第六章 三环减速器振动和噪声试验分析研究
§6-1 引言
以SHQ40型三环减速器分例，我们对三环减速器进行了固有参数测试、振动和噪声级的测试及分析，验证理论建模及噪声预估值计算的可信程度，分析三环减速器的振动机理及振动、噪声分布。
§6-2 振动噪声试验方案
§6-2.1 振动噪声试验方案设计
试验方案设计示意图如图6-0示。

图6-0 试验方案布置

图中：1，2——控制台；
3——100kw直流测功机；
5——联轴器；
4，6，8，10，12，14——输入转速扭矩传感受器；
7，11——SHQ40；
9——输出转速扭矩传感器；
13——汽车变速箱；
15——50kw直流测功机；
16——输入转速扭矩仪；
17——输出转速扭矩仪；
18，19——交直流机组；
20——传感器；
21——放大器2635型；
22——TEAC-5000WB磁带记录仪；
23——CF-355频谱分析仪；
24——脉冲锤；
25——声强仪，Sound Intensity Analyzer Type 4433；
26——声强仪测头，Tho Sound Intensity Probe Type 3520；
27——CX-335绘图仪；
实物如图6-1及图6-2示；

图6-1 电功率流封闭齿轮运转试验台

试验时，通过控制台1，2调节控制系统让交直流机组18发出适当的直流电压使直流测功机3（工作于恒速电动工况）按恒定转速转动，通过联轴器4，6和输入转速扭矩传感器5与试件7输放端（高速端）相联接。试件7输出端通过联轴器8，10，12，14及输出扭矩传感受器9、升速用11、汽车变速箱13而与直流测功机15（工作于恒电流工况）联接，驱使其发出适当电压的直流电，再通过交直流机组19将其逆变成为工频北流电返回电网，完成整个电功率封闭闭链。

图6-2 控制台

输入转速扭矩传感器5得到的输入转速和输入扭矩信号，通过输入扭矩仪16直接数显读出。同样，输出转速扭矩传感器9得到的输出转速和转速扭矩信号，可通过输出扭矩仪17直接数显读出。
试件7上的振动信号与脉冲激励的响应信号通过传感器20取出信号，然后经过放大器21放大后，用磁带记录仪22记录并可采用频谱分析仪23监控并分析，而其上的噪声信号可以通过声强仪25的测头26取出信号后送入22和23中用于分析研究。
§6-2.2 SHQ40试件及测点布置
SHQ40试件如图6-4（a）（b）所示。
其主要特性参数如下：
一、名称：SHW40
二、传动比：i=16；
三、输出扭矩：Mout=4.196KNm；
四、箱体材料：HT20-40
a.抗拉强度：δ_b=314MPa
b.抗弯强度：δ_bB=520MPa
c.布氏硬义：HB=187～255；
d.抗压强度：δ_bc=736MPa
e.弹性模量：E=118～126GPa
f.切变模量：G=44.3GPa
g.泊松比：μ=0.3
h.密度γ=7.0g/cm³

图6-3 SHQ40三环减速器

五、环板材料：45^#钢
六、齿轮材料：45_#钢
七、齿轮副齿数：
a.内齿轮齿数：51
b.外齿轮齿数：48
八、齿轮齿形：渐开线
九、轴承
a.箱体上：输入轴与支承轴端为深沟球轴承409：
输出端为调心滚子轴承53518
b.环板上：输入轴与支承轴上为E92515。
十、重量：
三环减速器上测点布置如图6-4示。

