齒輪傳動(dòng)噪音影響因素分析與控制

廖榮凱

（韶能集團(tuán)韶關(guān)宏大齒輪有限公司）

齒輪傳動(dòng)噪音影響因素分析與控制

廖榮凱

（韶能集團(tuán)韶關(guān)宏大齒輪有限公司）

漸開線圓柱齒輪是工程機(jī)械變速箱中廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)零件。齒輪嚙合時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚙合沖擊而發(fā)生與齒輪嚙合頻率相對(duì)應(yīng)的噪聲；齒面之間由于相對(duì)滑動(dòng)發(fā)生摩擦聲；在制造時(shí)由于不可避免地存在著制造誤差，使齒輪噪聲增大。所以，在進(jìn)行齒輪設(shè)計(jì)時(shí)，降低齒輪傳動(dòng)中的振動(dòng)和噪音對(duì)控制齒輪箱振動(dòng)和噪音有著重要意義。齒輪嚙合傳動(dòng)質(zhì)量的優(yōu)劣是激起傳動(dòng)系統(tǒng)噪音的直接根源之一，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)階段充分考慮齒輪噪音問題。

齒輪傳動(dòng)；噪聲；分析；設(shè)計(jì)；修形

1 齒輪噪音產(chǎn)生的原因

對(duì)直齒圓柱齒輪而言，其嚙合區(qū)分為單嚙合區(qū)和雙嚙合區(qū)。在單齒嚙合區(qū)內(nèi)，全部載荷由一對(duì)齒副承擔(dān)，當(dāng)進(jìn)入雙齒嚙合區(qū)，載荷則分別由兩對(duì)齒副按其嚙合剛度的大小分別承擔(dān)。很顯然，在單雙齒嚙合區(qū)的交變位置，每對(duì)齒副所承受的載荷將發(fā)生突變，這必將激發(fā)齒輪的振動(dòng)；同時(shí)，在傳動(dòng)過程中，每個(gè)輪齒的嚙合點(diǎn)沿著齒高方向不斷變化，各嚙合點(diǎn)處齒副的嚙合剛度也隨之變化，相當(dāng)于變剛度彈簧，這也是齒輪產(chǎn)生振動(dòng)的一個(gè)原因。而由于塑料齒輪的受載變形較大，其基節(jié)容易變化，在輪齒進(jìn)入嚙合和退出嚙合時(shí)，將產(chǎn)生齒入沖擊和齒出沖擊，這更加劇了齒輪的振動(dòng)；另外齒輪的制造誤差和安裝誤差導(dǎo)致在嚙合時(shí)必將發(fā)生齒與齒的碰撞而產(chǎn)生沖擊振動(dòng)。由這些原因所引起的振動(dòng)都可以稱為齒輪的嚙合振動(dòng)。由于嚙合振動(dòng)產(chǎn)生的激振，齒輪一方面要產(chǎn)生頻率為嚙合頻率及其高次諧波的受迫振動(dòng)，另一方面則要產(chǎn)生頻率為固有頻率的瞬態(tài)自激振動(dòng)。當(dāng)嚙合頻率和固有頻率互為整數(shù)倍數(shù)時(shí)可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振。因此，齒輪噪聲有兩種表現(xiàn)形式：①嚙合頻率的噪聲；②整個(gè)齒輪以它固有頻率振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲，因而研究這些頻帶下的振動(dòng)及噪聲特性是設(shè)計(jì)塑料齒輪的關(guān)鍵所在。

2 設(shè)計(jì)齒輪時(shí)對(duì)預(yù)防噪音的設(shè)計(jì)因素

2.1 模數(shù)、齒數(shù)

當(dāng)傳遞較大載荷時(shí)，由于輪齒嚙合的動(dòng)態(tài)激勵(lì)，主要是輪齒的彎曲變形引起的，而輪齒的彎曲剛度，又與模數(shù)成正比，因此增大模數(shù)，可減小輪齒的動(dòng)態(tài)激勵(lì)，從而降低噪音，但是在傳遞載荷較小或空載時(shí)，情況就有所不同了，此時(shí)輪齒誤差的影響，會(huì)運(yùn)大于輪齒變形，我們就應(yīng)從齒輪加工誤差的角度來考慮模數(shù)大小對(duì)噪音的影響。例如，齒距誤差ΔP和齒形誤差Δf直接與模數(shù)有關(guān)，并且模數(shù)越大，齒距誤差ΔP和齒形誤差Δf也越大，噪音也就越大。因此，在傳遞載荷小或空載時(shí)，在齒輪強(qiáng)度允許的情況下，應(yīng)盡可能取小模數(shù)。

若模數(shù)不變，改變齒數(shù)，則齒輪直徑和齒輪表面積也隨著改變，這樣，由于齒輪噪音輻射面積的改變，引起了噪音的變化。一般來說，噪音的大小，主要決定于振源的能量，而決定于噪音的輻射面積。按聲源的能量，若把齒輪作為圓板，其向空中輻射的聲功率W決定于振源的能量，隨著圓板直徑的增大，噪音將急劇增加。因此，設(shè)計(jì)齒輪時(shí)，應(yīng)盡可能減小齒輪直徑。

2.2 重合度、變位系數(shù)

