齿轮传动系统的减噪设计

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齿轮传动系统的减噪设计
齿轮传动系统的减噪设计1

在传统齿轮传动类产品(如工业减速箱、汽车变速器等)的设计过程中，人们往往只注重功能的实现和工作的可靠性，很少关心整个机械的运转噪声问题。但随着人们对工作和生活环境舒适度要求的不断提高，噪声问题也随之愈发凸显出来。例如，作为国内最大的汽车变速器供应商——上海汽车股份有限公司，我们在考核新开发产品时的两个最主要参数就是疲劳寿命和运转噪声，甚至对变速器的每一个档位都有具体的噪声要求(见下表)。
上海通用赛欧轿车五档手动变速器各档噪声要求 档位 最大噪声(转速1400 r。minl┙)/dB 一档 82 二档 82 三档 79 四档 77 五档 77 六档 82 空档 77
本文从齿轮传动的特性出发，分析了设计、加工各环节中与噪声产生密切相关的各种主要因素，并对其加以总结归纳，从而得出一系列经验性的方法和思路。 齿轮传动系统的噪声分析 为从设计角度出发降低齿轮传动系统的噪声，我们就应首先来分析一下齿轮系统噪声的种类和发生机理。 在齿轮系统中，根据机理的不同，可将噪声分成加速度噪声和自鸣噪声两种。一方面，在齿轮轮齿啮合时，由于冲击而使齿轮产生很大的加速度并会引起周围介质扰动，由这种扰动产生的声辐射称为齿轮的加速度噪声。另一方面，在齿轮动态啮合力作用下，系统的各零部件会产生振动，这些振动所产生的声辐射称为自鸣噪声。 对于开式齿轮传动，加速度噪声由轮齿冲击处直接辐射出来，自鸣噪声则由轮体、传动轴等处辐射出来。对于闭式齿轮传动，加速度噪声先辐射到齿轮箱内的空气和润滑油中，再通过齿轮箱辐射出来。自鸣噪声则由齿轮体的振动通过传动轴引起支座振动，从而通过齿轮箱箱壁的振动而辐射出来。一般说来，自鸣噪声是闭式齿轮传动的主要声源。 因此，齿轮系统的噪声强度不仅与轮齿啮合的动态激励力有关，而且还与轮体、传动轴．轴承及箱体等的结构形式、动态特性以及动态啮合力在它们之间的传递特性有关。一般来说，齿轮系统噪声发生的原因主要有以下几个方面：
(1)齿轮设计方面 参数选择不当，重合度过小，齿廓修形不当或没有修形，齿轮箱结构不合理等。
(2)齿轮加工方面 基节误差和齿形误差过大，齿侧间隙过大，表面粗糙度过大等。
(3)轮系及齿轮箱方面 装配偏心，接触精度低，轴的平行度差，轴，轴承、支承的刚度不足，轴承的回转精度不高及间隙不当等。
(4)其他方面输入扭矩。负载扭矩的波动，轴系的扭振，电动机及其它传动副的平衡情况等。
齿轮传动的减噪声设计 基于以上分析，本文将重点从齿轮设计、齿轮加工以及轮系及齿轮箱三个方面展开详细讨论。