图6-4 SHQ40试件测点

§6-2.3 试验规程
一、跑合试验
1、在200rpm、300rpm、400rpm、500rpm、600rpm、700rpm、800rpm、900rpm及1000rpm转速下用30号机员跑合二十小时；
2、清选SHQ40，然后加双曲线齿轮油；
3、在400rpm、650rpm-50kgm、850rpm-100kgm、1000rpm-150kgm、1000rpm-200kgm、1000rpm-300kgm、1000rpm-400kgm、1000rpm-440kgm工况下跑合二十小时。
4、清选SHQ40然后加双曲线齿轮油，准备试验。
二、空载试验
1、在转速为400rpm工况下，测定并记录试件SHQ40上测点1～12点的振动速度和加速度；
2、在转速为750rpm工况下，测定并记录试件SHQ40上测点1～12点的振动速度和加速度；
3、在转速为1000rpm工况下，测定并记录试件SHQ40上测点1～12点的振动速度和加速度；
三、加载试验
1、在1000rpm-100kgm工况下测定并记录SHQ40上测点1～12的振动速度、加速度及声压和声强；
2、在1000rpm-250kgm工况下测定并记录SHQ40上测点1～12的振动速度、加速度及声压和声强；
3、在1000rpm-350kgm工况下测定并记录SHQ40上测点1～12的振动速度、加速度及声压和声强；
4、在1000rpm-400kgm工况下测定并记录SHQ40上测点1～12的振动速度、加速度及声压和声强；
四、脉冲激励试验
1、固有特性参数测试
敲击测点1～12，在测点13处记录分析；
2、频响函数测试
沿X向敲击试件SHQ40上输入轴上的14点并记录测点12的响应信号，用于分析计算。
§6-3 SHQ40试件振动频率计算
一、转轴频率
由式（2.3）可计算出SHQ40在各工况下转轴频率，如表6-1示，其中输入轴频率为f_in，输出轴频率为f_out，转速单位转/分（rpm）。

表6-1 转频表

二、轮齿的啮合频率
由式（2.2）可计算出SHQ40在各种工况下轮齿的啮合频率，见表6-2示。

表6-2 啮频表

三、轴承频率
由式（2.4）、（2.5）、（2.6）、（2.7）可计算出各轴承在不同工况下的外圈频率for、内圆频率fin滚子元件频率fb及保持架频率fo,见表6-3示

表6-3 轴承频率

四、平面四杆机构产生的激励频率

由式（2.8）、式（2.9）可计算出在各种工况下由平面四杆机构所产生的激励频率如表6-4。
表6-4 平面四杆机构死点冲击激励频率表

五、箱体固有频率
见第三章表3-1。
§6-4 SHQ40固有频率试验
本试验采用脉冲激励法中的锤击法测试SHQ40三环减速器的固有频率，有关脉冲激励法的理论及方法已在第三章中详细论述过了。
脉冲激励信号采样的触发值的大小及方法、位置及其窗函数如图6-5所录。脉冲响应信号所加的窗函数——指数窗如图6-6所示。

图6-5 脉冲激励信号力窗

图6-6 脉冲响应信号指数窗

脉冲激励信号及响应信号的时域波形及自功率谱密度函数分别如图6-7和图6-8示。由图中可以看出，脉冲激励信号及其响应信号都较为理想。
在本试验中，通过锤击SHQ40试件上的测点1～12，而在测点13上记录其响应信号，在此我们仅取测点及测点5来讨论。

图6-7 脉冲激励信号

图6-8 脉冲响应信号

图6-9 13Z-5Z测试

图6-10 13X-5Z测试

图6-11 13Z-8Z测试

图6-12 13X-8Z测试

图6-9及图6-10分别是锤击测点5Z方向而在测点13Z向和X向采集响应信号经CF-355型频谱分析仪分析后而得出的频响函数及其相干函数以及SHQ40前十二阶模态固有频率值，其与理论建模通过FEM法计算而得的固有频率值对比见表6-5。
图6-11及图6-12分别是锤击测点8Z方向而在测点13Z向和X向采集信号经CF-355型频谱分析仪分析后而得出的频响函数、相干函数以及SHQ40前十二阶模态固有频率值，其与理论建模通过FEM法计算出的固有频率值对比见表6-6示。
从表6-5和表6-6中固有频率的理论建模通过FEM法算出的计算值与脉冲激励阶测出的试验值对比可知，它们前十二阶模态的固有频率值相符性较好，尽管存在一定的误差，但都在允许的范围之内。换句话说，我们建立的理论模型在一定的范围内（本文只研究了前十二阶模态950HZ以内的范围）是可以替代实际的结构用于分析、研究及计算。
造成固有频率计算值与试验值之间误码率差的因素有以下几个方面：
1、由实际结构进行一定简化而建立理论模型而带来的误差；
2、FEM法本身所带来的近似误差；
3、加在理论模型上的约束和载荷与实际结构的工况之间误差；
下面我们列出SHQ40振动系统850HZ-2KHZ间各阶模态固有频率的试验值。如图6-13示。图中左上部为相干函数，左下部图为频响函数图，而右半图部分为十三阶到三十一阶固有频率值及其相干值。

表6-5 固有频率计算值与试验对比表

表6-6 固有频率计算值与试验对比表

阶固有频率值及其相干值。

图6-13 固有频率值及相干值

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