曲軸正反轉(zhuǎn)向?qū)X輪噪聲的影響

秦 劍

（江蘇環(huán)球偉業(yè)服飾有限公司，江蘇 徐州 221000）

一臺單點(diǎn)機(jī)械壓力機(jī)，在試車過程中出現(xiàn)齒輪噪聲問題，依靠經(jīng)驗(yàn)重磨齒輪后，未排除故障。后通過理論推導(dǎo)計(jì)算，找出校精度側(cè)頂力是影響噪聲的主要因素，采取減小校精度側(cè)頂力的措施后，該問題順利得到解決。

1 問題描述

一臺300t單點(diǎn)沖床，傳動系統(tǒng)如圖1所示，滑塊行程0.3m、沖次20spm，在試車過程中齒輪噪聲問題突出，主要表現(xiàn)為滑塊下行時(shí)噪聲較大、滑塊上行時(shí)噪聲較小。將曲軸反轉(zhuǎn)，即將驅(qū)動電機(jī)旋向接反、曲軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)向，滑塊下行時(shí)噪聲顯著減小、上行時(shí)噪聲也明顯減小，檢測曲軸反轉(zhuǎn)比正轉(zhuǎn)噪聲小4～7dB。檢查嚙合的大齒輪和齒輪軸齒面，均為磨削成品。

2 原因分析

為便于分析，將上述齒輪噪聲問題歸為兩種，一種是滑塊一個(gè)行程內(nèi)噪聲的差異，即滑塊下行噪聲高于上行；另一種是曲軸正反轉(zhuǎn)向?qū)е碌脑肼暡町?，即順時(shí)針轉(zhuǎn)向（正轉(zhuǎn)）高于曲軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)向（反轉(zhuǎn)）。

2.1 齒輪噪聲問題原因經(jīng)驗(yàn)排查

對于上述噪聲問題，首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法，采取與同類沖床噪聲進(jìn)行比較的方法進(jìn)行判斷。通過類比，滑塊下行噪聲比上行高1～2dB，是普遍現(xiàn)象；曲軸正轉(zhuǎn)噪聲比反轉(zhuǎn)高1～3dB屬正常范圍。據(jù)此，制定解決方案如下。

2.1.1 滑塊上行下行噪聲差異

經(jīng)檢測，滑塊下行噪聲比上行高3dB，較合理區(qū)間值略高?；瑝K上下行噪聲的差異，主要由工作機(jī)構(gòu)間隙產(chǎn)生。

如圖1所示，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)共有三對摩擦副：曲軸軸頸與曲軸瓦、曲柄頸與連桿大頭軸瓦、連桿小頭（球頭）與滑塊球座。這三對摩擦副，設(shè)計(jì)總間隙約為0.7～0.8mm。平衡缸拉力在平衡掉滑塊重量的同時(shí)，雖然消除部分總間隙，但至少要保留0.3mm以上的間隙，以保證正常潤滑，避免摩擦副發(fā)熱問題?；瑝K下行時(shí)，由于平衡缸拉力不斷增大（容積減小、氣壓增大），各摩擦副由自由移動過渡到接觸移動，產(chǎn)生沖擊噪聲；當(dāng)滑塊上行時(shí)，平衡缸拉力不斷減小（容積增大、氣壓減?。?，各摩擦副由接觸移動過渡到自由移動，沖擊噪聲顯著減小。

調(diào)整平衡缸拉力，即調(diào)整平衡缸初始?xì)鈮褐?，可抑制部分沖擊噪聲。因滑塊上下行噪聲差異不是主要矛盾，本例沒有采取減小工作機(jī)構(gòu)間隙的措施。

2.1.2 曲軸正反轉(zhuǎn)噪聲差異

依據(jù)檢測結(jié)果，曲軸正轉(zhuǎn)噪聲比反轉(zhuǎn)高4～7dB，超出合理區(qū)間值。產(chǎn)生異常噪聲的原因，按以往經(jīng)驗(yàn)判斷，是大齒輪或齒輪軸的齒面磨削質(zhì)量問題引起。由于齒面磨削采用的仿形磨削工藝，即在磨齒機(jī)上，將用金剛刀修整過的齒形砂輪，磨出左右齒面，如圖2所示。因此，推斷砂輪的一個(gè)齒形漸開線修整時(shí)誤差較大，導(dǎo)致齒面接觸較差，產(chǎn)生噪聲問題。為驗(yàn)證分析結(jié)論，在齒輪軸齒面上涂上紅油，和大齒輪進(jìn)行配研，結(jié)果顯示：曲軸正轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動滑塊運(yùn)行的齒輪一側(cè)齒面接觸斑點(diǎn)，明顯少于曲軸反轉(zhuǎn)時(shí)另一側(cè)齒面的接觸斑點(diǎn)，說明反轉(zhuǎn)齒面接觸情況優(yōu)于正轉(zhuǎn)，證明分析結(jié)論成立。