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1.齿轮设计方面
(1)齿轮的类型和材料
①齿轮的类型从传动平稳、噪声低的角度出发，斜齿圆柱齿轮同时接触的齿对多．啮合综合刚度的变化比较平稳。因此振动噪声可能比同样的直齿圆柱齿轮低，有时可低到大约12dB。 对于人字齿轮，由于要求严格对中，微小的误差或唐损不均都可能影响人字齿轮的均载和传动平稳性，因此在圆柱齿轮中，斜齿圆柱齿轮是降低噪声最佳的齿轮类型． 从1969—1987年，埃及开罗Ain-Shams大学丸A.Y．Atfia教授对渐开线斜齿轮，单圆弧齿轮和双圆弧齿轮进行了实验研究，他比较了这三种齿形的齿轮在不同载荷和不同转速时的噪声．研究表明，在这三种齿形中，渐开线斜齿轮的噪声最 低且受所传递的载荷和运转速度的影响最小，单圆弧齿轮次之，双圆弧齿轮最差．
②齿轮的材料,热处理和润滑方式等均会对系统噪产生影响。 一般说来，用衰减性能好的材料制造齿轮，可使噪声降低．但衰减性能好的材料强度均不高，并非在任何场合均能采用。例如．酚醛树脂与尼龙等则往往仅能用来制造缝纫机等轻工机械用轻载齿轮。 为了降低噪声，可在承载的钢质齿轮齿面渗硫或镀铜．齿面渗硫的目的是减小齿面磨擦系数．齿面镀铜已被用在透平机齿轮上，用以提高齿轮的接触精度。 齿轮热处理对噪声也有影响．例如，齿轮淬火后衰减性能变坏，噪声会增加3-4dB，因此强度和磨损性能要求不高的齿轮不必淬火。 至于润滑油和加油方法的影响，一般认为，噪声随油量和油的粘度增大而变小，这是因为润滑油有阻尼作用，可防止啮合齿面直接接触。采用油浴润滑时，因油面高度不同，齿轮噪声也不同，即不同的齿轮箱有不同的最佳油位．
(2)齿轮几何参数
①模数 当传递较大载荷时，由于轮齿啮合的动态激励主要是轮齿的弯曲变形引起的，而轮齿的弯曲刚度又与模数成正比，因此增大模数可减小轮齿的动态激励，从而降低噪声。 但是在传递载荷较小或空载时，情况就有所不同了。此时轮齿误差的影响会远大干轮齿变形，我们就应从齿乾加工误差的角度来考虑模数大小对噪声的影响．例如，齿距误差△P可按下式求得： △P＝C1do +C2M+C3 ` ⒈ 式中do——齿轮节圆直径 M ——模数 C1、C2、C3——有关常数算 而齿形误差△f则可由下式计: △f＝C4M+C5 式中C4，C5为有关常数。 由(1)(2)两式可以看出，上述两项误差直接与模数有关，并且模数大，齿形误差大．噪声也大。因此，在传递载荷较小或空载时，在齿轮强度允许的情况下，应尽可能取小模数。
②齿数 若模数不变，改变齿数则齿轮直径和齿轮表面积也随着改变．这样，由于齿轮噪声辐射面积的改变引起了噪声的变化。 一般说来，噪声的大小主要不决定于振源的能量而决定于噪声的辐射面积。按声学原理，若把齿轮作为圆板，它向空中辐射的声功率WR，可按下式计算： WR＝O.06pW2R2／πC3(6+0.85RP)2xF2 (3 式中: F——按正弦规律变化的激振力的有效值 R——圆板直径 o --面密度 p——空气密度ω——角频率 C——常数 由(3)式可知，随着四板直径的增大，噪声将急剧增加。因此，设计齿轮时，应尽可能减小齿轮直径。 此外，由式(1)，(2)可以看出，齿距误差与齿轮直径有关，而齿形误差与直径无关，因此减小直径不会增加达到齿轮加工精度的难度。
③齿宽 齿宽变化引起噪声改变的原因在于能量衰减的不同。因此齿宽大的齿轮衰减性能好，从而噪声也低．
④重合度 增大重合度可以减小齿轮传动的噪声。 首先，增大重合度可以减小单对轮齿的负荷．从而可以减小啮入和啮出的负荷冲击，降低齿轮噪声。其次，随着接触齿对的增加，单对轮齿的传动误差被均化，从而减小了轮齿的动态激励。此外，几乎所有的对齿轮噪声有影响的轮齿参数，实际上都是由于他们对重合度的影响而起作用的。例如，对于重合度为1—3的圆柱齿轮，降低齿轮的压力角，减小模数，使齿顶高有较小的增加，均是由于增大了重合度而使齿轮噪声降低的。当然，压力角减小，增加了轮齿的柔性，也降低了动态激励，从而有利于噪声的降低。
⑤螺旋角 由于斜齿轮是从齿的一端逐渐进入啮合，因此啮合冲击小，噪声低。一般说来，随着螺旋角的增大，重合度增大，噪声降低。但是，当螺旋角较大时其降噪效果较螺旋角较小时要差。这是因为螺旋角大时，加工、安装困难，影响了实际的重合度．
⑥齿的修形、整形和变位在齿轮的实际工作状态下，由于轮齿、传动轴和箱体的变形会使轮齿在啮入和啮出时产生干涉和冲击，引起强烈的振动和噪声．为此，可采用进行修形、整形和变位的方式对啮合变形进行补偿达到降低振动和噪声的目的。

