非道路國(guó)三柴油機(jī)齒輪傳動(dòng)噪聲探索與減噪設(shè)計(jì)

楊連云

在傳統(tǒng)柴油機(jī)齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，人們往往只注重功能的實(shí)現(xiàn)和工作的可靠性，很少關(guān)心齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲問(wèn)題。但隨著人們對(duì)工作和生活環(huán)境舒適度要求的不斷提高及國(guó)家對(duì)環(huán)保的要求，噪聲問(wèn)題也隨之愈發(fā)凸顯出來(lái)。我們?cè)谂c拖拉機(jī)、叉車、收割機(jī)械等配套試驗(yàn)過(guò)程中，用戶提出考核整機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲。為有效降低噪聲，對(duì)非道路國(guó)三柴油機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)探索。

一、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲分析

在齒輪系統(tǒng)中，根據(jù)機(jī)理的不同，可將噪聲分成加速度噪聲和自鳴噪聲兩種。一方面，在齒輪輪齒嚙合時(shí)，由于沖擊而使齒輪產(chǎn)生很大的加速度并會(huì)引起周圍介質(zhì)擾動(dòng)，由這種擾動(dòng)產(chǎn)生的聲輻射稱為齒輪的加速度噪聲。另一方面，在齒輪動(dòng)態(tài)嚙合力作用下，系統(tǒng)的各零部件會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這些振動(dòng)所產(chǎn)生的聲輻射稱為自鳴噪聲。對(duì)于開式齒輪傳動(dòng)，加速度噪聲由輪齒沖擊處直接輻射出來(lái)，自鳴噪聲則由輪體、傳動(dòng)軸等處輻射出來(lái)。對(duì)于閉式齒輪傳動(dòng)，加速度噪聲先輻射到齒輪箱內(nèi)的空氣和潤(rùn)滑油中，再通過(guò)齒輪箱輻射出來(lái)。自鳴噪聲則由齒輪體的振動(dòng)通過(guò)傳動(dòng)軸引起支座振動(dòng)，從而通過(guò)齒輪箱箱壁的振動(dòng)而輻射出來(lái)。一般說(shuō)來(lái)，自鳴噪聲是閉式齒輪傳動(dòng)的主要聲源。

因此，齒輪系統(tǒng)的噪聲強(qiáng)度不僅與輪齒嚙合的動(dòng)態(tài)激勵(lì)力有關(guān)，而且還與輪體、傳動(dòng)軸、軸承及箱體等的結(jié)構(gòu)形式、動(dòng)態(tài)特性以及動(dòng)態(tài)嚙合力在它們之間的傳遞特性有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，齒輪系統(tǒng)噪聲發(fā)生的原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1）輪系及齒輪箱方面裝配偏心，接觸精度低，軸的平行度差，軸，軸承、支承的剛度不足，軸承的回轉(zhuǎn)精度不高及間隙不當(dāng)?shù)取?/p>

（2）齒輪加工方面基節(jié)誤差和齒形誤差過(guò)大，齒側(cè)間隙過(guò)大，表面粗糙度過(guò)大等。

（3）齒輪設(shè)計(jì)方面參數(shù)選擇不當(dāng)，重合度過(guò)小，齒廓修形不當(dāng)或沒(méi)有修形，齒輪箱結(jié)構(gòu)不合理等。

（4）其他方面輸入扭矩。負(fù)載扭矩的波動(dòng)，軸系的扭振，電動(dòng)機(jī)及其它傳動(dòng)副的平衡情況等。

二、齒輪傳動(dòng)的減噪聲設(shè)計(jì)

