齒輪傳動噪音影響因素分析與控制

廖榮凱

（韶能集團韶關宏大齒輪有限公司）

齒輪傳動噪音影響因素分析與控制

廖榮凱

（韶能集團韶關宏大齒輪有限公司）

漸開線圓柱齒輪是工程機械變速箱中廣泛應用的重要基礎零件。齒輪嚙合時會產生嚙合沖擊而發生與齒輪嚙合頻率相對應的噪聲；齒面之間由于相對滑動發生摩擦聲；在制造時由于不可避免地存在著制造誤差，使齒輪噪聲增大。所以，在進行齒輪設計時，降低齒輪傳動中的振動和噪音對控制齒輪箱振動和噪音有著重要意義。齒輪嚙合傳動質量的優劣是激起傳動系統噪音的直接根源之一，應當在設計階段充分考慮齒輪噪音問題。

齒輪傳動；噪聲；分析；設計；修形

1 齒輪噪音產生的原因

對直齒圓柱齒輪而言，其嚙合區分為單嚙合區和雙嚙合區。在單齒嚙合區內，全部載荷由一對齒副承擔，當進入雙齒嚙合區，載荷則分別由兩對齒副按其嚙合剛度的大小分別承擔。很顯然，在單雙齒嚙合區的交變位置，每對齒副所承受的載荷將發生突變，這必將激發齒輪的振動；同時，在傳動過程中，每個輪齒的嚙合點沿著齒高方向不斷變化，各嚙合點處齒副的嚙合剛度也隨之變化，相當于變剛度彈簧，這也是齒輪產生振動的一個原因。而由于塑料齒輪的受載變形較大，其基節容易變化，在輪齒進入嚙合和退出嚙合時，將產生齒入沖擊和齒出沖擊，這更加劇了齒輪的振動；另外齒輪的制造誤差和安裝誤差導致在嚙合時必將發生齒與齒的碰撞而產生沖擊振動。由這些原因所引起的振動都可以稱為齒輪的嚙合振動。由于嚙合振動產生的激振，齒輪一方面要產生頻率為嚙合頻率及其高次諧波的受迫振動，另一方面則要產生頻率為固有頻率的瞬態自激振動。當嚙合頻率和固有頻率互為整數倍數時可能產生強烈的共振。因此，齒輪噪聲有兩種表現形式：①嚙合頻率的噪聲；②整個齒輪以它固有頻率振動所產生的噪聲，因而研究這些頻帶下的振動及噪聲特性是設計塑料齒輪的關鍵所在。

2 設計齒輪時對預防噪音的設計因素

2.1 模數、齒數

當傳遞較大載荷時，由于輪齒嚙合的動態激勵，主要是輪齒的彎曲變形引起的，而輪齒的彎曲剛度，又與模數成正比，因此增大模數，可減小輪齒的動態激勵，從而降低噪音，但是在傳遞載荷較小或空載時，情況就有所不同了，此時輪齒誤差的影響，會運大于輪齒變形，我們就應從齒輪加工誤差的角度來考慮模數大小對噪音的影響。例如，齒距誤差ΔP和齒形誤差Δf直接與模數有關，并且模數越大，齒距誤差ΔP和齒形誤差Δf也越大，噪音也就越大。因此，在傳遞載荷小或空載時，在齒輪強度允許的情況下，應盡可能取小模數。

若模數不變，改變齒數，則齒輪直徑和齒輪表面積也隨著改變，這樣，由于齒輪噪音輻射面積的改變，引起了噪音的變化。一般來說，噪音的大小，主要決定于振源的能量，而決定于噪音的輻射面積。按聲源的能量，若把齒輪作為圓板，其向空中輻射的聲功率W決定于振源的能量，隨著圓板直徑的增大，噪音將急劇增加。因此，設計齒輪時，應盡可能減小齒輪直徑。

2.2 重合度、變位系數

增大重合度，可以減小齒輪傳動的噪音。①增大重合度，可以減小單對輪齒的負荷，從而可以減小嚙入和嚙出的負荷沖擊，降低齒輪噪音；②隨著接觸齒對的增加，單對輪齒的傳動誤差被均化，從而減小了輪齒的動態激勵；此外，幾乎所有的對齒輪噪音有影響的輪齒參數，實際上都是由于它們對重合度的影響而起作用的。例如，對于重合度為1～3的圓柱齒輪，降低齒輪的壓力角，減小模數，使齒頂高有較小的增加，均是由于增大了重合度而使齒輪噪音降低的。當然，壓力角減小，增加了輪齒的柔性，也降低了動態激勵，從而有利于噪音的降低。

齒輪變位系數的確定是齒輪設計中非常重要的因素，它即影響齒輪的強度，又影響齒輪的嚙合指標，一般齒輪設計手冊變位系數選擇均以強度平衡為出發點，而忽略噪音因素。齒輪變位的最終目的是通過調整變位系數來平衡齒輪嚙合性能指標滿足實際工作需要，其分配目的就是滿足齒輪的某一項或平衡齒輪的幾項嚙合性能指標，使齒輪副達到較好的嚙合質量來滿足實際工作需要。根據AGMA913-A98齒輪設計規范，齒輪變位系數分配的五項指導原則：①避免根切；②避免齒項變尖；③平衡滑動率；④平衡閃溫溫度；⑤平衡彎曲疲勞壽命。其中前面條是限定了齒輪變位系數的選用范圍，后三條則是希望通過變位來優化齒輪嚙合指標。

2.3 通過齒廓修形、螺旋線修形削除沖擊振動

當一對新齒輪在嚙合起始階段開始接觸，發生所謂的沖擊振動。該振動是載荷導致輪齒偏斜，以致成倍的擴大節距偏差，因而輪齒偏斜通常會產生噪聲。為減小塑料原料齒輪沖擊振動，通過齒頂修緣來修正漸開線。通常兩齒輪都要進行齒頂修緣，另一種方法是僅修正一個齒輪的齒頂和齒根區域。

標準方法沒有考慮實際齒廓修正，因此分析齒廓修正影響時，必須采用實際接觸路徑計算，并基于此計算實際彎曲應力、傳動誤差等。

2.4 齒面粗糙度

齒面粗糙度直接影響齒面間相對滑動的摩擦系數，特別在潤滑不良時，齒面越粗糙，摩擦系數越大，在高速運轉時越容易發出刺耳的尖叫聲。

3 針對齒輪傳動噪音降低的控制

（1）基于以上的影響因素分析優化后，就可以通過生產實際注射來驗證調整成型工藝方案是否提高了塑件的成型品質，按最優的信噪比確定的最優成型條件設置工藝參數，并對生產制品進行精度檢測。

（2）正確的安裝方式與正確潤滑方法的支持

裝配質量對齒輪傳動噪聲也影響較大。選用同一臺機床加工出來的左、右旋齒輪組裝，就有利于降低噪聲。裝配時要特別注意消除端面毛刺，因為端面毛刺在嚙合過程中直接產生噪聲。

4 結束語

齒輪噪音的控制是一個系統工程，必需有效控制各個環節，才能降低齒輪傳動噪聲，在設計、制造齒輪時，不僅要使齒輪滿足足夠的強度，還要在各方面盡量降低齒輪噪音。我們堅信，隨著齒輪設計加工制造技術的不斷完善，先進的制造設備的開發使用，一定可以有效地控制齒輪傳動噪音。

[1]王學飛.噪聲與降噪技術[M].北京：機械工業出版社，1986.

[2]雷光.《齒輪制造手冊》[M].北京：機械工業出版社，1998.

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1004-7344（2016）17-0322-01

2016-6-1