齿轮传动系统的减噪设计

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{zd0}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 {zd0}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。 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。 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{zj0}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 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{zj0}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＝C1 +C 2M+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

定于辐射面积．因此减小的表面积，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． (2)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。

常州市华龙机电慧邦传动机械厂:http://www.czhljd.cn