机械工程中齿轮传动系统振动噪声控制研究

一、引言

尽管目前国内和国外已经有很多学者对齿轮传动系统振动噪声控制展开了深入的研究，比如通过齿面修形减小啮合激励、使用阻尼材料减振消能等方式，但是对于在变载荷、高温等复杂工作状态下的齿轮系统而言，单一控制技术存在适用范围不大、控制效果不稳定等问题。比如传统的阻尼涂层，大于 80^∘C 时阻尼性能就会下降 30% 以上，单一齿面修形技术也难以有效地控制因变载荷而引起的动态冲击。因此，更深入地理解齿轮传动系统振动噪声的发生机理，开展高效、适合的集成化控制技术研究，不仅是基于机械装备系统整体性能提升与满足工业高质量发展需要的现实迫切需要与理论意义重大的问题，更是机械工程科学技术领域继续向前发展的关键方向之一。

二、齿轮传动系统振动噪声产生机理

2.1 啮合激励的内在机制

齿轮副啮合激励是齿轮系统振动噪声产生的本源，其本质原因是轮齿啮合过程中的周期性动不平衡。理论上渐开线齿面应为连续接触，实际加工中，由于齿向误差、齿距累计误差等齿形误差引起的啮合点位置偏差，使得接触线偏离理想轨迹而产生冲击。当轮齿逐步进入啮合并逐渐退出啮合时，啮合刚度会发生“ 增大—恒定—减小” 的周期性变化，会诱发轴系扭转振动和弯曲振动。

轮齿重合度对啮合激励强度具有显著影响：当重合度 <1.2 时，单对轮齿承载占比增加，载荷集中效应加剧，刚度波动幅度超过 30% ；当重合度 >1.8 时，多对轮齿协同承载，能够有效平抑刚度波动，降低振动激励。此外，在高速运转状态下，齿面相对滑动速度增大，摩擦系数随温度升高而发生变化，形成 “ 摩擦 - 振动” 耦合效应，这一效应会进一步加剧啮合动态载荷，使振动幅值提升 15‰

2.2 结构振动的传递路径

振动能量传递效率直接影响噪声辐射水平，齿轮传动系统振动传递路径具有“ 齿轮—轴—轴承—箱体” 四级耦合的特性，齿轮振动通过轮齿接触向轴系传递，引起轴系扭转和横向振动，测得，轴径降低 10% ，横向振动幅值增大约 25% 以上；轴承是系统中重要的联结部件，轴承类型和精度影响振动传递效率的高低：滚动轴承点接触的运动特性导致振动传递效率高达 80% ，极易将轴系振动传递至箱体，滑动轴承利用油膜黏滞阻尼可衰减振动能量达 40‰

三、齿轮传动系统振动噪声控制关键技术

3.1 结构优化设计技术

从激励源本身开始对整个结构进行优化设计来降低振动激励是控制齿轮传动系统振动噪声的关键环节。对于齿面拓扑修形进行控制，齿面拓扑修形尤其显著，在齿轮表面鼓形修形时在齿面中部的位置做一个0.01-0.03mm 的凸起，能弥补齿轮的安装偏差，可以削减啮合冲击；将齿顶修缘长度控制在 0.5-1.0 倍模数内，可以减少齿顶冲击，刚度波动减小20‰ 。对于参数进行控制，当模数增加 10% 时，轮齿的弯曲刚度能够增强 15%-20% ；压力角从 20^∘ 增至 25^∘ 时，齿承载能力能够增加 12%-15% ，从而可以降低由于齿的塑性变形造成的振动。

在箱体优化设计中，采用有限元拓扑技术，在保证箱体质量不变的前提下调整材料分布，可使箱体固有频率提高 10%-15% ，有效避开激励频率；若选用碳纤维 / 环氧树脂复合材料制作箱体，其阻尼比是铸铁的 3-5 倍，能够有效衰减振动能量，降低噪声辐射。

3.2 振动隔离与阻尼减振技术

振动隔离技术通过弹性元件改变系统固有频率，避免系统发生共振：在轴承座与箱体之间安装橡胶隔振器，当隔振器固有频率 < 激励频率 /√2时，隔振效率可超过 60% ；在箱体与基础之间设置空气弹簧，因其刚度可连续调节，能将振动传递率降至 0.2 以下。

