CN104976318A - 具有降噪结构的齿轮及其齿轮传动装置 - Google Patents

Abstract

一种具有降噪结构的齿轮及其齿轮传动装置，其齿轮轮体上设置的降噪结构含一个与所述齿轮轮体端面相平行的微穿孔环形薄板，其环形内孔直径至少不小于所述的齿轮轮体的孔径；所述的微穿孔环形薄板上布有多个微小穿孔；一个连接固定边缘与所述的微穿孔环形薄板外缘相连，其外径至少不大于所述齿轮的齿根圆直径；所述的微穿孔环形薄板借助于所述的连接固定边缘固定到所述的齿轮轮体上；所述的微穿孔环形薄板的内表面与所述的齿轮轮体端面之间具有一个空腔；由此，形成一个密封的亥姆霍兹共振腔降噪结构；所述的齿轮传动装置采用上述齿轮。本发明结构简单，易于加工和安装，能够在传动箱体内部降低噪音，从而降低齿轮传动中的噪声。

Description

具有降噪结构的齿轮及其齿轮传动装置

技术领域

本发明属于齿轮传动系统降噪技术领域，涉及一种具有降噪结构的齿轮及其齿轮传动装置。

背景技术

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，被广泛应用于交通工具和机床等机械装置中。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正常运转，而且对人的身心健康有害。因此，实现齿轮传动中的降噪方法已经成为一个很重要的课题。现有的齿轮传动系统降噪技术，大多是通过抑制振动来达到降低噪声的目的，而对于箱体内部噪声辐射对箱体造成的二次激励并没有得到足够的重视，因此迫切需要一种在箱体内部降低噪音的方法，以减小甚至消除由于箱体内部噪声辐射对箱体造成的二次激励，从而达到降低噪声的目的。

专利申请“微穿孔腹板面齿轮降噪结构及其降噪结构参数设计方法”(申请号：201410618181.4)公开了一种用于腹板面齿轮的降噪结构，它利用在面齿轮体上加工微穿孔或设置微孔板，并配合传动机构的箱体形成降噪空腔，在传动箱内构成噪声消减效果。这种齿轮及其传导机构的缺陷是：齿轮上微穿孔不易加工，而微孔板安装比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种具有降噪结构的齿轮及其齿轮传动装置，其结构简单，易于加工和安装，能够在传动箱体内部降低噪音，可以减小甚至消除由于箱体内部噪声辐射对箱体造成的二次激励，从而降低齿轮传动中的噪声。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种具有降噪结构的齿轮，包括齿轮轮体，其特征在于：所述的齿轮轮体上至少设置有一个降噪结构；所述的降噪结构包括一个与所述的齿轮轮体端面相平行的微穿孔环形薄板，其环形内孔直径至少不小于所述的齿轮轮体的孔径；所述的微穿孔环形薄板上布有多个微小穿孔；还包括一个与所述的微穿孔环形薄板外缘相连的连接固定边缘，其外径至少不大于所述齿轮的齿根圆直径；所述的微穿孔环形薄板借助于所述的连接固定边缘固定到所述的齿轮轮体上；所述的微穿孔环形薄板的内表面与所述的齿轮轮体(200)端面之间具有一个空腔；由此，安装到齿轮轴上后，形成一个封闭的亥姆霍兹共振腔降噪结构。

所述的降噪结构的微穿孔环形薄板与其外缘上的连接固定边缘之间，设置有一个圆柱形薄壁套筒；上述微穿孔环形薄板、圆柱形薄壁套筒和连接固定边缘构成一个微穿孔薄壁盖板，并借助于所述的连接固定边缘固定到所述的齿轮轮体上；所述的微穿孔薄壁盖板的内表面与所述的齿轮轮体端面之间具有一个空腔；由此，形成一个封闭的亥姆霍兹共振腔降噪结构。在所述的齿轮轮体的两个端面各设置有一个微穿孔环形薄板，分别用借助于外缘上连接固定边缘安装到所述的齿轮轮体的两个端面上。

