主軸變速箱的降噪措施

李安 曹維佳

【摘要】本文認為主軸變速箱作為機床噪音的重要來源，在此基礎(chǔ)上本文分析了噪音產(chǎn)生的主要原因，并著力提出幾點降噪措施。

【關(guān)鍵詞】升速傳動；修緣；振動

機床的噪音會對環(huán)境造成污染，主軸變速箱是其重要來源，因此采取措施降低它的噪音成為控制機床噪音的重要途徑。

1.主軸變速箱噪音產(chǎn)生的原因

主軸變速箱噪音產(chǎn)生的原因主要分為兩大方面：傳動系統(tǒng)噪音和箱體振動噪音。其中最主要的是傳動系統(tǒng)噪音，具體主要包括如下幾點：

（1）齒輪精度超差引起的噪音；（2）齒輪磕碰受損引起的噪音；（3）傳動結(jié)構(gòu)不良引起的噪音；（4）傳動軸剛性不足引起的噪音；（5）軸承選擇不當引起的噪音；

2.降低傳動系統(tǒng)噪音得的方法

2.1避免升速傳動

盡量避免在傳動鏈設(shè)計過程中出現(xiàn)升速齒輪副。由于升速傳動相易產(chǎn)生噪音，尤其當升速比大時更是如此。以三級變速的傳動結(jié)構(gòu)來說，通常的設(shè)計方法是采用1×3的變速組分配方法，即使用一組三聯(lián)滑移齒輪來實現(xiàn)三級變速。但這種形式的傳動鏈在高速檔位往往會出現(xiàn)升速傳動現(xiàn)象，這主要是因為高低檔位的傳動比相差較大所致。如果我們將這種結(jié)構(gòu)進行適當?shù)母淖?，為高速檔單獨設(shè)置一條傳動路線，即采用2+1分支傳動結(jié)構(gòu)，就可以避免在高速傳動路線中出現(xiàn)升速傳動的情況。另外，如果因為結(jié)構(gòu)限制等因素無法避免升速傳動，也應限制升速比的大小，使其保持在1～1.5范圍內(nèi)。

2.2合理的齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

齒輪作為主軸變速箱最重要的傳動零件，對主軸噪音有重要影響。（1）齒輪修緣。齒輪的精度主要有齒形、齒向誤差、節(jié)圓徑向跳動和公法線變化誤差。這些誤差的存在會造成瞬間時傳動比變化，工作平穩(wěn)性不好，產(chǎn)生噪音。

提高齒輪的精度可有效降噪，但受工藝和成本限制，通常依靠齒輪修緣來解決降噪問題。尤其當齒輪圓周速度大于表1所示的數(shù)值時必須進行齒輪修緣。齒形修形可以降低齒輪在嚙入與脫出時產(chǎn)生的雜音，減少噪音；另外，在保證齒輪重合度的情況下，通過齒輪修形還可以減少基節(jié)誤差對控制噪音所產(chǎn)生的負面影響。

表1.外嚙合圓柱齒輪的圓周速度

齒輪修形成本較高，效率較低，且修形量較難掌握。因此，采用滾齒刀、專門倒棱機或者人工對齒頂棱角部位進行倒角成為一種比較普遍的形式。

（2）齒輪窄齒寬設(shè)計。在保證齒輪承載能力的情況下，縮小齒寬可以改善因制造及裝配誤差所造成的齒面接觸不良，降低齒輪傳動的噪音。

（3）滑移齒輪應采用花鍵連接。采用內(nèi)徑定心花鍵可以保證滑移齒輪的加工精度，確保與傳動軸的配合間隙，改善傳動平穩(wěn)性，降低振動產(chǎn)生的噪音。另外，花鍵的長度不宜過小，防止花鍵定心不良或滑移不順暢而引起噪音。

（4）齒面淬火處理。確保齒面具有足夠的硬度可以提高齒輪的耐磨性以及抗膠合能力。防止齒輪在運行一段時間以后因精度降低而導致噪音升高。

2.3對精密齒輪進行保護

對于精密齒輪來說，齒面磕碰是造成齒輪噪音升高的重要原因。以5級精度齒輪為例，其齒形、齒輪精度通常在0.01mm左右，而磕碰所造成的凸點往往要大大超過其精度限值，破壞齒輪的精度，使噪音升高。另外，精密齒輪的齒側(cè)隙很小，磕碰造成的凸點會使齒輪嚙合受力不良，產(chǎn)生噪音。

在齒輪搬運和裝配過程中要采取保護措施，盡量避免齒面磕碰。此外，在齒輪裝配前要用煤油對齒輪進行清洗或擦拭，防止污物腐蝕齒面，產(chǎn)生噪音。

2.4選擇合適的齒輪精度

齒輪第Ⅱ公差組是影響齒輪噪音的主要精度。應根據(jù)齒輪圓周速度的高低來合理確定第Ⅱ公差組的精度等級。具體如表2所示。

表2.齒輪按速度和噪聲選擇第Ⅱ公差組精度

2.5降低軸系元件的振動

傳動軸的剛性與噪音有很大關(guān)系。軸的剛性不高會使軸產(chǎn)生較大的彎曲、撓動、扭轉(zhuǎn)進而增加振動產(chǎn)生噪音。應避免懸臂軸及細長軸的出現(xiàn)。軸的長徑比應控制在5：1，齒輪應安裝在支撐附近以減輕軸系的振動，減低噪音。另外，軸承也是影響軸系振動的重要元件，軸承的旋轉(zhuǎn)精度是其中的重要因素。作為傳動軸的支撐軸承，其精度等級應控制在ISO5級精度以上，降低軸承旋轉(zhuǎn)時的振動。預緊對于降低軸承的振動也起著至關(guān)重要的作用，能夠施加預緊力的軸承，如角接觸球軸承和圓錐滾子軸承，其振動水平要遠遠低于普通的深溝球軸承。對于高轉(zhuǎn)速傳動軸，應對其進行動平衡試驗，提高它的動平衡等級，防止其在高速旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生劇烈振動。

3.箱體振動的控制

箱體是噪音的最主要輻射源。傳動系統(tǒng)的噪音通常是通過箱體的振動對外輻射的。提高箱體的抗振性是降低噪音的重要途徑。箱體的抗振性與箱體的剛性密切相關(guān)，剛性越好，箱體的抗振性就越高。為此可通過適當增加箱體壁厚以及布置加強筋和肋板的方法提高箱體的剛性以及固有頻率，以降低振動。另外，箱體孔系之間的尺寸精度必須要嚴格保證。尺寸過小或過大會齒輪嚙合時產(chǎn)生異常干涉或過大齒側(cè)間隙，都會使箱體產(chǎn)生巨大的噪音。

參考文獻

[1]《機械設(shè)計基礎(chǔ)》，高等教育出版社，1988年8月.

[2]《齒輪工藝學》，科學普及出版社，1985年4月.

基金項目

國家重大專項（2013ZX04007-011）資助