低噪声齿轮装置的开发

廖建国

近年来，随着铁道车辆的高速化，对车辆的低噪声和低振动的要求越来越高。为评价驱动装置的静音性和振动性，以前只能在车辆制造完后，使用实际运营路线对车辆进行运行试验，难以将驱动装置的噪声从其他噪声中分离出来进行评价。另一方面，采用以往的试验机无法进行加载试验。因此，开发了无回音室加载试验机，它能在加载状态下对驱动装置产生的噪声进行分析。

采用该试验机对噪声进行解析后可知，控制噪声的最主要因素取决于齿面之间的接触状况，因此采取了改进齿面形状来降低噪声的措施，取得了成效。本文就采用新型齿面的低噪声驱动装置进行介绍。

1 加载旋转试验机的开发

1．1 试验机的概况

表1示出无回音室加载试验机的主要技术条件。图1示出试验机的外观。为满足新干线高速化技术开发的要求，该试验机能对最高速度500km／h的车辆进行评价试验。

由于该试验机具有能够对重车转矩进行加载的功能，因此能够对最高速度运行时的实际加载条件下的各种特性进行评价。由此可以在设计阶段用重车先进行运行试验，在设计开发阶段对动力运转时、再生制动时和惰力运转时等各种运转条件下的温度特性、振动、噪声特性及强度进行有效综合评价。

为准确评价在以往车辆运行试验时难以评价的驱动装置本体所产生的噪声，将试验室设计为无回音室构造。由此可以在噪声十分低的空间内对驱动装置本体产生的音源和音响特性进行高精度调查。

为减小试验设备自身的噪声和振动，采用了将转矩直接加载于轮轴的驱动方式，而不采用轨轮驱动方式，试验机的输出输入轴承都采用滑动轴承。

1．2 降低驱动装置的振动和噪声的方法

图2示出驱动装置的结构，表2示出产生噪声的主要因素。作为驱动装置的振动和噪声的发生源有驱动装置齿轮的啮合、轴承的转动、联轴节的振摆回转、摩擦和轨道产生的外力干扰等。各部位产生的噪声会直接传递到车外和车内。另外，各部位产生的振动会经过轴承—齿轮箱传递到车轴和车体，间接地使车内产生噪声。

为有效降低噪声和振动，弄清其产生源和传递路径是很重要的。尤其是，由于噪声和振动因共振现象的不同，特定的频率会变大，为降低这种频率，有效的办法是不仅要抑制噪声和振动产生源的规模，而且要将噪声和振动产生的共振频率与常用的车速区域错开。

驱动装置中存在着多个共振频率，要在所有的转数区域中避开共振是很困难的，因此努力改善噪声和振动产生的共振频率是很重要的。

在加载旋转试验中，通过在稳定条件下不断测定多个项目，并对这些测定项目进行有效调查和解析。

1．3 加载试验结果

表3为供试验用的驱动装置各部件的技术条件。使用无回音室加载旋转试验机在表4所示的试验条件下，对表3所示的各部件驱动装置进行运转，并测定噪声和振动。加载和无加载状态下的噪声和振动加速度的比较示于图3和图4。由图3可知，不论在何种条件下，噪声级是随着转数的增加而增大，但在加载状态下最大转数为4000r／m左右，与无加载时的最大差为15dB左右。与此相同的最大值在重车运行时也能观察到。由图4可知，振动的试验值也与噪声的试验值相同，加载和无加载状态下的测定值是不同的，加载时振动会增大。

用三维图表示噪声频率的分析结果可知，啮合一次元素的影响明显。

用三维图表示振动加速度频率的分析结果可知，啮合一次元素的影响明显，分析结果与噪声的分析结果相同。

根据频率分析结果，着重对啮合元素影响明显的情况进行了研究。为确认啮合元素占总值的比例，对加载时的总值与啮合一次元素的关系进行了比较。比较结果表明，在加载情况下，噪声和振动的总值占啮合一次元素影响的大部分，由此判断产生噪声和振动的主要因素是齿轮的啮合所致。

2 优化齿面修整形状，降低齿轮噪声

2．1 开发内容

根据前面的调查结果可知，本驱动装置加载时产生的噪声主要是因齿轮啮合而产生的。

一般认为，齿轮啮合产生的噪声是由旋转时齿轮接触激发的振动而产生的，大小齿轮啮合旋转时产生的颤动(传送误差)力会作用于齿面之间(下称“振动启动力”)，使齿轮发生振动。因此，为降低噪声等级，有效的办法是减小振动启动力，即优化齿面修整形状，降低齿轮噪声。

2．2 优化齿面修整形状的研究

以往的齿面修整形状的要求是防止齿尖部发生不对中心线的接触，最大限度确保修整量。另外，不论齿高方向位置和齿宽方向位置如何，都一样要进行齿向修整和齿形修整。根据齿面接触解析，通过优化齿面修整量和修整形状，开发了能够减小振动启动力的新型齿面修整方法。

2．3 试验结果

在实施了前面研究的能够减小振动启动力的齿面修整后，试制了传动齿轮轴。使用表3的驱动装置，仅更换了传动齿轮轴，用无回音室加载旋转试验机进行了无加载旋转试验。 

2．3．1 噪声测定结果(齿面的最佳修整)

用三维图表示噪声频率的分析结果表明，啮合一次元素大幅度减少。

比较了新型齿面修整后的齿轮噪声总值与啮合一次元素。通过比较发现，由于啮合一次元素大幅度减少，因此噪声总值也大幅度减小。

2．3．2 振动测定结果(齿面的最佳修整)

用三维图表示振动加速度频率的分析结果表明，啮合一次元素大幅度减少，振动总值也大幅度减小。这种变化趋势与噪声的测定结果相同。

比较了新型齿面修整后的齿轮振动总值与啮合一次元素。通过比较发现，啮合一次元素大幅度减少。测定结果表明，最佳齿面修整后的齿轮可有效降低噪声和振动。 

3 结论

使用无回音室加载旋转试验机对驱动装置的噪声和振动进行了调查、比较和分析，在此基础上研究了降低噪声的措施，取得了如下成果。

1)铁道车辆用驱动装置加载时的噪声和振动主要取决于齿轮啮合一次元素。

2)根据齿面接触解析，通过重新评价减小齿面修整量和修整位置可知，减小振动启动力可以降低作为啮合一次元素的噪声和振动的发生频率。

3)根据振动启动力的解析结果，采用最佳的齿面修整形状，试制了传动齿轮轴，并对其进行了评价，结果可知该传动齿轮轴可大幅度减小作为齿轮啮合一次元素的噪声和振动，噪声和振动的总值也大幅度减小。由此确认了实施最佳齿面修整是有效降低噪声和振动的方法。