在所述的齿轮轮体的两个端面各设置有一个所述的微穿孔薄壁盖板，分别借助于所述的连接固定边缘安装到所述的齿轮轮体的两个端面上。

在所述的齿轮轮体的一个端面设置有一个所述的微穿孔环形薄板，另一个端面设置有所述的微穿孔薄壁盖板，分别借助于其外缘上的连接固定边缘安装到所述的齿轮轮体的两个端面上。

一种具有降噪结构的齿轮传动装置，其特征在于：使用以上所述的齿轮。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明所述的齿轮降噪结构根据噪声本身的特性，在不改变齿轮传动性能的前提下，对齿轮结构进行改造，以实现降噪目的。

2.本发明所述的降噪结构能够在箱体内部降低噪音，可以减小甚至消除由于箱体内部噪声辐射对箱体造成的二次激励，从而降低齿轮传动中的噪声

3.可根据情况，选择单面或双面设置齿轮降噪结构，形成不同的降噪效果，还能够分别对不同频率的高、低频率噪声进行降噪，从而扩宽了降噪的范围，优化了高、低频率噪声的降噪效果。

附图说明

图1是本发明所述的微穿孔环形薄板示意图。

图2是本发明所述的微穿孔薄壁盖板结构示意图。

图3A、3B分别是带腹板的齿轮轮体的主视图、右视图。

图4是整体形圆柱齿轮轮体示意图。

图5是整体形锥齿轮轮体示意图。

图6是本发明所述的具有单面齿轮降噪结构的带腹板的圆柱齿轮示意图。其中，齿轮一端设置有一个微穿孔环形薄板形齿轮降噪结构。

图7是本发明所述的具有双面齿轮降噪结构的带腹板的圆柱齿轮示意图。其中，齿轮双端均设置一个微穿孔环形薄板形齿轮降噪结构。

图8是本发明所述的具有单面齿轮降噪结构的整体形圆柱齿轮示意图。其中，圆柱齿轮一端设置有微穿孔薄壁盖板齿轮降噪结构。

图9是本发明所述的具有双面齿轮降噪结构的整体形圆柱齿轮示意图。其中，圆柱齿轮双端均设置一个微穿孔薄壁盖板齿轮降噪结构。

图10是本发明所述的具有双面齿轮降噪结构的带腹板的圆柱齿轮示意图。其中，齿轮两端分别设置一个微穿孔环形薄板形齿轮降噪结构和一个微穿孔薄壁盖板齿轮降噪结构。

图11是本发明所述的具有单面齿轮降噪结构的整体形锥齿轮示意图。其中，锥齿轮单面设置微穿孔薄壁盖板齿轮降噪结构。

图12是本发明所述的具有双面齿轮降噪结构的整体形锥齿轮示意图。其中，锥齿轮双面均设置一个微穿孔薄壁盖板齿轮降噪结构。

图13是本发明所述的具有双面微穿孔环形薄板齿轮降噪结构的柱形齿轮在齿轮箱中的安装示意图。

图14是本发明所述的双面微穿孔薄壁盖板齿轮降噪结构在齿轮箱中的安装示意图。

图15是本发明所述的实施例中双面齿轮降噪结构的理论吸声效果示意图，显示了吸声系数随声音频率的变化趋势。

其中，齿轮轮体200，300齿轮腹板；100降噪结构，110微穿孔环形薄板，111微穿孔，连接固定边缘112、固定孔113，固定件114，微穿孔薄壁盖板120，圆柱形薄壁套筒121。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种具有降噪结构的齿轮，包括齿轮轮体(200)，其特征在于：所述的齿轮轮体(200)上至少设置有一个降噪结构(100)。