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浅议螺旋锥齿轮接触区调整及啮合噪声的产生

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发表于 2013-5-13 09:54 | 显示全部楼层 |阅读模式

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(一)。螺旋锥齿轮的接触区的调整用一句话概括,就是:对齿轮齿长曲率(螺旋角)的修整及对齿高曲率(压力角)的修正。
按照齿轮啮合原理:一对相啮合的弧齿锥齿轮齿面应该是完全共轭的,而且在机床上可以加工出与大轮完全共轭的小齿轮。可是,完全共轭的齿面并不好用:安装时没有可调性,极容易造成负荷集中在轮齿的边缘而使齿轮破坏。因此一对能够很好工作的齿轮应该是“局部共轭”“或称为”局部接触”。
机床加工调整卡在做切齿计算时,在小轮齿面上选择一个基准“点”,
然后再将这个“点”的周围的齿面上轻轻地去除一部分,离这个点越远的地方多去掉一些,把理论齿面修正成一个与理论齿面在这个“点”相切而又能加工出来的齿面。这个“点”应在齿面的中点,将这种齿面与大轮齿面相啮合,齿面的接触痕迹是并不布满整个齿面的“局部接触”。做这种“局部共轭”的过程即“失配”。这样的轮齿接触在理论安装距条件下恰恰处于齿面中部;即使有安装距误差,接触痕迹也会在这个“点”的附近扩展还不会使载荷集中在轮齿的齿面边缘上,这些过程也就是接触区调整过程,使我们希望要达到的。
实践证明:这种局部接触的齿轮副比完全共轭的齿轮副好得多。

接触区是衡量锥齿轮传动质量的重要指标。供给装配的齿轮接触区如果有“形状、位置、长短宽窄”误差,将会使载荷集中在轮齿的大端或小端、齿顶或齿根位置。造成工作中的载荷集中,使轮齿过早的磨损或轮齿折断。另外,形状位置不好的接触将会影响工作的平稳性及噪声的高低。
对于格里生齿制的齿轮副,在调整接触区时,应将接触区调整在齿面的中间靠近小端;当载荷逐步增加时,接触区会逐渐向大端扩展,施加满负荷时,接触区基本上布满齿面的绝大部分面积而不至于使接触区“漫”出齿面,不会击穿轮齿的边缘。克林贝格、奥利康齿制的摆线形齿轮副啮合受力状况与其恰恰相反,对于这种齿轮在调整接触区配对检查时,应将接触区调整在齿面的中间靠大端。
这是基于齿轮加工按“铣齿— 磨齿”工艺来考虑的。磨齿的成本很高,机床价格昂贵,许多制造厂采用“铣齿— 研齿”工艺制造齿轮。由于齿轮在铣齿后需要进行热处理,经过渗碳、淬火、回火后的齿轮无法消除热处理变形,无法克服齿轮精度大大降低的弊病。如果是一般精度要求不高的齿轮,热处理后经过研齿,可以改善齿轮的啮合接触区,降低噪声;如果齿轮的精度要求很高,在47级之间,仅作研齿,是不可能达到精度要求的,只有采取磨齿,才能达技术要求的精度。

对于接触区,世界各齿轮生产大国的“齿轮国家标准”都做了规定。但具体的描述就各有差别。美国的ANSIAGM2009B01标准,德国的DIN39651989标准,日本的JISB17041973标准,以及我国的GB1136589标准对接触区的描述差异很大,尤其是中国国家标准,规定的十分繁琐,脱离实际应用。
根据 笔者的经验,觉得“接触区”这样规定较好:
               接触区形状:椭圆形或长方形。
               接触区长短:占齿长方向的40—60
               接触区宽窄:占齿高方向的5070
               接触区位置:在齿面中间偏小端(格里生齿制)。
(二)。关于螺旋锥齿轮啮合噪声:
在过去的几十年里,齿轮工作者们,经常不断地研究改进提高齿轮强度和耐久性的方法、精确地控制齿轮毛坯、齿轮材料、齿轮润滑、齿轮机床及加工方法等,目的是让同一批齿轮精度相近,甚至达到能够互换安装。但是,实际上这同一批齿轮安装在不同的装置中,所发出的声音的强度是不同的,任何控制精度手段似乎都不能解决这个问题。
是人感到讨厌的声音就是噪声,噪声通常为机械振动的反应。齿轮传动也属于这个范畴。对齿轮传动的声音人们是特别敏感的,当其它部件可靠时,使用者的注意力就集中在传动时所产生的声音上了。往往因为噪声问题双方产生争执,甚至会发生“这对齿轮是否合格、能否使用”的问题。噪声问题有时会给齿轮制造商带来不可估量的损失。
解决齿轮噪声是一个世界性的技术问题。