為此，在磨齒機(jī)上重新修整砂輪，對修整過的砂輪進(jìn)行檢測，符合5級齒輪精度要求后，重磨齒輪軸和大齒輪。但是，修磨后的齒輪副重新裝配試車后，噪聲問題卻依舊。

對此，決定從理論上分析，查找問題的根源。

2.2 曲軸正反轉(zhuǎn)噪聲差異溯源思路

依據(jù)齒輪噪聲理論，除了齒輪材質(zhì)自身因素外，噪聲主要由力的方向和大小變化引起。在已排除齒輪加工、齒形漸開線的因素，即力的方向變化產(chǎn)生噪聲的可能性后，接下來，對力的大小變化引起噪聲的可能性，進(jìn)行分析驗(yàn)證。

齒輪傳遞扭矩，主要依靠齒面法向力，齒輪軸傳給大齒輪的齒面法向力（合力）分解情況，如圖3所示，可知

從齒輪法向力分解情況可知，曲軸正反轉(zhuǎn)向的差異，對徑向分力Fjr的大小和方向都沒有影響，因此可得出結(jié)論，圓周力Fjt是影響齒輪噪聲的決定性因素。如求出曲軸正反轉(zhuǎn)向時(shí)圓周力Fjt的不同，即可通過圓周力Fjt的計(jì)算公式，找出影響齒輪噪聲的主要因素。

2.3 大齒輪圓周力計(jì)算

大齒輪，為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動轉(zhuǎn)換輸入端；滑塊，為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成往復(fù)直線運(yùn)動的輸出終端。按照力的傳導(dǎo)原理，可從運(yùn)動終端的輸出力，推導(dǎo)出曲軸（大齒輪）的輸入扭矩力。按此思路，曲軸和滑塊的中間連接為連桿，做出連桿的推力分解圖，如圖4所示，即可清晰反映出輸入力和輸出力兩者之間的關(guān)系。

在空載和一定沖次條件下，從大齒輪輸入力計(jì)算，忽略曲軸和連桿的慣性力、運(yùn)動副的摩擦力，連桿推力在曲軸的切向分力Ft乘以曲軸偏心距R，為曲軸的轉(zhuǎn)矩；而曲軸的轉(zhuǎn)矩又等于大齒輪的輸入扭矩，大齒輪的輸入扭矩為分度圓半徑Rj和圓周力Fjt的乘積，即

而 Ft＝F×cosγ，

2.3.1 連桿推力分解計(jì)算

從輸出滑塊力計(jì)算，連桿推力在滑塊上的作用力，可分解為水平方向的分力F1、豎直方向的分力F2，即

同理，曲軸反轉(zhuǎn)時(shí)

2.3.2 滑塊受力分析計(jì)算

為求出連桿推力，做出滑塊受力分析圖進(jìn)行求解，如圖5所示。

圖5中，滑塊在水平方向受到的力，為平衡力；滑塊在豎直方向受到的力，為非平衡力。當(dāng)曲軸正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)，滑塊的受力狀態(tài)發(fā)生變化，圖5所示為滑塊下行受力圖（0°≤行程角 θ＜180°），圖 6 所示為滑塊上行受力圖（180°≤行程角 θ＜360°），具體計(jì)算結(jié)果如下。

其中，m為滑塊質(zhì)量，a為滑塊豎直方向加速度

由滑塊受力情況可知，因滑塊右側(cè)導(dǎo)軌多了機(jī)床精度間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，即頂絲裝置。正常狀態(tài)下，滑塊重心和幾何中心很難重疊，加之連桿斜向推力和平衡缸拉力的存在，實(shí)際上滑塊在機(jī)身導(dǎo)軌內(nèi)多是傾斜的，如圖7所示，滑塊受到的校精度側(cè)向頂力，一般都大于零。

