙宾宾等 发明了变速器壳体降噪结构（专利号：CN 201651249 U)，通过在变速器壳体上布置多道加 强筋改善其整机振动特性，减小了齿轮噪声的传递，从而降低了传动系统噪声、改善整机振 动，但是增加了箱体质量。
[0005] 由于现有的齿轮传动系统降噪技术都是通过抑制振动来达到降低噪声的目的，并 且面齿轮传动方式特别，应用于面齿轮传动系统的噪声抑制方法尚未全面形成，因此迫切 需要发明一种针对面齿轮传动的降噪方法和实现方法，从而抑制面齿轮传动系统的噪声。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种基于声学原理并具有降噪功能的面齿轮传动系统结 构及其设计方法，主要解决面齿轮传动系统的噪声抑制问题。
[0007] -种具有降噪功能的面齿轮传动系统结构，包括面齿轮传动箱体、通过第一输出 轴轴承座和第二输出轴轴承座安装于面齿轮传动箱体内的输出轴、安装于输出轴上的面齿 轮、通过输入轴轴承座安装于面齿轮传动箱体中的输入轴、安装于输入轴上并与面齿轮实 现啮合传动的圆柱齿轮；其特征在于：上述面齿轮为微穿孔腹板面齿轮结构，在其腹板上 布有若干微穿孔，微穿孔直径为毫米级；同时与面齿轮背面相对应的齿轮箱内壁面上具有 圆环状结构，该圆环状结构使得面齿轮背面与齿轮箱之间形成亥姆霍兹共振腔结构，面齿 轮背面与箱体内壁的距离即为共振腔深度；从而由微穿孔腹板面齿轮和带有亥姆霍兹共振 腔的齿轮箱体形成亥姆霍兹共振器吸声结构，达到吸声降噪的目的。
[0008] 上述的具有降噪功能的面齿轮传动系统，其特征在于：上述微穿孔腹板面齿轮结 构具体为以下两种方式之一：方式一：直接在普通面齿轮的腹板上打微小通孔，小孔深度t 即等于面齿轮腹板厚度；方式二：由两层结构组成，第一层结构上均匀地分布η个同样形状 的扇形槽，使之形成轮辐式面齿轮结构；第二层结构在与上述扇形槽对应处具有微穿孔，小 孔深度t即为第二层结构的厚度，二者之间通过螺栓连接。
[0009] 上述的具有降噪功能的面齿轮传动系统，其特征在于：上述齿轮箱内壁面上的圆 环状结构具体为以下两种方式之一：方式一：所述圆环状结构为箱体内壁上的一圆环状的 凸台结构，其与箱体为同一构件；方式二：所述圆环状结构为单独部件，通过磁铁或螺栓与 箱体内壁固连在一起。
[0010] 上述的具有降噪功能的面齿轮传动系统的降噪结构参数设计方法，其特征在于包 括以下过程：
[0011] 步骤1、参考锥齿轮减速器的规范和要求设计单级面齿轮传动的基本参数；步骤 2、根据特定工况（即面齿轮传动副工作时的输入转速和输入功率），利用面齿轮传动系统 动力学的分析方法求解出面齿轮传动系统的轴承动载荷F(t)，即箱体所受到的激励力；步 骤3、将F(t)施加到齿轮箱轴承座的中心位置上，利用有限元软件，分析得到箱体表面节点 的时域振动响应速度V (t)，并通过傅里叶变换得到频域的速度响应v(f);步骤4、建立面 齿轮传动箱体的边界元模型，并导入边界元软件，以上一步的频域速度响应v(f)为边界条 件，通过仿真分析得到箱体内部辐射噪声频谱，从而根据频谱图得到箱体辐射噪声的主要 频段，以其中心频率作为共振吸声结构的共振频率f；;步骤5、设定吸声结构共振时预期的 最大吸声系数为代入式（2)计算得到微穿孔板结构的相对声阻抗r;步骤6、根据共振 频率f；和相对声阻抗r，再由式（3)和式（7)联立得到吸声结构的低频和高频极限频率f\、 f2，代入式（6)计算得到微穿孔板的相对声质量m;步骤7、由式（10)、（11)和（13)，并且代 入穿孔板厚度t、面齿轮背面与箱体内壁之间的距离D、相对声阻抗r和相对声质量m以及 吸声结构的共振频率f；，求解得到微穿孔板常数Λ，进而由式（12)计算得到微穿孔板的穿 孔直径d ;步骤8、由式（9)，代入相对声质量m、微穿孔板常数Λ、穿孔直径d以及面齿轮腹 板厚度t，计算得到穿孔率〇 ;步骤9、根据上述步骤求得的参数相对声阻率r和相对声质 量m，以及已知空腔深度D代入式（1)，以频率f为变量计算得到吸声系数α的变化曲线， 即结构的理论吸声效果；由以上步骤，从而确定微穿孔腹板面齿轮的降噪结构参数：穿孔 直径d、穿孔率 〇以及理论吸声系数α ;
[0012] 上述步骤所用公式如下：
[0013] 微穿孔板吸声结构的吸声系数由下式给出
[0014]
【权利要求】