阻尼减振技术通过能量耗散来衰减振动：在箱体表面喷涂 1-3mm 厚的丁基橡胶阻尼涂层，可使箱体阻尼比提升 2-3 倍，振动衰减率提高30%40% ；在轴系上安装磁流变阻尼器，其响应时间 <5ms ，能够实时抑制变载荷下轴系的振动，适配性较强。

3.3 主动控制与智能调节技术

主动控制技术通过构建 “ 传感器 - 控制器 - 执行器” 闭环系统，实现对振动的精准动态补偿：加速度传感器以 ≥2kHz 的采样频率采集振动信号，确保能够捕捉到高频振动成分；控制器采用最小均方算法，实时调整滤波系数，响应延迟 <10ms ；压电作动器的位移分辨率达 0.1μm ，可通过输出反向力抵消振动，使振动幅值降低 40‰ 。

主动控制技术通过结合 AI 人工智能算法提高控制技术的适应性：BP神经网络预测模型以转速、负载等参数为输入预测精度超过 90% ，可以提前预估振动趋势；模糊控制算法可以使作动器输出可以动态优化，使变工况控制效果的抖动率 <10‰ 。结合数字孪生技术和主动控制技术，虚拟模型映射到物理系统的状态实现控制参数离线优化和在线迭代，提高控制效率。

四、齿轮传动系统振动噪声控制优化方向

4.1 多技术协同控制

在复杂工况下，单一控制方法很难解决振动噪声问题，多技术协同控制可以采用“ 源头抑制—路径阻断—主动补偿” 三级控制方式：齿面修形将激励幅值减小 20%～30% ，橡胶隔振器将振动传递效率衰减 50% 以上，压电主动控制消除残余振动，达到对振动噪声进行深度抑制的目的。在多技术协同控制中，参数匹配尤为重要，例如齿面修形量为 0.02mm 时，隔振器的刚度宜选择 5～8kN/m ，避免发生振动放大；主动控制必须覆盖啮合频率和2～3 次谐波，使补偿有效。基于多物理场耦合仿真平台，可对协同控制方案进行仿真分析，可以达到控制参数全局优化的目的。

4.2 新材料与新结构应用

提出了以新材料研发为手段的振动噪声控制新方案：采用SMA（形状记忆合金）制备齿轮轮缘，其阻尼比为0.05-0.1，是钢的3-5 倍；陶瓷基复合材料（CMC）制备齿轮可降低齿轮的转动惯量，并适高温工作。针对新结构的研究方案：采用镂空式齿轮轴并填阻尼材料，使振动衰减率增大30%40% ；采用分体式箱体并设置弹性密封层，减少振动传递；采用磁悬浮轴承实现无接触支撑，消除滚动摩擦振动，噪声低 20-30dB

4.3 绿色节能控制技术

“ 双碳” 目标下，在振动噪声控制领域，绿色节能的发展是重要的准则之一。在主动控制中使用的低功耗压电作动器，其功率损耗仅为电磁作动器功耗的 1/5，结合间歇控制策略，能耗还可降低 30%-40% ；采用降解率590% 的聚乳酸基阻尼材料，减少环境污染排放。同时有效的振动抑制可以实现延长装备使用性能寿命，例如齿面修形可以使齿轮寿命提高 50% ，减少轴承故障则可以使平均无故障工作时间(MTBF)提升 40%-60% ，也具有节能的间接效果；同时还可以采用振动能量回收方式，将压电装置转化为电能提供传感器的用电，实现能量自供。

五、结束语

未来，随着人工智能、数字孪生等技术与振动噪声控制技术的深度融合，齿轮传动系统振动噪声控制将向 “ 自适应诊断 - 自优化调控” 的智能方向发展，有望实现复杂工况下的精准控制，为机械装备向高端化、绿色化升级提供核心保障，助力工业领域实现高质量可持续发展。

参考文献：

[1]刘帅. 面齿轮分路共轴高速直升机齿轮系统构型设计与参数优化[D]. 南京航空航天大学, 2021.

[2]付景博. 喷油润滑参数对工程机械变速箱齿轮传动性能的影响[D].郑州大学, 2023.

[3]陈振涛. 轴向耦合永磁行星齿轮传动研究[D]. 济南大学, 2023.