一对锥齿轮在啮合运转中,产生噪声的机理主要有六个方面:.齿轮啮合时由于节点的脉动冲击产生振动、.齿轮的啮合冲击、.由于“局部共轭而产生的传动速比不固定、.错误的设计参数、.齿轮的制造精度.齿轮的不良接触区等因素。
下面我们就后面的三个问题进行探讨。
.齿轮制造精度:前面已经就机床、工艺装备、刀具、测量方面做过研究,应该做到每一个环节都认真控制。
.接触区:按照前面叙述过的,把接触区调整的最佳状态。不良接触区是噪声过高的一个因素。有时,特意将接触区做成稍微有内对角形状,噪声会降低一些。
.齿轮的设计:应该正视并承认的事实是:国内真正专业设计锥齿轮的技术人员不多,对锥齿轮真正进行深入研究并懂得锥齿轮加工的人员更少。大的国企、研究院尚有这个能力,有些企业仅仅靠一本“齿轮手册”就来设计齿轮,往往给制造商带来难以解决的难题。
在锥齿轮设计时,给出的齿轮参数必须考虑到对齿轮副有重大影响的方面:齿轮的端面接触比mp、齿面接触比mF修正接触比mT,对于重载齿轮,只有当   
mp≧1、 mF≧1.5、mT≧2三个条件同时成立;在轻载情况下,只有当mP≧1、
mF≧1.75、mT≧2三个条件同时成立时,才不会有齿轮啮合时齿顶强制传递运动的边缘接触,也就是说某些齿轮在设计时不符合上述三个条件,将产生比较大的噪声。其次,设计时,齿根过度圆角过大可能导致轮齿的工作齿高到不到要求,产生了齿顶与齿根接触产生噪声。错误的设计是产生过大噪声的重要原因。
.除齿轮外的相关零部件的制造误差:齿轮箱的制造误差、安装距的误差、箱体强度不够,在工作中产生变形,都会引起噪声增大。
.润滑、冷却及齿轮箱的清洁度也会引起噪声增大:齿轮箱润滑条件不好,工作中产生温度上升,产生热变形,这种变形既有齿轮的,又有箱体的,使齿轮工作条件恶劣,会造成较大的噪声。甚至引起齿面胶合,导致磨损。清洁度不高的箱体,工作中异物会附着在轮齿表面,影响齿轮的正确啮合,也会使噪声增大。


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发表于 2013-5-13 21:27 | 显示全部楼层
讲的很好,深有感触。楼主能否将mp,mF,mT计算公式或计算公式的出处讲一下,在计算调整卡时顺便将这三个参数也算一下,以便提前采取措施。谢谢了。另外,这三个参数和计算的端面重合度,齿向重合度,总重合度计算及定义是否相同?
 楼主| 发表于 2013-5-13 21:42 | 显示全部楼层

先生是陕西宝鸡市的吧?明天答复你的提问。。。。。。。
 楼主| 发表于 2013-5-13 21:43 | 显示全部楼层
LCF0917 发表于 2013-5-13 21:27
讲的很好,深有感触。楼主能否将mp,mF,mT计算公式或计算公式的出处讲一下,在计算调整卡时顺便将这三个参数也 ...