如图6所示，所述的降噪结构(100)包括一个与所述的齿轮轮体(200)端面相平行的微穿孔环形薄板(110)，其环形内孔直径至少不小于所述的齿轮轮体(200)的孔径；所述的微穿孔环形薄板(110)上布有多个微小穿孔(111)；还包括一个与所述的微穿孔环形薄板(110)外缘相连的连接固定边缘(112)，其外径至少不大于所述齿轮的齿根圆直径；所述的微穿孔环形薄板(110)借助于所述的连接固定边缘(112)固定到所述的齿轮轮体(200)上；所述的微穿孔环形薄板(110)的内表面与所述的齿轮轮体(200)端面之间具有一个空腔；由此，在安装有齿轮轴时，形成一个封闭的亥姆霍兹共振腔降噪结构。

在实际工程应用中，上述的微穿孔环形薄板(110)上布有的多个微小穿孔(111)的直径大小根据齿轮传动结构的实际工况进行计算确定。

所述的降噪结构(100)的微穿孔环形薄板(110)与其外缘上的连接固定边缘(112)之间，设置有一个圆柱形薄壁套筒(121)；如图8所示，上述微穿孔环形薄板(110)、圆柱形薄壁套筒(121)和连接固定边缘(112)构成一个微穿孔薄壁盖板(120)，并借助于所述的连接固定边缘(112)固定到所述的齿轮轮体(200)上；所述的微穿孔薄壁盖板(120)的内表面与所述的齿轮轮体(200)端面之间具有一个空腔；由此，形成一个封闭的亥姆霍兹共振腔降噪结构。

在实际工程应用中，上述的微穿孔环形薄板(110)、圆柱形薄壁套筒(121)和连接固定边缘(112)所构成的微穿孔薄壁盖板(120)可以采用一体式结构。

在所述的齿轮轮体(200)的两个端面各设置有一个微穿孔环形薄板(110)，分别用借助于外缘上连接固定边缘(112)安装到所述的齿轮轮体(200)的两个端面上，如图7所示。在所述的齿轮轮体(200)的两个端面各设置有一个所述的微穿孔薄壁盖板(120)，分别借助于所述的连接固定边缘(112)安装到所述的齿轮轮体(200)的两个端面上，如图9所示。在所述的齿轮轮体(200)的一个端面设置有一个所述的微穿孔环形薄板(110)，另一个端面设置有所述的微穿孔薄壁盖板(120)，分别借助于其外缘上的连接固定边缘(112)安装到所述的齿轮轮体(200)的两个端面上，如图10所示。

在实际使用中，就齿轮结构而言，仅有所述的微穿孔环形薄板(110)构成的降噪结构适用于具有齿轮腹板(300)的齿轮上；而微穿孔薄壁盖板(120)降噪结构即可使用于齿轮腹板齿轮，也可用于整体形齿轮。就齿轮类型而言，上述降噪结构适用于柱形齿轮和锥形齿轮。本发明的一种具有降噪结构的齿轮传动装置，其特征在于：使用上述的齿轮，图13是本发明所述的具有双面微穿孔环形薄板齿轮降噪结构的圆柱形齿轮传动装置，图14是本发明所述的双面微穿孔薄壁盖板齿轮降噪结构的齿轮传动装置。

本发明的降噪结构与齿轮的连接方式包括：

(1)在齿轮轮体侧面边缘处攻螺纹孔，降噪结构借助于连接固定边缘(112)上的固定孔(113)、紧固螺钉固定件(114)固定在齿轮上；

(2)通过焊接的方式把降噪结构固定在齿轮上；

(3)通过胶接的方式把降噪结构固定在齿轮上。

在齿轮参数设计时，齿轮双端的降噪结构的2块微穿孔板的吸声参数可以是相同的，以便增强对特定频域范围噪声的降噪效果；2块微穿孔板的吸声参数也可以是不同的，从而分别针对不同频域范围的噪声进行吸声降噪。