基于以上分析，本文將重點(diǎn)從齒輪設(shè)計(jì)、齒輪加工以及輪系及齒輪箱三個(gè)方面展開詳細(xì)討論。

1.齒輪設(shè)計(jì)方面

（1）齒輪的材料和類型

a、齒輪的材料。熱處理和潤(rùn)滑方式等均會(huì)對(duì)系統(tǒng)噪產(chǎn)生影響。一般說(shuō)來(lái)，用衰減性能好的材料制造齒輪，可使噪聲降低，但衰減性能好的材料強(qiáng)度均不高，并非在任何場(chǎng)合均能采用。為了降低噪聲，可在承載的鋼質(zhì)齒輪齒面滲硫或鍍銅，齒面滲硫的目的是減小齒面磨擦系數(shù)，齒面鍍銅已被用在透平機(jī)齒輪上，用以提高齒輪的接觸精度。齒輪熱處理對(duì)噪聲也有影響。例如，齒輪淬火后衰減性能變壞，噪聲會(huì)增加3-4dB，因此強(qiáng)度和磨損性能要求不高的齒輪不必淬火。至于潤(rùn)滑油和加油方法的影響，一般認(rèn)為，噪聲隨油量和油的粘度增大而變小，這是因?yàn)闈?rùn)滑油有阻尼作用，可防止嚙合齒面直接接觸。采用油浴潤(rùn)滑時(shí)，因油面高度不同，齒輪噪聲也不同，即不同的齒輪箱有不同的最佳油位。

b、齒輪的類型從傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲低的角度出發(fā)，斜齒圓柱齒輪同時(shí)接觸的齒對(duì)多。嚙合綜合剛度的變化比較平穩(wěn)。因此振動(dòng)噪聲可能比同樣的直齒圓柱齒輪低，有時(shí)可低到大約12dB。對(duì)于人字齒輪，由于要求嚴(yán)格對(duì)中，微小的誤差或磨損不均都可能影響人字齒輪的均載和傳動(dòng)平穩(wěn)性，因此在圓柱齒輪中，斜齒圓柱齒輪是降低噪聲最佳的齒輪類型。在漸開線斜齒輪、單圓弧齒輪和雙圓弧齒輪這三種齒形中，漸開線斜齒輪的噪聲最低且受所傳遞的載荷和運(yùn)轉(zhuǎn)速度的影響最小，單圓弧齒輪次之，雙圓弧齒輪最差。

（2）齒輪幾何參數(shù)

a、齒數(shù)若模數(shù)不變，改變齒數(shù)則齒輪直徑和齒輪表面積也隨著改變。這樣，由于齒輪噪聲輻射面積的改變引起了噪聲的變化。一般說(shuō)來(lái)，噪聲的大小主要不決定于振源的能量而決定于噪聲的輻射面積。按聲學(xué)原理，若把齒輪作為圓板，它向空中輻射的聲功率wR，可按下式計(jì)算：WR=0.06pW2R2/πC3（6+0.85RP）2xF2（3）式中：F——按正弦規(guī)律變化的激振力的有效值R——圓板直徑o——面密度p——空氣密度ω——角頻率C——常數(shù)由（3）式可知，隨著四板直徑的增大，噪聲將急劇增加。因此，設(shè)計(jì)齒輪時(shí)，應(yīng)盡可能減小齒輪直徑。此外，由式（1），（2）可以看出，齒距誤差與齒輪直徑有關(guān)，而齒形誤差與直徑無(wú)關(guān)，因此減小直徑不會(huì)增加達(dá)到齒輪加工精度的難度。

b、模數(shù)當(dāng)傳遞較大載荷時(shí)，由于輪齒嚙合的動(dòng)態(tài)激勵(lì)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(shù)成正比，因此增大模數(shù)可減小輪齒的動(dòng)態(tài)激勵(lì)，從而降低噪聲。但是在傳遞載荷較小或空載時(shí)，情況就有所不同了。此時(shí)輪齒誤差的影響會(huì)遠(yuǎn)大于輪齒變形，我們就應(yīng)從齒形加工誤差的角度來(lái)考慮模數(shù)大小對(duì)噪聲的影響。例如，齒距誤差/Xp可按下式求得：/Xp=C1+C2M+C3（1）式中d0——齒輪節(jié)圓直徑M——模數(shù)C1、C2、C3——有關(guān)常數(shù)算而齒形誤差△f則可由下式計(jì)：△f=C4M+C5（2）式中C4，C5為有關(guān)常數(shù)。由（1）（2）兩式可以看出，上述兩項(xiàng)誤差直接與模數(shù)有關(guān)，并且模數(shù)大，齒形誤差大。噪聲也大。因此，在傳遞載荷較小或空載時(shí)，在齒輪強(qiáng)度允許的情況下，應(yīng)盡可能取小模數(shù)。