1. 一种具有降噪功能的面齿轮传动系统结构，包括面齿轮传动箱体（5)、通过第一输 出轴轴承座（3)和第二输出轴轴承座（8)安装于面齿轮传动箱体（5)内的输出轴（4)、安装 于输出轴（4)上的面齿轮、通过输入轴轴承座（10)安装于面齿轮传动箱体（5)中的输入轴 (11)、安装于输入轴（11)上并与面齿轮实现啮合传动的圆柱齿轮（1);其特征在于： 上述面齿轮为微穿孔腹板面齿轮结构，在其腹板上布有若干微穿孔，微穿孔直径为毫 米级；同时与面齿轮背面相对应的齿轮箱内壁面上具有圆环状结构，该圆环状结构使得面 齿轮背面与齿轮箱之间形成近似封闭的亥姆霍兹共振腔结构，面齿轮背面与箱体内壁的距 离即为共振腔深度；从而由微穿孔腹板面齿轮（2)和带有亥姆霍兹共振腔的齿轮箱体（5) 形成亥姆霍兹共振器吸声结构，达到吸声降噪的目的。
2. 根据权利要求1所述的具有降噪功能的面齿轮传动系统，其特征在于： 上述微穿孔腹板面齿轮结构具体为以下两种方式之一： 方式一：直接在普通面齿轮（12)的腹板上打微小通孔，小孔深度t即等于面齿轮腹板 厚度； 方式二：由两层结构组成，第一层结构上均匀地分布η个同样形状的扇形槽，形成轮辐 式面齿轮（13)结构；第二层结构为薄金属板，并在与上述扇形槽对应处具有微穿孔，小孔 深度t即为此微穿孔薄金属板的厚度，二者之间通过螺栓连接。
3. 根据权利要求1所述的具有降噪功能的面齿轮传动系统，其特征在于： 上述齿轮箱内壁面上的圆环状结构具体为以下两种方式之一： 方式一：所述圆环状结构为箱体内壁上的一圆环状的凸台结构，其与箱体为同一构 件； 方式二：所述圆环状结构为单独部件，通过磁铁（7-1)或螺栓（7-2)与箱体内壁固连在 一起。
4. 根据权利要求1所述的具有降噪功能的面齿轮传动系统的降噪结构参数设计方法， 其特征在于包括以下过程： 步骤1、参考锥齿轮减速器的规范和要求设计单级面齿轮传动的基本参数； 步骤2、根据特定工况（即面齿轮传动副工作时的输入转速和输入功率），利用面齿轮 传动系统的动力学分析方法求解出面齿轮传动系统的轴承动载荷F(t)，即箱体所受到的激 励力； 步骤3、将F(t)施加到齿轮箱轴承座的中心位置上，利用有限元软件，分析得到箱体表 面节点的时域振动响应速度V(t)，并通过傅里叶变换得到频域的速度响应V(f); 步骤4、建立面齿轮传动箱体的边界元模型，并导入边界元软件，以上一步的频域速度 响应v(f)为边界条件，通过仿真分析得到箱体内部辐射噪声频谱，从而根据频谱图得到箱 体辐射噪声的主要频段，以其中心频率作为共振吸声结构的共振频率f；; 步骤5、设定吸声结构共振时预期的最大吸声系数为αρ代入式（2)计算得到微穿孔 板结构的相对声阻抗r; 步骤6、根据共振频率f；和相对声阻抗r，再由式（3)和式（7)联立得到吸声结构的低 频和高频极限频率f\、f2，代入式（6)计算得到微穿孔板的相对声质量m; 步骤7、由式（10)、（11)和（13)，并且代入穿孔板厚度t、面齿轮背面与箱体内壁之间 的距离D、相对声阻抗r和相对声质量m以及吸声结构的共振频率f；，求解得到微穿孔板常 数Λ，进而由式（12)计算得到微穿孔板的穿孔直径d; 步骤8、由式（9)，代入相对声质量m、微穿孔板常数Λ、穿孔直径d以及面齿轮腹板厚 度t，计算得到穿孔率〇 ; 步骤9、根据上述步骤求得的参数相对声阻率r和相对声质量m，以及已知空腔深度D代入式（1)，以频率f为变量计算得到吸声系数α的变化曲线，即结构的理论吸声效果； 由以上步骤，从而确定微穿孔腹板面齿轮的降噪结构参数：穿孔直径d、穿孔率〇以及 理论吸声系数α; 上述步骤所用公式如下： 微穿孔板吸声结构的吸声系数由下式给出
式中，Ctl为空气中的声速，D为共振腔深度，即为穿孔板与后壁的距离，m为相对声质量，r为相对声阻率，f为声音频率；微穿孔板吸声结构的共振频率f；处的吸声系数可表示为
吸声系数为α乂2时的极限截止频率分别用f\、f2表示；将α乂2代入式（1)并结合式 (3)，通过对其中的余切函数进行近似得到
式中，对于金属微穿孔板，相对声阻率r和相对声质量m可分别表示为
式中，d为微穿孔直径，t为微穿孔板厚度，〇为穿孔率，kJPkm分别为声阻系数和声 质量系数，可表示为
其中，Λ为微穿孔板常数，可通过式（9)计算 A = (、.2\3dy[J (12) 微穿孔板的相对声阻率与相对声质量的比值满足下式关系
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【文档编号】F16H57/028GK104455345SQ201410618181
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】李政民卿, 陈宏尚, 刘新胜, 朱如鹏, 李晓贞, 吴昊, 王晶, 耿骏 申请人:南京航空航天大学