齒輪傳動(dòng)噪聲的優(yōu)化設(shè)計(jì)

任豐蘭 周堯晨

摘 要： 齒輪噪聲是齒輪傳動(dòng)中的有害聲音且極易造成噪聲污染，闡述了齒輪噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，分析了其產(chǎn)生的因素，從選材、參數(shù)選擇、工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)齒輪傳動(dòng)噪聲的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)齒輪傳動(dòng)的噪聲進(jìn)行了PROE和ADAMS軟件仿真，從而實(shí)現(xiàn)齒輪的降噪，使其符合噪聲指標(biāo)和加工精度方面的要求。

關(guān)鍵詞： 齒輪傳動(dòng);噪聲;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TH132.41? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.10.008

A Optimization Design of the Gear Transmission Noise

Ren Fenglan，Zhou Xiaochen

（1.Changde vocational technical college，Changde 415000， China;2.Hunan Applied Technology University，

Changde 415000， China）

Abstract：? A noise pollution is easily caused by the gear noise in gear drive that is a harmful sound . The mechanism of gear noise generation is described， and the optimum design of gear transmission noise is realized from material selection， parameter selection and process design. The noise of gear transmission is simulated by PROE and ADAMS software. Thus， the noise reduction of gears can be realized to meet the requirements of noise index and processing accuracy.

Keywords：? gear transmission; noise; optimization design

0 引言

齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)的重要形式，它具有工作可靠、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高、速度和功率的適用范圍較廣等優(yōu)點(diǎn)。而齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生的噪聲是機(jī)械類所產(chǎn)生噪聲的主要因素，因此，研究齒輪的優(yōu)化降噪具有重要的意義。

1 齒輪傳動(dòng)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理

齒輪嚙合傳動(dòng)時(shí)，嚙齒面上存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此齒輪嚙合處將產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力，相對(duì)滑動(dòng)速度方向反向時(shí)，摩擦力大小、方向的改變導(dǎo)致嚙合點(diǎn)間產(chǎn)生“節(jié)點(diǎn)脈沖”現(xiàn)象，此現(xiàn)象也是齒輪在理論嚙合條件下存在的齒輪噪聲源，而且隨著齒輪傳動(dòng)效率增大、轉(zhuǎn)速提高，其表面精度降低，噪聲變大。

此外，在齒輪的受力過程中，會(huì)產(chǎn)生一定程度的彈性變形，使齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)不勻，產(chǎn)生轉(zhuǎn)角誤差，導(dǎo)致對(duì)齒輪系的沖擊激勵(lì)，形成“嚙合齒輪力”，因此“節(jié)點(diǎn)脈沖”和“嚙合沖擊力”都是齒輪傳動(dòng)中噪聲的產(chǎn)生源。

2 齒輪噪聲的產(chǎn)生因素

齒輪噪聲的產(chǎn)生因素有許多，在齒輪傳動(dòng)噪聲產(chǎn)生的原因當(dāng)中，組裝占15%、設(shè)計(jì)占35%、制造占30%、使用占20%，如圖1所示。

3 降低齒輪傳動(dòng)噪聲的優(yōu)化方案

3.1 材料的選擇

齒輪的材料最常用的是鋼，其次是鑄鐵，還有有色金屬、非金屬等，但某些惡劣工作條件下的齒輪，用中碳鋼或中碳低合金鋼也不能保證使用性能，這時(shí)應(yīng)選用合金碳鋼（20CrMnTi、20CrMnMo），如表1所示，對(duì)于重載荷、有沖擊的齒軸及齒輪，優(yōu)先選用20CrMnMo用于制造大齒輪。同時(shí)，隨著非金屬材料制造的零件強(qiáng)度和精度的提高，非金屬的彈性模量小，傳動(dòng)時(shí)的噪聲小。所以，一對(duì)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傳動(dòng)的噪聲，而在非金屬材料的選擇上，應(yīng)考慮到非金屬材料的導(dǎo)熱性和耐熱性較差，可選擇導(dǎo)熱性好、硬度高的石墨烯材料。

3.2 齒輪參數(shù)的選擇

3.2.1 降低模數(shù)

當(dāng)分度圓直徑一定時(shí)，有效的降低模數(shù)，不僅能減小齒面的滑動(dòng)速度，減小磨損及膠合的危險(xiǎn)性，降低噪音，而且降低了加工成本。

3.2.2 齒輪機(jī)構(gòu)選擇

如降低模數(shù)無法滿足時(shí)，可考慮采用斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)，其傳動(dòng)時(shí)，兩嚙合齒面的接觸線與軸線方向成一螺旋角，因?yàn)槁菪堑淖饔脧亩淖兞似鋰Ш戏绞?，這樣不但延長(zhǎng)了每對(duì)輪齒的嚙合時(shí)間，增加了重合度，從而減少了輪齒傳動(dòng)的沖擊、振動(dòng)及噪聲，提高了傳動(dòng)的平穩(wěn)性。在實(shí)際應(yīng)用中，采用斜齒圓柱齒輪并增加螺旋角，可有效降低噪聲。

3.3 加工工藝方面

3.3.1 齒形修緣

一對(duì)嚙合的齒輪，將齒頂部分的一小部分漸開線齒廓向齒體內(nèi)部作修緣切深，也就是使其局部的壓力角經(jīng)過修正比之前壓力角的角度大，因此，修緣部分較為圓滑，與另一齒相嚙合，其平穩(wěn)性增大，動(dòng)載荷減小，從而降低噪聲。

3.3.2 增加結(jié)構(gòu)阻尼

在齒輪表面涂上一層內(nèi)阻尼材料，如減振劑、油漆因子等，齒輪涂裝阻尼后，振動(dòng)幅度衰減，產(chǎn)生彈性滯后效應(yīng)，用以吸收振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到減振降噪目的。

4 基于PROE和ADAMS的齒輪傳動(dòng)噪聲仿真

4.1 齒輪傳動(dòng)噪聲仿真

以PROE和ADAMS軟件為基礎(chǔ)，對(duì)齒輪的嚙合進(jìn)行仿真，如圖2和圖3所示。

4.2 仿真結(jié)果

通過PROE和ADAMS程序進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真，加入新材料后的齒輪噪聲值如表2所示。

5 結(jié)語

齒輪傳動(dòng)噪聲的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，要從選材、參數(shù)選擇、工藝設(shè)計(jì)等方面對(duì)齒輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而減弱和消除齒輪產(chǎn)生的噪聲，它們之間相互影響，相互聯(lián)系，若任何一個(gè)環(huán)節(jié)未得到有效控制，都將引起降噪失敗的連鎖反應(yīng)，所以需要我們積累大量的經(jīng)驗(yàn)，不斷研究齒輪噪聲產(chǎn)生的因素，從而實(shí)現(xiàn)齒輪的降噪，使其符合噪聲指標(biāo)和加工精度方面的要求。

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