齿轮降噪结构参数设计实例：

针对如下参数的单级圆柱齿轮传动结构进行两端带有微穿孔板的齿轮降噪结构的降噪参数设计。齿轮模数：4mm，压力角：20°，齿宽：20mm，齿轮1齿数：30，齿轮2齿数：120，输入功率P：262KW，输入转速：5000r/min，采用图3所示的带腹板的齿轮轮体结构，微穿孔板厚度t：0.5mm，微穿孔板到齿轮腹板之间的距离D：60mm。

1)建立单级圆柱齿轮传动系统的动力学模型，求解得到传动系统的轴承动载荷F(t)，即箱体所受到的激励力；

2)将动载荷F(t)加到齿轮箱轴承座上，然后对齿轮箱体进行有限元分析，得到箱体表面的速度响应，把输入与输出轴附近箱体的响应通过傅里叶变换得到频域速度响应v(f)；

3)利用边界元软件，以得到的箱体表面频域速度响应v(f)为边界条件，分析得到箱体内部辐射噪声频谱，根据噪声频谱，选取其两个噪声峰值频率330HZ和660HZ分别作为两端齿轮降噪结构的两个共振降噪结构的共振频率f_r1和f_r2；

4)设定降噪结构共振时预期的最大吸声系数为α_r＝0.96，代入式(2)计算得到微穿孔板结构的相对声阻抗r＝1.5，此处取求解得到的两个解中的较大值；

5)根据共振频率f_r和相对声阻抗r，再由式(3)和式(7)联立得到降噪结构的低限和高限截止频率分别为f_1(r1)＝211Hz、f_2(r1)＝513Hz，f_1(r2)＝290Hz、f_2(r2)＝1498Hz，并代入式(6)计算得到微穿孔板的相对声质量m₁＝1.3613×10^-3，m₂＝5.2043×10^-4；

6)由式(10)、(11)和(13)，并且代入穿孔板厚度t＝0.5mm、齿轮端面到微穿孔板的距离D＝60mm、相对声阻抗r＝1.5和相对声质量m₁＝1.3613×10^-3，m₂＝5.2043×10^-4以及降噪结构的共振频率f_r1＝330Hz和f_r2＝660Hz，求解得到微穿孔板常数Λ₁＝3.4554、Λ₂＝2.4708，进而由式(12)计算得到微穿孔板的穿孔直径d₁＝0.91mm、d₂＝0.52mm；

7)由式(9)和(10)联立，并带入已求得的参数，可得微穿孔板的穿孔率σ₁＝0.3％，σ₁＝0.66％，从而得出微小穿孔的个数；

8)由式(1)可求得各个频率值处的吸声系数值α。

上述步骤所用公式如下：

微穿孔板降噪结构的吸声系数由下式给出

$\mathrm{\α}=\frac{4r}{{(1+r)}^2+{[2\mathrm{\πfm}-\cot (2\mathrm{\πfD}/c_0)]}^2}---\left(1\right)$

式中，c₀为空气中的声速，D为共振腔深度，即为微穿孔板与齿轮腹板间的距离，m为相对声质量，r为相对声阻率，f为声音频率；微穿孔板降噪结构的共振频率f_r处的吸声系数可表示为

${\mathrm{\α}}_r=\frac{4r}{{(1+r)}^2}---\left(2\right)$

吸声系数为α_r/2时的极限截止频率分别用f₁、f₂表示；将α_r/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

f_r ²＝f₁·f₂   (3)

$f_r=\frac{c_0}{2\mathrm{\π}\sqrt{m{\mathrm{Dc}}_0+0.356D^2}}---\left(4\right)$

$f_1=\frac{-(1+r)+\sqrt{{(1+r)}^2+4{\mathrm{mc}}_0/D+1.424}}{4\mathrm{\πm}+1.424\mathrm{\πD}/c_0}---\left(5\right)$

$f_2=\frac{(1+r)+\sqrt{{(1+r)}^2+4{\mathrm{mc}}_0/D+1.424}}{4\mathrm{\πm}+1.424\mathrm{\πD}/c_0}---\left(6\right)$

