簡述傳動系齒輪噪聲的產生原因及控制策略

【摘 要】本文對齒輪噪聲產生的原因進行了分析，并提出了相應的控制策略。

【關鍵詞】齒輪；噪聲；原因；控制

齒輪傳動的特點是輪齒相互交替嚙合，在嚙合處既有游動又有滑動，不可避免地要產生齒與齒之間的撞擊與摩擦，從而使齒輪產生振動并發出噪聲。另外，工作中的齒輪還承受著交變負荷，齒輪的加工誤差會使這種負荷更為嚴重，從而使軸產生彎曲振動，并在軸承上引起動負荷，最終傳給箱體，使之輻射出噪聲。

1.齒輪噪聲的類型及產生的原因

齒輪噪聲可分為高頻齒輪噪聲和低頻齒輪噪聲兩大類。

高頻齒輪噪聲主要是由齒輪基節偏差引起的，是齒輪噪聲的主要成分。基節偏差會使齒輪在進入嚙合或分離時產生撞擊，該撞擊稱為嚙合撞擊，無論主動輪的基節大于還是小于從動輪的基節，都將使齒輪每轉一個輪齒就產生一次撞擊，撞擊頻率取決于齒輪轉速和齒數。當齒輪和相關旋輪件的安裝或制造有偏心時，除引起離心慣性力激發噪聲外，偏了心的齒輪旋轉一周期間，兩個齒輪嚙合的松緊程度要發生變化，這使嚙合力隨齒輪傳動角位移而變，從而激發振動和噪聲，這種噪聲也是高頻噪聲。此外，齒形誤差及齒面的表面粗糙度等因素也引起部分高頻噪聲。

低頻齒輪噪聲主要是由齒距累積誤差引起的沖擊噪聲。這種噪聲—般不是齒輪噪聲的主要成分。值得注意的是齒輪的固有頻率，而激發強烈的噪聲。

2.影響齒輪噪聲的因素

齒輪的設計參數(如結構、材料、嚙合率、壓力角、模數、齒形修正、相配軸及軸承等)、力口工精度(如各種誤差、表面質量、加工手段及熱處理方法等)、裝配情況(如齒隙、接觸面、位置準確度、裝配力矩等)及使用條件(如轉速、負荷、潤滑及使用場合等)等，都對齒輪噪膨有一定影響。

2.1齒輪設計

常用齒輪有直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪及直齒鏈齒輪和螺旋錐齒輪等幾種齒輪特性參數對其噪聲有明顯影響，增加齒輪重疊系數，可以使齒輪傳動時參與嚙合的齒數增多，這樣就減小了單個輪齒上的載荷，降低了輪齒的沖擊和變形，改善了輪齒進入和脫開嚙合的狀況，從而使齒輪噪聲得以降低。在傳遞扭據一定的條件下壓力角增加將造成徑向力增大，從而導致較高的噪聲級。值得注意的是，齒輪壓力角不僅決定于齒輪的原始設計，而且隨一對嚙合齒輪的中心距而變化，實際中心距增大則壓力角變大，其它如齒輪安裝、制造誤差、溫度變化及釉向剛度等因素，都可能改變實際的壓力角。齒寬對噪聲的影響，增加齒寬，單位齒長載荷降低，齒輪噪聲減弱，減弱的幅度取決于齒輪精度與輪齒承載變形的關系。對于低精度齒輪，其噪聲受單位齒長載荷影響較小，即增加齒寬不會顯著改善其噪聲，對于高精度齒輪，由于輪齒承載變形影響正常的嚙合，所以單位齒長載荷對噪聲有較大影響，即縮小齒寬會引起其噪聲顯著增加，增加齒寬有利于獲得低噪聲齒輪。齒輪的側隙是為潤滑和避免因制造安裝誤差造成運動干涉而設計的，測隙過小，則難以達到設計目的，并且使齒輪噪聲急劇增加。因此，除正、反轉換向頻繁、定位精度要求較高以及裁荷變化較大的齒輪抄L，宜將側隙取大些，這有利于降低齒輪噪聲。

在相同精度的條件下，模數增加會使齒輪噪聲減小。其原因是，增加模數使輪齒變得粗狀，從而減少了輪齒的彎曲變形和沖擊。若保持模數不變，則增加齒數會讓齒輪直徑變大，從而輻射噪聲增加。

齒輪材料和熱處理方法的選擇，對齒輪噪聲也有一定的影響。例如，鑄鐵比鋼有更好的聲振動衰減率和阻尼特性，因此用鑄鐵制造的齒輪比用鋼制造的齒輪噪聲低，差值可達3-4dB。不同熱處理方法對材料彈性模數幾乎不起作用，因而對齒輪的固有頻率也就沒有影響，但材料淬火后，聲振動衰減性能降低，使齒輪噪聲增加3-4dB。

