Gearbox Noise——Correlation with Transmission Error and Influence of Bearing Preload
ABSTRACT
The five appended papers all deal with gearbox noise and vibration. The first paper presents a review of previously published literature on gearbox noise and vibration.
The second paper describes a test rig that was specially designed and built for noise testing of gears. Finite element analysis was used to predict the dynamic properties of the test rig, and experimental modal analysis of the gearbox housing was used to verify the theoretical predictions of natural frequencies.In the third paper, the influence of gear finishing method and gear deviations on gearbox noise is investigated in what is primarily an experimental study. Eleven test gear pairs were manufactured using three different finishing methods. Transmission error, which is considered to be an important excitation mechanism for gear noise, was measured as well as predicted. The test rig was used to measure gearbox noise and vibration for the different test gear pairs. The measured noise and vibration levels were compared with the predicted and measured transmission error. Most of the experimental results can be interpreted in terms of measured and predicted transmission error. However, it does not seem possible to identify one single parameter,such as measured peak-to-peak transmission error, that can be directly related to measured noise and vibration. The measurements also show that disassembly and reassembly of the gearbox with the same gear pair can change the levels of measured noise and vibration considerably.This finding indicates that other factors besides the gears affect gear noise.In the fourth paper, the influence of bearing endplay or preload on gearbox noise and vibration is investigated. Vibration measurements were carried out at torque levels of 140 Nm and 400Nm, with 0.15 mm and 0 mm bearing endplay, and with 0.15 mm bearing preload. The results show that the bearing endplay and preload influence the gearbox vibrations. With preloaded bearings, the vibrations increase at speeds over 2000 rpm and decrease at speeds below 2000 rpm, compared with bearings with endplay. Finite element simulations show the same tendencies as the measurements.The fifth paper describes how gearbox noise is reduced by optimizing the gear geometry for decreased transmission error. Robustness with respect to gear deviations and varying torque is considered in order to find a gear geometry giving low noise in an appropriate torque range despite deviations from the nominal geometry due to manufacturing tolerances. Static and dynamic transmission error, noise, and housing vibrations were measured. The correlation between dynamic transmission error, housing vibrations and noise was investigated in speed sweeps from 500 to 2500 rpm at constant torque. No correlation was found between dynamic transmission error and noise. Static loaded transmission error seems to be correlated with the ability of the gear pair to excite vibration in the gearbox dynamic system.
Keywords: gear, gearbox, noise, vibration, transmission error, bearing preload.
- INTRODUCTION
1.1 Background
Noise is increasingly considered an environmental issue. This belief is reflected in demands for lower noise levels in many areas of society, including the working environment. Employees spend a lot of time in this environment and noise can lead not only to hearing impairment but also to decreased ability to concentrate, resulting in decreased productivity and an increased risk of accidents. Quality, too, has become increasingly important. The quality of a product can be defined as its ability to fulfill customersrsquo; demands. These demands often change over time, and the best competitors in the market will set the standard.Noise concerns are also expressed in relation to construction machinery such as wheel loaders and articulated haulers. The gearbox is sometimes the dominant source of noise in these machines.Even if the gear noise is not the loudest source, its pure high frequency tone is easily distinguished from other noise sources and is often perceived as unpleasant. The noise creates an impression of poor quality. In order not to be heard, gear noise must be at least 15 dB lower than other noise sources, such as engine noise.