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2. 齿轮加工方面
(1) 齿轮精度方面
齿轮的加工精度对齿轮系统噪声有着重要的影响。一般来说，提高加 工精度有助于降低齿轮系统的噪声。但提高加工精度要受加工成本的限制，且初始的加工精度越高，提高精度的降噪效果也越不明显。 在各单项轮齿误差中，齿形误差对噪声的影响最大。齿形误差大，则齿轮噪声大，但两者间并非简单的线性关系。因为噪声的大小，不仅取决于齿形误差的大小，更主要的是取决于齿形形状。实验证明，略带鼓形的齿形形状，有利于降低噪声． 关于齿轮轮齿侧隙对噪声的影响，一般说来，如果侧隙过小，噪声会急剧增大，而侧隙稍大些对噪声的影响并不大。
(2) 加工方法方面
齿轮加工的方法有多种，一般说来，加工方法与齿轮噪声没有十分固定的关系，因为还要受到加工技术的影响。通常，不同的加工方法将产生不同的齿面粗糙度，改善齿面粗糙度有利于降低噪声。

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3.轮系及齿轮箱方面
(1)齿轮轮体结构方面
齿轮轮体的结构对齿轮系统的噪声有重要影响。首先，在轮齿动态激励力作用下，轮体作为一个弹性体会产生振动并辐射噪声。其次，作用在轮齿上的动态激励力会通过轮体传给传动轴，并进而传至轴承和箱体。再则，轮体的结构还会影响轮齿啮合过程的传递误差，反过来又会影响动态激励力的大小。 为此，我们可以从减少齿轮体噪声辐射及减小齿轮体振动的传递两方面来降低噪声。
(a)少齿轮体噪声辐射一般说来，噪声的大小除与振源能量有关外，主要决定于辐射面积．因此减小齿轮的表面积，可以减小噪声的辐射面积，从而降低辐射噪声。此外，齿轮的形状与噪声大小也有一定关系，例如齿坯越厚、直径越小，噪声也越小．
(b)减小齿轮体振动的传递 对此，我们可以采用一些复合结构，或在齿轮体中间填入振动衰减材料来增大齿轮的阻尼效应，从而减小振动的传递，来降低噪声．
(2) 轴系结构方面 可以防止传动轴的偏斜，井通过轴系的设计，控制多级齿轮传动中各啮合激励的相位关系，来达到降低噪声的目的。
(3) 箱体结构方面
齿轮箱体是一个典型的弹性结构系统，它在轴承动载荷作用下产生振动，辐射噪声，因此合理设计箱体的结构和振动特性，将有助于降低齿轮系统的噪声。 例如，设计时以箱体薄壁的振动最小为目的，以频率约束、应力约束、几何约束等为约束条件，使箱壁振动在动态激励作用下最小，达到降低噪声辐射的目的． 此外，在箱体结构设计中，应注意使轴承支承座与箱体支点间的结构联系具有足够的刚度，以减少系统的振动。对于较大面积的薄壁，应设置加强筋，以减少振动噪声的幅度。

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学习一下。