2.3.3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動計(jì)算

為求出滑塊豎直方向的運(yùn)動加速度，依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)近似式，參見圖1和圖4，可知

2.3.4 平衡缸拉力和導(dǎo)軌摩擦力計(jì)算；

要求出大齒輪的圓周力 Fjt，需先根據(jù)式（7）、（9）求出 F2，然后根據(jù)式（4）、（5）求出 F，最后由式（2）解出Fjt。

以曲軸正轉(zhuǎn)為例，對式（7）進(jìn)行求解

式中，平衡缸拉力Fb和導(dǎo)軌摩擦力Ff大小，由以下方法給出。

（1）平衡缸拉力Fb

圖7中，兩平衡缸大小相等，通過并聯(lián)接頭和沖床氣包連通，氣包容積約為兩個(gè)平衡缸最大容積之和的7倍左右，故：

當(dāng)H取最大值時(shí)Hm，即得單平衡缸最大容積Vbm

平衡缸氣壓Pb的求解說明：由于平衡缸活塞拉桿隨滑塊上下運(yùn)動，活塞行程H等于滑塊位移S。滑塊上行時(shí)，氣包將氣體壓進(jìn)平衡缸；滑塊下行時(shí)，平衡缸又將氣體壓進(jìn)氣包，因平衡缸的容積不斷變化，平衡缸氣壓也在隨之改變，但平衡缸氣壓和氣包氣壓數(shù)值相等。由氣體狀態(tài)方程式可知，

其中，P為氣體壓強(qiáng)，V為氣體體積，R為氣體狀態(tài)常數(shù)，T為氣體溫度。如將式（15）用于平衡缸氣壓的計(jì)算，將兩個(gè)平衡缸氣包容積和氣包容積之和，當(dāng)成一個(gè)氣體體積，結(jié)合式（13）、（14）和式（15），則式（16）變形為

式（17）中，忽略氣體溫度T的變化，滑塊處于行程內(nèi)的的任意位置、即位移S（H）在（0，0.3）區(qū)間內(nèi)取任意值時(shí)，RT數(shù)值不變，得

式（18）中，當(dāng)滑塊處于上死點(diǎn)位置、即位移S上=0.3m時(shí)，平衡缸拉力Fb可分解為兩個(gè)分力，一個(gè)分力平衡掉滑塊重量，另一個(gè)分力平衡掉模具上模重量。平衡掉滑塊重量的分力等于滑塊重量G，該分力的平衡缸氣壓設(shè)計(jì)值為0.3MPa，即活塞面積Ab與0.3MPa的乘積等于G；另一個(gè)平衡掉模具上模重量，該分力的平衡缸氣壓設(shè)定值區(qū)間為0～0.15MPa，即活塞面積Ab與設(shè)定值的乘積等于模具上模重量?？蛰d試車時(shí)，雖然不帶模具，但平衡缸初始?xì)鈮褐担ɑ瑝K處于上死點(diǎn)）一般調(diào)整為0.33MPa左右，則式（18）變形為

將式（19）代入式（15）中，得

（2）導(dǎo)軌摩擦力Ff

由式（8）Ff=μ（F1+Fp）可知，要求出導(dǎo)軌摩擦力，需先求出校精度側(cè)頂力Fp。

校精度側(cè)頂力Fp，主要是由頂絲預(yù)緊力決定，見圖7。實(shí)際上，在進(jìn)行右導(dǎo)軌調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)頂絲周圍還至少設(shè)計(jì)兩個(gè)拉絲，將右導(dǎo)軌拉向機(jī)身，以方便調(diào)整導(dǎo)軌位置，因此校精度側(cè)頂力Fp不便用公式求出，只有依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值給定。導(dǎo)軌摩擦系數(shù)μ，一般取值 0.1，把式（3）代入式（8）

將式（21），代入式（7），得

曲軸反轉(zhuǎn)時(shí)，逆向連桿推力Fa的豎向分力F2′的求解，由式（9）知

其中，平衡缸拉力Fb和曲軸正轉(zhuǎn)時(shí)相同，F(xiàn)f′可由（10）式 Ff′=μF1′進(jìn)行計(jì)算，將式（6）代入式（10），得

