淺談齒輪傳動(dòng)噪聲分析與控制

王飛

摘要：闡述了齒輪傳動(dòng)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，通過分析齒輪噪聲產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素，從齒輪材料、參數(shù)、加工工藝、結(jié)構(gòu)、裝配等方面提出了相應(yīng)的控制噪聲措施。

關(guān)鍵詞：齒輪傳動(dòng) 噪聲分析 控制方法

齒輪傳動(dòng)具有周期性嚙合的基本特征，所以齒輪的振動(dòng)不可避免。主要表現(xiàn)在兩方面：齒輪的振動(dòng)會(huì)激勵(lì)減速器內(nèi)的空氣，因氣體具有可壓縮性，在齒輪振動(dòng)的作用下，四周的空氣就會(huì)產(chǎn)生交替的壓縮與膨脹，并產(chǎn)生聲波，從而產(chǎn)生噪聲；在齒輪嚙合的過程中，由于齒輪間相對滑動(dòng)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力方向隨時(shí)變化在節(jié)圓上產(chǎn)生沖擊力，齒與齒之間碰撞產(chǎn)生嚙合沖力，從而產(chǎn)生噪聲?，F(xiàn)從齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理，齒輪傳動(dòng)的噪聲分析和齒輪傳動(dòng)的噪聲控制等方面來分析齒輪傳動(dòng)的噪聲機(jī)理與控制。

1.齒輪傳動(dòng)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理

齒輪在傳動(dòng)過程中由于在制造精度、剛度、裝配精度等的不同情況，會(huì)產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)與噪聲。齒輪嚙合傳動(dòng)時(shí)，由于齒面間存在摩擦力，相對滑動(dòng)速度在節(jié)點(diǎn)上突然換向，導(dǎo)致齒面間的相對摩擦力的方向突然改變，從而產(chǎn)生了脈沖力。節(jié)點(diǎn)處的脈沖力稱為“節(jié)線沖力”另外齒輪輪齒在手里運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，總會(huì)產(chǎn)生一定的彈性變形，再加上齒輪的制造誤差和裝配誤差等因素，當(dāng)被動(dòng)齒輪輪距或基節(jié)大于公稱值時(shí)，將在被動(dòng)齒輪輪根發(fā)生頂刃嚙合，從而產(chǎn)生輪齒與輪齒之間的沖撞力稱為“嚙合沖力”節(jié)線沖力和嚙合沖力都是齒輪產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的激勵(lì)源。

1.1 嚙合齒輪節(jié)點(diǎn)的脈動(dòng)沖擊

一堆漸開線齒輪在傳動(dòng)過程中，各對輪齒的接觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡始終在嚙合線上依次前進(jìn)。根據(jù)齒輪的嚙合原理可知，齒輪副在傳動(dòng)過程中在整個(gè)嚙合線上齒廓間相對滑動(dòng)速度的大小將隨嚙合點(diǎn)位置不同而改變，其中以嚙合開始點(diǎn)和嚙合結(jié)束點(diǎn)為最大，而在節(jié)圓切點(diǎn)的滑動(dòng)速度為零，同時(shí)相對滑動(dòng)速度的方向和節(jié)圓切點(diǎn)開始改變。由于相對滑動(dòng)速度的大小和方向的改變以及滑動(dòng)摩擦系數(shù)的存在，必然存在大小和方向相應(yīng)改變的摩擦力，這也必定在節(jié)點(diǎn)上發(fā)生里的脈動(dòng)沖擊，即節(jié)線沖力。它的大小和持續(xù)時(shí)間與齒輪嚙合時(shí)的傳遞力、輪齒間的摩擦系數(shù)、相對滑動(dòng)速度的大小等因素有關(guān)。因此，齒輪的傳遞功率越大，轉(zhuǎn)速越高，齒輪表面粗糙度越差，其節(jié)點(diǎn)脈動(dòng)沖擊就越大。這種在嚙合過程中產(chǎn)生的脈動(dòng)沖擊是不可避免的，它將使齒輪產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊。

1.2齒輪的嚙合沖擊

一對齒輪在嚙合過程中，其輪齒受力后必將產(chǎn)生一定程度的沖擊變形，而每當(dāng)一個(gè)輪齒新嚙合上時(shí)，原嚙合輪齒的載荷就會(huì)相對減少，因而變形齒輪就會(huì)恢復(fù)形狀，從而給齒輪體一個(gè)切向加速度。再加上原有嚙合輪齒在受載下的變形，使新嚙合的輪齒不能得到理論齒廓的平滑接觸而發(fā)生碰撞，形成嚙合沖力。齒輪在這種沖擊力的作用下，也將引起齒輪的圓周振動(dòng)、徑向振動(dòng)、軸向振動(dòng)，從而產(chǎn)生噪聲。