增大重合度，可以減小齒輪傳動(dòng)的噪音。①增大重合度，可以減小單對(duì)輪齒的負(fù)荷，從而可以減小嚙入和嚙出的負(fù)荷沖擊，降低齒輪噪音；②隨著接觸齒對(duì)的增加，單對(duì)輪齒的傳動(dòng)誤差被均化，從而減小了輪齒的動(dòng)態(tài)激勵(lì)；此外，幾乎所有的對(duì)齒輪噪音有影響的輪齒參數(shù)，實(shí)際上都是由于它們對(duì)重合度的影響而起作用的。例如，對(duì)于重合度為1～3的圓柱齒輪，降低齒輪的壓力角，減小模數(shù)，使齒頂高有較小的增加，均是由于增大了重合度而使齒輪噪音降低的。當(dāng)然，壓力角減小，增加了輪齒的柔性，也降低了動(dòng)態(tài)激勵(lì)，從而有利于噪音的降低。

齒輪變位系數(shù)的確定是齒輪設(shè)計(jì)中非常重要的因素，它即影響齒輪的強(qiáng)度，又影響齒輪的嚙合指標(biāo)，一般齒輪設(shè)計(jì)手冊(cè)變位系數(shù)選擇均以強(qiáng)度平衡為出發(fā)點(diǎn)，而忽略噪音因素。齒輪變位的最終目的是通過調(diào)整變位系數(shù)來平衡齒輪嚙合性能指標(biāo)滿足實(shí)際工作需要，其分配目的就是滿足齒輪的某一項(xiàng)或平衡齒輪的幾項(xiàng)嚙合性能指標(biāo)，使齒輪副達(dá)到較好的嚙合質(zhì)量來滿足實(shí)際工作需要。根據(jù)AGMA913-A98齒輪設(shè)計(jì)規(guī)范，齒輪變位系數(shù)分配的五項(xiàng)指導(dǎo)原則：①避免根切；②避免齒項(xiàng)變尖；③平衡滑動(dòng)率；④平衡閃溫溫度；⑤平衡彎曲疲勞壽命。其中前面條是限定了齒輪變位系數(shù)的選用范圍，后三條則是希望通過變位來優(yōu)化齒輪嚙合指標(biāo)。

2.3 通過齒廓修形、螺旋線修形削除沖擊振動(dòng)

當(dāng)一對(duì)新齒輪在嚙合起始階段開始接觸，發(fā)生所謂的沖擊振動(dòng)。該振動(dòng)是載荷導(dǎo)致輪齒偏斜，以致成倍的擴(kuò)大節(jié)距偏差，因而輪齒偏斜通常會(huì)產(chǎn)生噪聲。為減小塑料原料齒輪沖擊振動(dòng)，通過齒頂修緣來修正漸開線。通常兩齒輪都要進(jìn)行齒頂修緣，另一種方法是僅修正一個(gè)齒輪的齒頂和齒根區(qū)域。

標(biāo)準(zhǔn)方法沒有考慮實(shí)際齒廓修正，因此分析齒廓修正影響時(shí)，必須采用實(shí)際接觸路徑計(jì)算，并基于此計(jì)算實(shí)際彎曲應(yīng)力、傳動(dòng)誤差等。

2.4 齒面粗糙度

齒面粗糙度直接影響齒面間相對(duì)滑動(dòng)的摩擦系數(shù)，特別在潤滑不良時(shí)，齒面越粗糙，摩擦系數(shù)越大，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)越容易發(fā)出刺耳的尖叫聲。

3 針對(duì)齒輪傳動(dòng)噪音降低的控制

（1）基于以上的影響因素分析優(yōu)化后，就可以通過生產(chǎn)實(shí)際注射來驗(yàn)證調(diào)整成型工藝方案是否提高了塑件的成型品質(zhì)，按最優(yōu)的信噪比確定的最優(yōu)成型條件設(shè)置工藝參數(shù)，并對(duì)生產(chǎn)制品進(jìn)行精度檢測(cè)。

（2）正確的安裝方式與正確潤滑方法的支持

裝配質(zhì)量對(duì)齒輪傳動(dòng)噪聲也影響較大。選用同一臺(tái)機(jī)床加工出來的左、右旋齒輪組裝，就有利于降低噪聲。裝配時(shí)要特別注意消除端面毛刺，因?yàn)槎嗣婷淘趪Ш线^程中直接產(chǎn)生噪聲。

4 結(jié)束語

齒輪噪音的控制是一個(gè)系統(tǒng)工程，必需有效控制各個(gè)環(huán)節(jié)，才能降低齒輪傳動(dòng)噪聲，在設(shè)計(jì)、制造齒輪時(shí)，不僅要使齒輪滿足足夠的強(qiáng)度，還要在各方面盡量降低齒輪噪音。我們堅(jiān)信，隨著齒輪設(shè)計(jì)加工制造技術(shù)的不斷完善，先進(jìn)的制造設(shè)備的開發(fā)使用，一定可以有效地控制齒輪傳動(dòng)噪音。

[1]王學(xué)飛.噪聲與降噪技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

[2]雷光.《齒輪制造手冊(cè)》[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

TB535

A

1004-7344（2016）17-0322-01

2016-6-1