1.2 Gear noise
This dissertation deals with the kind of gearbox noise that is generated by gears under load.This noise is often referred to as “gear whine” and consists mainly of pure tones at high frequencies corresponding to the gear mesh frequency and multiples thereof, which are known as harmonics. A tone with the same frequency as the gear mesh frequency is designated the gear mesh harmonic, a tone with a frequency twice the gear mesh frequency is designated the second harmonic, and so on. The term “gear mesh harmonics” refers to all multiples of the gear mesh frequency.Transmission error (TE) is considered an important excitation mechanism for gear whine. Welbourn [1] defines transmission error as “the difference between the actual position of the output gear and the position it would occupy if the gear drive were perfectly conjugate.” Transmission error may be expressed as angular displacement or as linear displacement at the pitch point. Transmission error is caused by deflections, geometric errors, and geometric modifications.In addition to gear whine, other possible noise-generating mechanisms in gearboxes include gear rattle from gears running against each other without load, and noise generated by bearings.In the case of automatic gearboxes, noise can also be generated by internal oil pumps and by clutches. None of these mechanisms are dealt with in this work, and from n
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变速箱噪声——相关的传输错误和轴承预压的影响
摘要
论文描述了该试验台是专门设计和建造噪音齿轮测试。有限元分析，用于预测试验台的动态特性和实验的变速箱壳体模态分析用于验证自然试验台。这第三个文件，齿轮精加工方法和变速箱齿轮的偏差影响的理论预测噪声主要是研究在什么的实验研究。十对被测试设备制造使用三种不同的整理方法。传输错误，这被认为是一个重要的激励机制齿轮噪音，测量以及预测。该试验台是用于测量变速箱噪音及不同的测试装置对振动。测得的噪音和振动水平进行比较，预测和实测的传输错误。实验结果大多可以解释和预测传输测量误差项。但是，它似乎并不能够确定一个单一的参数，如测得的峰 - 峰值传输错误，可直接与测得的噪声和振动。测量结果还显示，拆卸和使用相同的变速箱齿轮副重组可以改变测得噪声和振动.这个水平发现表明，除了其他因素的影响齿轮齿轮噪音。第四，轴承影响或变速箱噪音和振动预紧力进行了调查。振动测量均在140牛米和400nm的扭矩水平，用0.15毫米和0毫米轴承间隙，并用0.15 mm轴承预紧力。结果表明，轴承间隙和预紧力影响变速箱的振动。预装轴承，振动增加超过2000转和2000转的速度低于下降速度，相比与轴端间隙轴承。有限元模拟表现出同样的倾向作为测量值。第五本文介绍如何通过优化变速箱噪声为减少传输错误齿轮几何减少。关于齿轮偏差和不同扭矩的鲁棒性考虑，以便找到一个齿轮几何给予尽管从名义几何由于制造公差偏差范围内以适当的扭矩，噪音低。静态和动态的传输错误，噪声，振动测量和该。之间的动态传输错误，房屋振动和噪声的相关性研究了扫描速度从500到2500在恒转矩转速。没有相关关系的动态传递误差和噪声。静态加载的传输错误似乎与齿轮副的能力，激发动力系统中的齿轮箱振动相关。
关键词：齿轮，变速箱，噪声，振动，传输错误，轴承预紧力。
1 引言
1.1背景
噪音是越来越认为是环境问题。这种信念体现在许多领域中的社会，包括工作环境，降低噪音水平的要求。在这种环境下员工花了很多时间和噪声不仅会导致听力损伤，而且要集中能力下降，生产力下降和事故造成的风险增加。质量也变得越来越重要。一个产品的质量可以被定义为有能力满足客户的需求。这些要求往往随时间而改变，而在市场上最好的竞争对手将设置标准。噪音问题也涉及到工程机械的轮式装载机和铰接式这样表示。变速箱是有时在这些机械中。甚至噪音的主要来源，如果齿轮噪音并不是最响亮的来源，它的纯高频音很容易区别于其他噪声源，通常为不愉快的感觉。噪音创建了一个质量差的印象。为了不被听到，齿轮噪声必须至少15分贝外，其他噪声源，例如发动机噪音低
1.2齿轮噪音
随着变速箱噪声是一种由下负载。这种噪音齿轮生成此论文交易是通常被称为“齿轮哀鸣”，并包括在高频率所对应的齿轮啮合频率和倍数，这是已知的纯色调为主为谐波。一个与齿轮啮合频率相同的频率音调被指定为谐波齿轮啮合，一个频率音调的两倍齿轮啮合频率被指定为二次谐波，依此类推。术语“谐波齿轮啮合”指的是齿轮啮合频率。变速箱错误（TE）的倍数被认为是重要的激励机制齿轮哀鸣。Welbourn [1]定义为“之间的输出齿轮的实际位置和地位，将占据如果齿轮传动是完美结合的差异。”传输错误传输错误可能表现为角位移或在球场上点线位移。传输错误是由变形，几何误差和几何变动。除了齿轮嗲引起的，其他可能产生噪声的机制，包括在变速箱齿轮嘎嘎从对对方的情况下运行负荷齿轮，噪音轴承的情况下产生的自动变速箱，噪音也可以由内部生成的油泵和离合器。这些机制没有得到处理，在此工作，并从“齿轮噪音”或“齿轮箱噪音”现在是指“齿轮哀鸣”。奥尔登 描述了从以三部分组成的变速箱噪音的产生过程：激发，传播和辐射。噪声的来源是齿轮啮合，其中振动产生（激励），主要是由于传输错误。的振动传输通过齿轮，轴和轴承的该（传输）。该震动，创造了周围的空气都作为噪声（辐射）感知压力的变化。齿轮噪音可以通过改变任何这三种机制之一的影响。本论文主要涉及激励，但传输也是在文献关于动态模型统计调查组讨论，并在文件中B.振动模态分析传输测试变速箱也是，这与交易调查影响轴承的轴端间隙或变速箱噪音预紧力。轴承预紧力影响的差异像轴承刚度和阻尼的动态特性。这些属性也影响了变速箱外壳的振动。
1.3目标
本论文的目的是帮助有关变速箱噪声的知识。以下具体领域将是本研究的重点：
1.齿轮的加工方法和齿轮噪音和修改，并从变速箱振动误差的影响。
2.齿轮之间的偏差的相关性，预测传输错误，传输测量误差和变速箱噪音。
3.对变速箱的噪声影响轴承预紧力。
4.齿轮低传输错误几何优化，同时考虑到稳健性方面的扭矩和制造公差。
2 工业应用 - 传输降噪
2.1简介
