淺談如何降低齒輪傳動(dòng)噪音

李曉道

摘要：齒輪箱在電機(jī)中應(yīng)用廣泛，既可以改變傳動(dòng)方向和速度，也可以起到離合與分配動(dòng)力的作用，是機(jī)械傳動(dòng)中最重要的部件之一。齒輪嚙合時(shí)是否產(chǎn)生噪音是衡量齒輪傳動(dòng)性能的重要因素，文章分析了齒輪傳動(dòng)噪音產(chǎn)生的原因，并提出了降低齒輪傳動(dòng)噪音的相應(yīng)對(duì)策。

關(guān)鍵詞：齒輪傳動(dòng)噪音；嚙合系數(shù)；加工精度；齒輪設(shè)計(jì)；模數(shù)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH132 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2012）15-0073-02

齒輪傳動(dòng)的工作原理是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)，具有傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比精確，工作可靠、效率高、壽命長(zhǎng)，使用的功率、速度和尺寸范圍大等優(yōu)點(diǎn)，是機(jī)械領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的傳動(dòng)方式。齒輪傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)之一是噪音問(wèn)題，因而降低齒輪傳動(dòng)噪聲是進(jìn)一步提升齒輪品質(zhì)的重要研究方向。本文分析了齒輪傳動(dòng)噪音產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)對(duì)策。

1齒輪傳動(dòng)噪音發(fā)生的原因

1.1內(nèi)因

這里的內(nèi)因主要是指齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)帶來(lái)的噪音問(wèn)題，主要有齒數(shù)比、模數(shù)、齒寬、螺旋角、壓力角、嚙合系數(shù)、及加工質(zhì)量等。

1.1.1齒數(shù)比

齒數(shù)比是齒輪傳動(dòng)時(shí)相嚙合的大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)之比，齒數(shù)比的設(shè)計(jì)依據(jù)齒輪的載荷性質(zhì)和齒面硬度而定，如設(shè)計(jì)不當(dāng)則會(huì)增大噪音。

1.1.2模數(shù)

齒輪的承載如果不是很大，在強(qiáng)度允許的條件下盡量選擇較小的模數(shù)。而動(dòng)力傳動(dòng)齒輪，為避免其齒根出現(xiàn)彎曲變形應(yīng)選擇選大模數(shù)，以降低噪音。

1.1.3齒寬

一般來(lái)說(shuō)，齒寬越大噪音越小，但齒寬應(yīng)限制在一定范圍內(nèi)以免造成接觸不良，在加大齒輪外徑時(shí)應(yīng)選擇較小直徑。

1.1.4螺旋角

在保證齒輪表面光潔的前提下，隨著螺旋角的增加，振動(dòng)與噪聲均會(huì)減小。

1.1.5壓力角

相同條件下，壓力角越大其重合度越小，齒輪傳動(dòng)過(guò)程中沖擊間隙越大，因而噪音越大。

1.1.6嚙合系數(shù)

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，因而嚙合系數(shù)越大，噪音越小。

1.1.7加工精度

加工的精確程度直接關(guān)系到噪音的產(chǎn)生情況，如果存在誤差會(huì)引起嚙合沖擊產(chǎn)生雜音，或者是邊緣磨損容易產(chǎn)生哨聲。

1.2外因

除了齒輪本身的問(wèn)題，產(chǎn)生噪音的重要因素還有軸系的彎曲與扭轉(zhuǎn)，軸承、軸承座及齒輪箱等。

1.2.1軸系

齒輪通過(guò)鍵、銷、螺釘?shù)攘慵惭b在軸上，這需要高精度的軸與之相配合，否則再好的齒輪也會(huì)因軸的彎曲、撓動(dòng)、扭轉(zhuǎn)而增加振動(dòng)與噪聲。滾動(dòng)軸承本身就是一個(gè)振動(dòng)源。就軸承本身而言，內(nèi)外滾道特別是滾動(dòng)體的圓度是影響噪聲的最重要因素。

1.2.2軸承與軸承座

軸承是影響軸系精度、振動(dòng)與噪聲的重要元件，在震動(dòng)過(guò)程中，軸承和軸承座會(huì)有沖擊，軸承座受到脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，不僅產(chǎn)生噪音，對(duì)軸承和軸承座損傷也很大。

1.2.3齒輪箱箱體質(zhì)量及裝配質(zhì)量對(duì)噪聲的影響

箱體上箱壁與其罩、蓋是機(jī)床振動(dòng)部分與空氣接觸面積最大的振動(dòng)體，是噪聲的主要輻射體，它們的振動(dòng)越大，噪聲也越大。箱體剛性好，振動(dòng)速度低，傳聲就小。

除以上分析，在機(jī)床的液壓、氣動(dòng)裝置中,一般都存在噪聲問(wèn)題，這是因?yàn)榱黧w以一定的壓力和速度流經(jīng)縫隙時(shí)，造成能量損失，這部分能量以振動(dòng)與噪聲的形式消耗掉。