2.齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲分析

為了從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，降低齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲，就應(yīng)首先分析齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲的種類和發(fā)生機(jī)理。

2.1齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲種類

在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中，根據(jù)機(jī)理的不同，可將噪聲分為加速度噪聲和自鳴噪聲兩種。一方面，在齒輪輪齒嚙合時(shí)，由于沖擊而使齒輪產(chǎn)生很大的加速度，并會(huì)引起周圍介質(zhì)擾動(dòng)，由這種擾動(dòng)產(chǎn)生的聲輻射，稱為齒輪的加速度噪聲，另一方面，在齒輪動(dòng)態(tài)嚙合力作用下，系統(tǒng)的各零部件會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這些振動(dòng)所產(chǎn)生的聲輻射，稱為自鳴噪聲。

2.2發(fā)生機(jī)理

對于開齒齒輪傳動(dòng)，加速度噪聲由輪齒沖擊處直接輻射出來，自鳴噪聲則有輪體、傳動(dòng)軸等處輻射出來。對于閉式齒輪傳動(dòng)，加速度噪聲先輻射到輪齒箱內(nèi)的空氣和潤滑油中，再通過齒輪箱輻射出來，自鳴噪聲則由齒輪體的振動(dòng)，通過傳動(dòng)軸引起支座振動(dòng)，從而通過齒輪箱箱壁的振動(dòng)而輻射出來。

因此，齒輪系統(tǒng)的噪聲強(qiáng)度，不僅與輪齒嚙合的動(dòng)態(tài)激勵(lì)力有關(guān)，而且還與輪體、傳動(dòng)軸、軸承及箱體等的結(jié)構(gòu)形式、動(dòng)態(tài)特征以及動(dòng)態(tài)嚙合力在它們之間的傳遞特性有關(guān)。一般來說，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲發(fā)生的原因主要有以下幾個(gè)方面：

1） 齒輪設(shè)計(jì)方法：參數(shù)選擇不當(dāng)，重合度過小，齒廓修形不當(dāng)或沒有修形，齒輪箱結(jié)構(gòu)不合理等。

2） 齒輪加工方面：基節(jié)誤差和齒形誤差過大，齒側(cè)間隙不合理，表面粗糙度過大等。

3） 輪系及齒輪箱方面：裝配偏心，接觸精度低，軸的平行度差，軸、軸承的剛度不足，軸承的回轉(zhuǎn)精度不高及間隙不當(dāng)?shù)取?/p>

4） 其他方面輸入扭矩：負(fù)載扭矩的波動(dòng)，軸系的扭振，電動(dòng)機(jī)及其他傳動(dòng)副的平衡情況等。

3.齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲控制

基于以上分析，以下將從齒輪設(shè)計(jì)、齒輪加工、齒輪裝配等幾個(gè)方面來控制齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲。

3.1齒輪的類型和材料方面

1） 齒輪的類型。齒輪輪齒的嚙合狀態(tài)與齒輪類型有關(guān)，直齒輪的輪齒在接觸瞬間是整個(gè)齒寬的接觸線，而斜齒輪雖然也是線接觸，但是它是由齒頂?shù)囊欢酥饾u進(jìn)入嚙合，其接觸線開始由短變長，以后又逐漸縮短，直到脫開嚙合為止。由于斜齒輪傳動(dòng)的實(shí)際嚙合線較直齒輪傳動(dòng)大，所以斜齒輪的傳動(dòng)平衡性與承載能力都較直齒輪高，在工作條件相同的情況下，斜齒輪傳動(dòng)噪聲較直齒輪低3-10dB。

2） 齒輪的材料。齒輪強(qiáng)度允許的情況下盡可能采用球墨鑄鐵、尼龍等高阻尼材料，這對降低噪聲是有效的。由于非金屬材料具有良好的減振降噪性能，在滿足使用要求的情況下，一對嚙合的齒輪，小齒輪用非金屬材料，大齒輪用金屬材料可降低齒輪傳動(dòng)的噪聲。另外，齒輪材料淬火后振動(dòng)衰減性能下降，會(huì)使齒輪噪聲增加3-4dB，因此強(qiáng)度和磨損性能要求不高的齒輪不必淬火。

3.2齒輪的集合參數(shù)方面

1） 齒輪的模數(shù)。對于傳遞功率較大的齒輪，齒根彎曲變形是主要影響因素，宜選用較大模數(shù)，模數(shù)越大，噪聲越小。而對于一般載荷不大的齒輪，應(yīng)盡可能選用較小模數(shù)，因?yàn)榇藭r(shí)的加工誤差是主要影響 因素，而且模數(shù)小可增加齒數(shù)，是嚙合系數(shù)增大，有利于提高傳動(dòng)平穩(wěn)性，降低噪聲。