本节简要介绍了减少从轮式装载机传动齿轮噪音所涉及的活动。其目的是展示如何在文件中所述的齿轮结构优化在工业应用。作者是项目经理“噪音工作队”，并进行了齿轮的优化。在发展的要求为轮式装载机新的自动输电之一就是提高传动齿轮的噪音。现有的电力传输被称为是嘈杂。当在四档高速驾驶，高频齿轮嗲可闻。因此，现在有改善音质的要求。传输是一种典型的轮式装载机动力传输，扭矩转换器，带有四个前进速度和四速变速箱扭转，部分与变速箱。升降梭箱升降梭箱是一个集成了四个转移功率到输出轴齿轮链组成。所从事的齿轮由湿式多盘由液压传动和控制系统驱动离合器。此液压系统油是由内部提供的石油由输入轴驱动泵。
2.2齿轮传动噪声的新目标
经验表明，高频齿轮噪音至少应为15分贝以下，如发动机等噪声源分贝，以免被视为干扰或不愉快的。测量值表明，如果齿轮噪音可降低10分贝，这个标准应该满足于一定的余量。频率在驾驶室测量的噪声分析表明，从传输主要的噪音从投寄箱齿轮起源。对传输噪声的目标是这样表述为如下：“齿轮噪音在传输的升降梭箱齿轮（声压级）应10分贝下降相比，以现有的传输不被视为不愉快的感觉。”位置在投寄箱齿轮。有人认为有必要使这两个齿轮和变速器壳体的变化，以减少齿轮噪音10分贝的声压水平。
2.3噪声和振动测量
为了建立一个新的传输参考，噪音和振动测量的现有传输。传输是由相同的柴油发动机在轮式装载机的类型。发动机和变速器连接到使用相同的立场是在一个橡胶轮式装载机使用，以使安装尽可能类似的安装在轮式装载机坐骑。输出轴制动采用电气制动。
2.4优化的齿轮
噪音优化的升降梭箱齿轮的设计选择宏观和微观给予低于原（参考）齿轮传动误差。齿轮的几何形状是选择产量为相关的扭矩范围低传输错误，同时也将在微观几何形态由于制造公差考虑到变化。一对齿轮的优化是描述纸张E.传输错误被认为是重要的激励机制齿轮哀鸣在更多的细节。 Welbourn [1]定义在这个项目它的目的是减少传输的最大预测在齿轮啮合误差幅度为“之间的输出齿轮的实际位置和地位，将占据如果齿轮传动是完美结合的差异。”频率（首先是齿轮啮合频率谐波）小于50的参考价值齿轮副％。对传输错误第一谐波是总传输错误的一部分，其频率等于齿轮啮合频率变化幅度。扭矩范围
100至500牛顿米的选择，因为这是扭矩区间，其中齿轮副在其设计中的应用产生的噪音。据Welbourn [1]，在传输错误减少50％，可以预计将减少6分贝（声压级，SPL）变速箱噪音。传输错误计算自民党软件（负载分配方案）在实验室开发的齿轮在俄亥俄州立大学[3]。“优化”是没有严格的数学。该设计进行了优化，通过计算不同几何形状的传输错误，然后选择一个几何这似乎是一个很好的妥协，不仅考虑传输错误等因素，还得考虑损失，重量，成本，对轴承的轴向力和制造的影响。当选择微观几何形态修改和公差，重要的是要考虑选择和制造成本。我们的目标是要利用作为参考齿轮优化的齿轮精加工方法相同，即使用一个卡普磨VAS 531和CBN涂层磨轮。输入特定的扭矩和齿轮转速，它可以定义一个齿轮微观几何形态的最大限度地减少传输错误。例如，在无负载，如果没有错误，没有其他球场几何偏差，齿的齿轮渐开线形状应是真实的，没有像尖或渐开线救济加冕修改。对于一个特定的扭矩，在齿轮几何设计应以这样一种方式，它在挠度与在齿轮啮合刚度变化差异进行补偿。然而，即使有可能确定最佳齿轮微观几何形态，它可能无法制造它，鉴于齿轮加工的局限性。还必须考虑如何在指定的图纸和如何衡量在验机的齿轮几何。在许多应用中也有一个以上的扭矩范围传输错误应尽量减少。由于制造公差是不可避免的，而且为更小的公差要求导致制造成本较高，这是很重要的齿轮是强大的。换句话说，重要的特征，在这种情况下传输错误，必须变化不大时，扭矩是多种多样的，或当齿轮微观几何形态变化由于制造误差。LDP [3]是用来计算的传输错误参考和不同层次优化扭矩齿轮副。在自民党的鲁棒性功能是用来分析到，由于制造公差偏差的灵敏度。而“最小，最大，水平”的方法包括三个层次分配给每个参数。
2.5优化传输该