2降低齒輪傳動(dòng)噪音的對(duì)策

2.1齒輪原材料的選擇

提高齒輪品質(zhì)是減少噪音的重要方法，高品質(zhì)離不開好的原材料。制造齒輪的材料主要有鋼材和非金屬材料兩種。如果對(duì)齒輪要求不高，為了降低噪聲，則建議使用非金屬材料。制造齒輪的材料衰減性能要優(yōu)良，但衰減性能優(yōu)良的原材料一般有強(qiáng)度較低的缺點(diǎn)，因此一定要特別注意齒輪的使用環(huán)境，例如輕工機(jī)械就可以選用酚醛樹脂等材料。而重工機(jī)械宜選用40Cr和45鋼制造齒輪，也可采用高分子材料及粉末冶金材料代替鋼材，以增加阻尼及吸振作用。此外，在一對(duì)嚙合齒輪中，小齒輪可以可以采用非金屬材料，大齒輪仍采用金屬材料，以降低齒輪傳動(dòng)噪音。另外要重視原材料的檢驗(yàn)工作，主要包括化學(xué)成分檢驗(yàn)、晶粒度測(cè)定和純潔度評(píng)定，對(duì)于原材料的把關(guān)要嚴(yán)格。

2.2模數(shù)和齒數(shù)的設(shè)計(jì)

2.2.1模數(shù)的設(shè)計(jì)

如果齒輪傳動(dòng)的載荷較大，為了避免因輪齒變形導(dǎo)致噪音增大，可以選擇增大模數(shù)以減小輪齒的動(dòng)態(tài)激勵(lì)。而在載荷較小的情況下，隨著模數(shù)的增大，輪齒的誤差也會(huì)增大，從而會(huì)增大噪音。因此需要比較齒距誤差與輪齒變形的程度，從齒輪加工誤差的角度來(lái)衡量模數(shù)大小對(duì)噪聲的影響。假設(shè)齒距誤差為△P，△P=C1+C2M+C3，齒形誤差△F= C4M+C5，其中，M是模數(shù)，C1、C2、C3、C4、C5為有關(guān)常數(shù)。結(jié)論是在荷載較小時(shí)，在保證齒輪強(qiáng)度的前提下，盡可能取小的模數(shù)。

2.2.2齒數(shù)的設(shè)計(jì)

模數(shù)不變的情況下，如改變齒數(shù)，改變齒輪的直徑和表面積也發(fā)生了改變。假設(shè)聲功率是W，則W=0.06pW2R2/ΠC3（6+0.85RP）2×F2，其中，F(xiàn)是按正弦規(guī)律變化的激振力的有效值，R是圓板直徑，P是空氣密度，C是常數(shù)。結(jié)論：圓板直徑增大，噪聲將增大，因此在齒輪設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能減小齒輪的直徑。

2.3提高加工精度

2.3.1保證齒輪的精度

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，齒輪線速度需高于20m/s，精度要達(dá)到GB10995-88 7～8級(jí)，齒輪，齒距極限偏差、齒圈徑向跳動(dòng)公差、齒向公差要達(dá)到7級(jí)精度，而且需要達(dá)到穩(wěn)定。

2.3.2控制齒坯的精度

齒輪孔的尺寸的精度要求在孔的偏差值的中間差左右分布，定在±0.003～±0.005mm；如果超差而又在孔的設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，必須分類，分別轉(zhuǎn)入切齒工序。齒坯的端面跳動(dòng)及徑向跳動(dòng)為6級(jí)，定在0.01～0.02mm。

2.4防止熱處理變形

齒坯在粗加工后成精鍛件需要進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理，以達(dá)到如下目的：（1）消除殘余應(yīng)力；（2）軟化鋼件以便進(jìn)行切削加工；（3）細(xì)化晶粒，改善組織以提高鋼的機(jī)械性能。應(yīng)注意的是，在正火或調(diào)質(zhì)處理中，一定要保持爐膛溫度均勻，以及采用工位器具，使工件均勻地加熱及冷卻，嚴(yán)禁堆放在一起。需鉆孔減輕重量的齒輪，應(yīng)將鉆孔序安排在熱處理后進(jìn)行。齒輪的最終熱處理采用使零件變形較小的齒面高頻淬火；高頻淬火后得到的齒面具有高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和疲勞極限，而心部仍保持足夠的塑性和韌性。為減少變形，齒面高頻淬火應(yīng)采用較低的淬火溫度和較短的加熱時(shí)間、均勻加熱、緩慢冷卻。

2.5使用超級(jí)潤(rùn)滑劑

為降低金屬間接觸，降低噪音，還可以使用超級(jí)潤(rùn)滑劑，它是一種特殊惰性材料，主要作用是降低金屬間直接摩擦。它的作用機(jī)理是在外螺紋和內(nèi)螺紋間形成一個(gè)接觸面，保護(hù)接頭免受摩擦和磨損影響，它可以承受1407kg/cm2的壓力。超級(jí)潤(rùn)滑劑也是一種極好的齒輪箱添加劑，可以在內(nèi)部件上形成以一層薄膜，從而降低摩擦，齒輪噪音以及泄露。它還具有降低力矩應(yīng)力，滿足動(dòng)力減壓需求的功能。

3結(jié)語(yǔ)

上文論述了齒輪傳動(dòng)中噪音產(chǎn)生的原因，并結(jié)合筆者實(shí)際經(jīng)驗(yàn)提出了若干對(duì)策。如何減小齒輪噪音是需要齒輪制造屆和學(xué)術(shù)界持續(xù)研究的課題，還需要相關(guān)工作人員在實(shí)踐中不斷總結(jié)和探索，消除齒輪應(yīng)用中的各種問(wèn)題，提高齒輪質(zhì)量。

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（責(zé)任編輯：趙秀娟）