將式（23），代入式（9），得

2.3.5 大齒輪圓周力計(jì)算

曲軸正轉(zhuǎn)時(shí)，將式（4）代入式（2），得大齒輪圓周力Fjt為

曲軸反轉(zhuǎn)時(shí)，將式（5）代入式（2），得大齒輪圓周力 Fjt′為

由三角形計(jì)算公式，結(jié)合圖1和圖4，得

為方便計(jì)算，聯(lián)立式 （1）、（11）、（12）、（20）、（22）、（24）、（25）、（26）、（27），做成《大齒輪圓周力計(jì)算表》EXCEL表格，如表1所示。

表1 大齒輪圓周力計(jì)算表

表格中，計(jì)算時(shí)壓力角α取值在[-π，π]，故

另外，校精度側(cè)頂力Fp暫估值為20000N。

2.3.6 大齒輪圓周力曲線圖

為對比滑塊一個(gè)行程內(nèi)，曲軸正反轉(zhuǎn)向時(shí)圓周力Fjt的不同，依據(jù)《大齒輪圓周力計(jì)算表》，作出大齒輪圓周力曲線圖，如圖8所示。

2.4 正反轉(zhuǎn)齒輪噪聲差異要因分析

曲軸正反轉(zhuǎn)對比：由式（22）和（24）可知，反轉(zhuǎn)時(shí)，滑塊水平方向受力比曲軸正轉(zhuǎn)少了一個(gè)校精度側(cè)頂力Fp，豎直方向受力也少了一個(gè)Fp產(chǎn)生的摩擦力μFp。該摩擦力μFp對大齒輪圓周力的影響，見圖9所示。當(dāng)Fp為零時(shí)，正反轉(zhuǎn)大齒輪圓周力相同；隨著Fp值增大，F(xiàn)jt和Fjt′的曲線差異越來越大。

因此，校精度側(cè)頂力Fp的大小，是影響曲軸正反轉(zhuǎn)齒輪噪聲差異的主要因素。

3 解決方案和實(shí)施效果

由于校精度側(cè)頂力Fp的大小影響齒輪噪聲，如果曲軸反轉(zhuǎn)時(shí)噪聲低于標(biāo)準(zhǔn)要求4～6dB，則可通過減小Fp數(shù)值的措施，實(shí)現(xiàn)降噪的目標(biāo)。本例中，采取重新修銑機(jī)身和滑塊導(dǎo)軌、改進(jìn)機(jī)床精度校正方法等，將曲軸正轉(zhuǎn)時(shí)的齒輪噪聲控制在了標(biāo)準(zhǔn)要求之內(nèi)。

而另一臺單點(diǎn)沖床齒輪噪聲問題，因曲軸反轉(zhuǎn)時(shí)噪聲已接近標(biāo)準(zhǔn)要求的上限、正轉(zhuǎn)時(shí)噪聲遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)，該例已不適用通過減小Fp數(shù)值的措施，實(shí)現(xiàn)降噪目標(biāo)。依據(jù)齒輪噪聲理論，該例在排除齒輪力的方向、大小因素后，剩下的因素只有齒輪的材質(zhì)和硬度。查：大齒輪材料為ZG35SiMn，熱處理正火硬度HB260；齒輪軸材料為 40Cr，熱處理調(diào)質(zhì)硬度HB220-250，齒面淬火硬度HRC38～42。大齒輪和齒輪軸材料已使用多年，材料因素可以排除。該例制定的解決對策為，降低齒輪軸齒面硬度，即取消淬火工序，將原來的熱處理調(diào)質(zhì)硬度由HB220-250改為HB260-280。該方案應(yīng)用后，齒輪噪聲降到標(biāo)準(zhǔn)分貝值以下。

另外，依據(jù)紅油配研接觸斑點(diǎn)得出錯(cuò)誤結(jié)論的原因，通過查閱資料和進(jìn)行試驗(yàn)顯示，用紅油配研檢驗(yàn)齒面接觸斑點(diǎn)時(shí)，有個(gè)弊端，當(dāng)齒輪受力變化速率慢時(shí)，齒面接觸斑點(diǎn)多；當(dāng)齒輪受力突變、即變化速率快時(shí)，齒面接觸斑點(diǎn)少，影響正確判斷。

4 小結(jié)

“從實(shí)踐到理論，從理論到實(shí)踐”，在齒輪噪聲原因查找的過程中得到了詮釋。有些壓力機(jī)故障問題，當(dāng)憑經(jīng)驗(yàn)不能排除時(shí)，不妨做個(gè)理論模型，進(jìn)行公式推導(dǎo)，有時(shí)會起到事倍功半的效果。