有限元分析，用于优化传输该。优化是在不进行严格的数学方法，但通过计算不同几何形状的房屋震动，然后选择一个几何形态，这似乎是一个很好的妥协。振动不是唯一要考虑的，重量，成本，可用做空间，铸造进行了审议。一个简化的壳单元模型进行优化，以减少计算时间。这种模式是核对更详细的房屋实体单元模型，以确保简化并没有改变太多的动态特性。实验模态分析也被用来寻找真正的变速器壳体的固有频率，并确保该模型并没有偏离实际外壳。齿轮分别为轴和齿轮，梁建模轴承太多。该模型是兴奋，通过在轴承位置的频率范围内的力量，从1000到3000赫兹。这支部队的幅度被选为10从齿轮静载荷％。这种选择可能是合理的，因为只有相对差异的利益，而不是绝对值。有限元分析是由罗多约翰森沃尔沃技术。作者的贡献是选择了不同的测量点。数量评价结果分别在高振动速度的地区选择。在每个测点的振动响应，由于激励被认定为功率谱密度（PSD）的图形。房屋重新设计的目标是减少在频率范围1000至3000赫兹的所有测点的振动。
2.6噪声测量的结果
噪声和振动测量在2.3节中描述了进行优化后的齿轮和变速器壳体。
2.7讨论和结论
这似乎是可以减少通过减少静态加载的传输错误和/或优化该从传动齿轮的噪音。在本研究中，是不可能说有很大的下降是由于齿轮的优化和多少该优化。要回答这个问题将需要至少有一个更大的噪音测量，但时间和成本问题排除这一点。它也有很有趣上执行的传输次数的噪音测量，前和优化后的齿轮和该，以确定的传输噪声分散。即使在10分贝降低齿轮噪音的目的没有达到，减少在轮式装载机驾驶室齿轮噪音低于15分贝噪音的总体目标是实现。因此，噪音优化成功。
3 追加论文摘要
3.1 齿轮噪音和振动
本文介绍了对齿轮噪音和振动的文献概述。它分为三段处理传输错误，动态模型，以及噪声和振动测量。传输错误是一个齿轮噪音和振动的重要激励机制。这是定义为“之间的输出齿轮的实际地位和它的位置差异如果将占据了绝对的齿轮传动共轭“[1]。文献调查显示：虽然大多数作者同意，传输错误是一个重要的激励机制齿轮噪音和振动，它不是唯一的一个。其他可能随时间变化的噪声激励机制包括摩擦和弯矩。这些机制可能产生的噪音是同一数量级顺序产生的传输错误，至少在情况下，他与低传输错误齿轮[4]。与齿轮箱的动态建模的文件涉及第二部分。动态模型通常用来预测齿轮引起振动和调查的变动的影响齿轮，轴，轴承和该。文献调查显示，动态模型系统的齿轮，轴，轴承和齿轮箱外壳组成，可以理解有用和预测的变速箱的动态行为。对于相对简单的齿轮系统，集总参数与弹簧，贴近群众，粘性阻尼动态模型都可以使用。对于更复杂的模型，包括为变速箱壳体，有限元等元素.造型经常被使用。该文件的第三部分涉及噪音和振动测量和信号分析，这是用来实验调查时齿轮噪音。调查显示，这些都是有用的工具，齿轮噪音实验调查，因为在特定的齿轮制造噪音关系到牙齿的数量和齿轮的转速频率。
3.2齿轮噪音和振动试验台测试圆柱齿轮。
描述了噪声测试试验台的齿轮。该钻机是循环功率型和两个相同的连接有两个万向节传动轴对方变速箱，组成。扭矩是由围绕应用其倾斜轴之一的变速箱之一。这种倾斜成为可能，齿轮箱之间的支架及配套轴承。液压缸产生的倾斜力。
有限元分析是用来预测自然频率和个别部件和完整的变速箱模式形状。实验模态分析进行了变速箱的该，结果表明，FE预测与实测频率（误差小于10％）同意。而完整的变速箱有限元模型也被用于在谐波响应分析。正弦力是应用在齿轮啮合和在该上的点对应的变速箱振动幅度进行了预测。
3.3 齿轮噪音和振动的研究
该报告提交一份详尽的整理方法和变速箱齿轮噪音和振动齿轮偏差影响的实验研究。测试齿轮被制造使用三种不同的整理方法与不同的齿修改和偏差和。 Table3.3.1给出了测试装置对概述。在表面处理和齿轮齿面的几何形状进行了测量。传动误差测量采用单侧面齿轮测试仪。自民党从俄亥俄州立大学软件被用于传输错误计算。该试验台在纸张B中描述了用于测量变速箱噪音及不同的测试装置对振动。测量结果表明，拆卸和使用相同的变速箱齿轮副重组可能会改变测得的噪声和振动水平。重建的变化，有时是不同的数量级之间的差异对测试设备的顺序相同，这表明，除了其他因素影响齿轮齿轮噪音。在一个设计上的齿轮噪音，奥
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