$f_2-f_1=\frac{2\mathrm{\πD}{f}_r^2(1+r)}{c_0}---\left(7\right)$

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

$r=\frac{3.270\×{10}^{-3}}{d^2}\frac{t}{\mathrm{\σ}}{k}_r---\left(8\right)$

$m=(2.939\×{10}^{-6})\frac{t}{\mathrm{\σ}}{k}_m---\left(9\right)$

式中，d为微穿孔直径，t为微穿孔板厚度，σ为穿孔率，k_r和k_m分别为声阻系数和声质量系数，可表示为

$k_r=\sqrt{1+\frac{{\mathrm{\Λ}}^2}{32}}+\frac{\sqrt{2}\mathrm{\Λ}}{8}\frac{d}{t}---\left(10\right)$

$k_m=1+\sqrt{\frac{2}{18+{\mathrm{\Λ}}^2}}+0.85\frac{d}{t}---\left(11\right)$

其中，Λ为微穿孔板常数，可通过式(9)计算

$\mathrm{\Λ}=0.213d\sqrt{f}---\left(12\right)$

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

$\frac{r}{m}=\frac{50.48f}{{\mathrm{\Λ}}^2}\frac{k_r}{k_m}---\left(13\right).$

Claims (6)

1.一种具有降噪结构的齿轮，包括齿轮轮体（200），其特征在于：所述的齿轮轮体（200）上至少设置有一个降噪结构（100）；所述的降噪结构（100）包括一个与所述的齿轮轮体（200）端面相平行的微穿孔环形薄板（110），其环形内孔直径至少不小于所述的齿轮轮体（200）的孔径；所述的微穿孔环形薄板（110）上布有多个微小穿孔（111）；还包括一个与所述的微穿孔环形薄板（110）外缘相连的连接固定边缘（112），其外径至少不大于所述齿轮的齿根圆直径；所述的微穿孔环形薄板（110）借助于所述的连接固定边缘（112）固定到所述的齿轮轮体（200）上；所述的微穿孔环形薄板（110）的内表面与所述的齿轮轮体（200）端面之间具有一个空腔；由此，形成一个封闭的亥姆霍兹共振腔降噪结构。

2.根据权利要求1所述的一种具有降噪结构的齿轮，其特征在于：所述的降噪结构（100）的微穿孔环形薄板（110）与其外缘上的连接固定边缘（112）之间，设置有一个圆柱形薄壁套筒（121）；上述微穿孔环形薄板（110）、圆柱形薄壁套筒（121）和连接固定边缘（112）构成一个微穿孔薄壁盖板（120），并借助于所述的连接固定边缘（112）固定到所述的齿轮轮体（200）上；所述的微穿孔薄壁盖板（120）的内表面与所述的齿轮轮体（200）端面之间具有一个空腔；由此，形成一个封闭的亥姆霍兹共振腔降噪结构。

3.根据权利要求1所述的一种具有降噪结构的齿轮，其特征在于：在所述的齿轮轮体（200）的两个端面各设置有一个微穿孔环形薄板（110），分别用借助于外缘上连接固定边缘（112）安装到所述的齿轮轮体（200）的两个端面上。

4.根据权利要求2所述的一种具有降噪结构的齿轮，其特征在于：在所述的齿轮轮体（200）的两个端面各设置有一个所述的微穿孔薄壁盖板（120），分别借助于所述的连接固定边缘（112）安装到所述的齿轮轮体（200）的两个端面上。

5.根据权利要求1或2所述的一种具有降噪结构的齿轮，其特征在于：在所述的齿轮轮体（200）的一个端面设置有一个所述的微穿孔环形薄板（110），另一个端面设置有所述的微穿孔薄壁盖板（120），分别借助于其外缘上的连接固定边缘（112）安装到所述的齿轮轮体（200）的两个端面上。

6.一种具有降噪结构的齿轮传动装置，其特征在于：使用上述权利要求1至4任一项所述的齿轮。