2） 齒輪的齒數(shù)與直徑。在模數(shù)已定的條件下，改變齒輪的齒數(shù)也改變了齒輪的直徑d，這必將引起彈性剛度及彎曲量的變化。雖然改變齒輪直徑對齒輪的加工精度影響不大，但隨著齒輪直徑的增大而加大了噪聲輻射面積。因此增大齒輪直徑對降低噪聲不利，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能的縮小齒輪直徑。

3） 齒輪的齒寬。齒輪的寬度與齒輪的彎曲變形成反比，因而噪聲隨著齒寬的增大而減少。因此，齒寬大齒輪，衰減性能好，從而噪聲也低。但是齒寬的增加容易引起齒向誤差和接觸不良，為了克服這一缺點(diǎn)，可采用限定齒寬增加輪體寬度的方法。

4） 齒輪的重疊系數(shù)。如果在傳遞載荷時(shí)齒輪不變形，對理想齒輪來說，嚙合沖力是可以忽略不計(jì)的。然而，實(shí)際齒輪總是在某種程度的變形，在進(jìn)入嚙合和脫離嚙合的瞬間，產(chǎn)生了沿著嚙合線方向的嚙合沖力。增加嚙合時(shí)的平均接觸齒數(shù)，把載荷分配給較多的齒，可以改善嚙合狀態(tài)，減少嚙合沖力。因此增加齒輪傳動(dòng)重疊系數(shù)，可以降低齒輪傳動(dòng)噪聲。經(jīng)過試驗(yàn)在1000r/min時(shí)，齒輪嚙合重疊系數(shù)由1.15增至2.03時(shí)，噪聲降低4.22dB，而2000r/min時(shí)，噪聲則降低6.10dB。

5） 齒輪的壓力角。齒輪輪齒之間的摩擦如果忽略不計(jì)，則齒輪間傳遞的力沿著作用線方向。在節(jié)點(diǎn)法向力Fn是傳遞工作扭矩的有效力，表示為Fn=Fcosa，式中的F為沿作用線總的合力，a為壓力角。當(dāng)壓力角增加時(shí)，將引起較高的振動(dòng)級(jí)和噪聲級(jí)。安裝的誤差、齒輪輪齒的磨損、中心距變化等因素都可能引起壓力角變化，從而增加噪聲。

3.3改變齒輪的結(jié)構(gòu)

齒輪形狀對噪聲影響很大，在相同齒輪參數(shù)及工況條件下，不同結(jié)構(gòu)齒輪的噪聲大小是不同的。如果條件允許齒輪形狀以厚而小較好。實(shí)踐證明齒寬小直徑的齒輪噪聲較小，大而薄的齒輪，噪聲最大。

3.4改進(jìn)潤滑方式

從控制噪聲的角度看，采用注油潤滑較好。齒輪潤滑所需的油量很少，大量給油是為了冷卻作用，所以最后入側(cè)給以潤滑所需的適當(dāng)油量，而較多的冷卻油從嚙出側(cè)供給。

3.5軸承噪聲的控制

軸承不僅自身產(chǎn)生噪聲，而且使安裝在軸上的其他零件也產(chǎn)生噪聲，因此控制軸承噪聲也很重要。

1） 改用合適的軸承類型和精度

滑動(dòng)軸承比滾動(dòng)軸承阻尼大，剛性好，噪聲低。在滾動(dòng)軸承中，球軸承比圓錐滾子軸承的噪聲低，對裝配質(zhì)量不敏感。在滿足支承剛度的前提下，應(yīng)盡量選用球軸承。

2） 調(diào)整合適的軸承間隙。

3） 軸承外環(huán)與支承孔和軸承的配合以略松為宜。

4） 用彈性阻尼襯套降噪。

3.6箱體噪聲的控制

齒輪變速箱體是噪聲的主要輻射件，可以采用以下幾種措施以達(dá)到降低遭受到目的。

1） 在制作箱體時(shí)，采用高阻尼材料（如鑄鐵、塑料等）或在箱體內(nèi)壁表面涂上一層橡膠，可起到降低噪聲的作用。

2） 適當(dāng)把箱體的箱壁加厚，或在箱體上加筋都能提高箱體的剛度，減少箱體的振動(dòng)，從而達(dá)到降噪。

3） 測出箱體上聲壓即量大的地方，用點(diǎn)焊的方法加筋，以增加阻尼，提高固有頻率，從而達(dá)到降噪的目的。

齒輪的噪聲與其布置情況、軸的剛度、軸承安裝精度、工作機(jī)構(gòu)與機(jī)體的剛性、潤滑狀況等等因素有關(guān)，故欲降低齒輪機(jī)構(gòu)的噪聲，應(yīng)從整機(jī)設(shè)計(jì)、制造、安裝與使用等各方面綜合考慮，采用綜合措施，才能達(dá)到理想的降低齒輪機(jī)構(gòu)噪聲的效果。

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