2.2加工精度

齒輪加工的尺寸誤差、形位誤差和表面質量都影響齒輪的噪聲水聲。影響噪聲的主要誤差有齒形誤差、齒距誤差及基節誤差。齒形誤差輪齒偏離漸開線，造成嚙合過程中的沖擊與振動，從而噪聲輻射量增加。齒距誤差和基節誤差也會破壞齒輪嚙合過程的乎穩均勻性，使齒輪傳動角速度被動而形成沖擊振動，從而增加齒輪噪聲。

輪齒的表面質量影響齒而接觸時的摩擦系數，從而影響齒輪吸聲。當輪齒的表面質量好，即表面粗糙度值低時，齒面摩擦系數小，嚙合時的沖擊和噪聲就低。一個齒輪表面粗糙度值低的齒輪(磨齒)與一個齒面表面粗糙度值高的齒輪(磨齒)相比，噪聲相差約4dB。在齒輪加工過程中使用不同的輪齒成形方法，將影響齒面質量，從而影響齒輪噪聲。按照所加工成形的齒輪噪聲大小的順序，可將常用輪齒成形方法排列如下：低精度滾齒切削、齒條刀切齒、該齒切削、波齒切削剃齒。

2.3裝配精度

即使在齒輪加工精度足夠的條件下，裝配精度低也會破壞齒輪嚙合狀況，產生較大的沖突振動，使齒輪噪聲大幅度增加。對傳遞扭矩較小的齒輪，噪聲增長幅度尤為明顯。

2.4使用條件

使用中加入潤滑油，可以防止齒面直接接觸并起阻尼作用，有利于降低輪噪聲，其降低幅度由潤滑方式和潤滑油脂的性質而定，不同的潤滑狀況對齒輪噪聲的影響。試驗時齒輪空載運轉，供油量為lml／s。若齒輪箱采用油浴潤滑，則箱內油面高度不同時齒輪噪聲有一定差別，這是因為形成的油粒激濺程度不同。

3.齒輪噪聲的控制

在齒輪設計、制造及使用過程中，有相當多的因素影響齒輪噪聲的形成和傳播。控制齒輪噪聲，就是合理調整這些因素，降低齒輪工作時的噪聲。

（1）合理選擇齒輪結構形式和改進齒輪參數設計，對于圓柱齒輪來說，按噪聲大小排列順序為：直齒、斜齒、人字形齒；對于圓錐齒輪來說，按噪聲大小排列的順序為：直齒、螺旋齒、雙曲線齒。因此，從降低噪聲的角度出發宜優先選擇低吸聲的齒輪結構。

齒輪參數的低噪聲設計原則是，增加重疊系數，減小齒輪間的相對措移和沖擊，使齒輪工作過程平穩。為此，首先要選擇大重疊系數的嚙合副，但應注意重疊系數不宜過大，尤其是在齒輪精度不高的場合，多對輪齒同時齒合反而會加劇振動、增大噪聲。嚙合副型式—定時，增大齒輪模數、減小齒輪壓力角，也可以使重疊系數增加，從而降低齒輪噪聲。其次選擇齒寬的大小要適當，以保證齒隙大小合適。齒隙過大，齒輪工作時有較大沖擊；而齒隙過小，輪齒嚙合時排氣速度增加，輪齒間容易發生干涉，都將使齒輪噪聲水平上升。

（2）改進工藝提法加工精度。在一般情況下，提高齒輪制造精度，降低各種誤差和輪齒表面粗糙度，均可有效減小齒輪噪聲。其中齒輪精度依次為A級、B級、C級和D級。A級精度最高，在各種傳遞功率條件下噪聲均最小。精度降低一級，噪聲約增加7-10dB。因此，在齒輪制造時，應根據工作要求、噪聲限制值和制造成本，綜合考慮并確定加工精度。

輪齒的不同成形方法會帶來不同的精度，從而影響齒輪噪聲。一般而言，磨齒、研齒和剃齒能得到較高精度，其齒輪噪聲較低。此外，熱處理方法必須適當，以防止熱處理后輪齒變形。

齒形修緣是改善輪齒受力狀況、降低噪聲的又一有效方法。由于齒輪工作會產生變形，加之各種誤差的影響，有可能造成一個齒輪的齒項與另一個齒輪的齒面在進入嚙合時發生干涉，形成頂撞和沖擊。 [科]