您是否在我的新浪博客里和我讨论过?
 楼主| 发表于 2013-5-14 09:56 | 显示全部楼层
合理地设计齿轮参数对于降低螺旋锥齿轮副的啮合噪声至关重要,其中最重要的设计参数是齿轮副的接触比(或称重合度)螺旋锥齿轮的接触比分为三部分:端面接触比(Transverse contact  ratio),齿面轮齿比(法测 contact ratio),修正接触比(modified  contact  ratio).GLEASON公司规定其数学代号分别为mp、mf,  mT。其中mT的值等于mp和mf的平方之和的二次方。
公式的推导很沉长,就不赘述了。
这里,只谈结论:1)。mf值的大小与齿轮的齿面宽成正比,加大齿轮的齿面宽对提高mf值最明显。
2)。mf值的大小与齿轮中点螺旋角的余切成正比,加大螺旋角也是提高mf的一种途径。
3)。mf值的大小与齿轮的周节成反比,因此,减小齿轮的周节也是增大mf的一个途径。
4)。齿轮的外锥距与齿数成正比,因此,加大齿数对于增大mf值没有什么效果。
以上描述仅针对格里生弧齿锥齿轮而言,对于格里生准双曲面齿轮,稍有不同。
 楼主| 发表于 2013-5-14 10:21 | 显示全部楼层
(以下文字是长沙哈量凯帅精密机械制造公司/株洲沃尔得特种齿轮公司培训教材)
如何控制mp,mf,mT的值,是一项非常复杂的工作,其中,有些参数使互相制约的:如增大螺旋角可以增大mp的值,但同时又会减少mt的值,同时又减小mf的值,往往要综合考虑各种因素,如:采用细长齿和较小的压力角通常会增大轮齿的弯曲应力,降低了齿轮的强度更容易产生应力集中,并且在齿轮加工中容易产生根切,改变齿轮副的齿数或模数,就可能影响到齿轮箱的尺寸或齿轮强度,改变齿轮的螺旋角和齿面宽,就会影响到齿轮箱轴承的选择,并可能加大加工难度。因此,除非万不得已,通常在设计时,齿轮副的一些基本参数是不能变的,如:传动比、齿数、模数、偏置距、平均压力角、齿面宽等。我们可以借助各种软件进行准确的设计,如:格里生公司的CAGE  4WIN 等螺旋锥齿轮的设计软件,就能非常迅速、准确的进行设计和计算了。、
发表于 2013-5-14 20:23 | 显示全部楼层
zh2013001;您好!我是西安的,现在江苏。我经常会遇到模数较大,齿数比较少的齿轮副,经磨齿后噪声较大。mT也在2,0以上,但不大于2.15,和格里森公司的人讨论时,介绍大于2.5最好。关于接触区大小,格里森公司调整卡计算软件默认接触比系数是0.3-0.4,接触区要做到齿长的50%是比较困难的。在对齿轮副做TCA分析时,为使运动曲线更好,往往需要减小接触区的长度系数或加大对角系数,使运动更平稳。请您对如何将接触区调整地更大些,噪声降地更低些,有什么好方法,请介绍一下!
 楼主| 发表于 2013-5-14 20:35 | 显示全部楼层
LCF0917 发表于 2013-5-14 20:23
zh2013001;您好!我是西安的,现在江苏。我经常会遇到模数较大,齿数比较少的齿轮副,经磨齿后噪声较大。mT ...

先生是常州格里森的还是溧水南京金鑫的?
 楼主| 发表于 2013-5-14 20:38 | 显示全部楼层
估计先生不是那个常州克林贝格或南京金腾公司的,这两个公司以"klbg摆线等高齿为主“。
 楼主| 发表于 2013-5-14 20:40 | 显示全部楼层
LCF0917 发表于 2013-5-14 20:23
zh2013001;您好!我是西安的,现在江苏。我经常会遇到模数较大,齿数比较少的齿轮副,经磨齿后噪声较大。mT ...

您能否将你们加工最大齿轮的齿数、模数、螺旋角、压力角这四个参数公司我?我们可以讨论一下。
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