c、齒的修形、整形和變位在齒輪的實(shí)際工作狀態(tài)下，由于輪齒、傳動(dòng)軸和箱體的變形會(huì)使輪齒在嚙入和嚙出時(shí)產(chǎn)生干涉和沖擊，引起強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲。為此，可采用進(jìn)行修形、整形和變位的方式對(duì)嚙合變形進(jìn)行補(bǔ)償達(dá)到降低振動(dòng)和噪聲的目的。

d、重合度增大重合度可以減小齒輪傳動(dòng)的噪聲。首先，增大重合度可以減小單對(duì)輪齒的負(fù)荷。從而可以減小嚙入和嚙出的負(fù)荷沖擊，降低齒輪噪聲。其次，隨著接觸齒對(duì)的增加，單對(duì)輪齒的傳動(dòng)誤差被均化，從而減小了輪齒的動(dòng)態(tài)激勵(lì)。此外，幾乎所有的對(duì)齒輪噪聲有影響的輪齒參數(shù)，實(shí)際上都是由于他們對(duì)重合度的影響而起作用的。

e、螺旋角由于斜齒輪是從齒的一端逐漸進(jìn)入嚙合，因此嚙合沖擊小，噪聲低。一般說(shuō)來(lái)，隨著螺旋角的增大，重合度增大，噪聲降低。但是，當(dāng)螺旋角較大時(shí)其降噪效果較螺旋角較小時(shí)要差。這是因?yàn)槁菪谴髸r(shí)，加工、安裝困難，影響了實(shí)際的重合度

f、齒寬齒寬變化引起噪聲改變的原因在于能量衰減的不同。因此齒寬大的齒輪衰減性能好，從而噪聲也低。

2.齒輪加工方面

齒輪加工精度方面齒輪的加工精度對(duì)齒輪系統(tǒng)噪聲有著重要的影響。一般來(lái)說(shuō)，提高加工精度有助于降低齒輪系統(tǒng)的噪聲。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顯。在各單項(xiàng)輪齒誤差中，齒形誤差對(duì)噪聲的影響最大。齒形誤差大，則齒輪噪聲大，但兩者間并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。因?yàn)樵肼暤拇笮。粌H取決于齒形誤差的大小，更主要的是取決于齒形形狀。實(shí)驗(yàn)證明，略帶鼓形的齒形形狀，有利于降低噪聲。關(guān)于齒輪輪齒側(cè)隙對(duì)噪聲的影響，一般說(shuō)來(lái)，如果側(cè)隙過(guò)小，噪聲會(huì)急劇增大，而側(cè)隙稍大些對(duì)噪聲的影響并不大。

3.箱體結(jié)構(gòu)方面

齒輪箱體是一個(gè)典型的彈性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，它在軸承動(dòng)載荷作用下產(chǎn)生振動(dòng)，輻射噪聲，因此合理設(shè)計(jì)箱體的結(jié)構(gòu)和振動(dòng)特性，將有助于降低齒輪系統(tǒng)的噪聲。例如，設(shè)計(jì)時(shí)以箱體薄壁的振動(dòng)最小為目的，以頻率約束、應(yīng)力約束、幾何約束等為約束條件，使箱壁振動(dòng)在動(dòng)態(tài)激勵(lì)作用下最小，達(dá)到降低噪聲輻射的目的。此外，在箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意使軸承支承座與箱體支點(diǎn)間的結(jié)構(gòu)聯(lián)系具有足夠的剛度，以減少系統(tǒng)的振動(dòng)。對(duì)于較大面積的薄壁，應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)筋，以減少振動(dòng)噪聲的幅度。