少齒數齒輪低噪音理論及設計加工技術探討

申曙光

摘 要：本文從設計、加工、裝調等方面針對少齒數齒輪噪音進行了簡析，通過大量的試驗，找出了少齒數齒輪低噪音設計方法、加工工藝，有效降低了少齒數齒輪的嚙合噪音。

關鍵詞：少齒數；噪音；壓力角

1、引言

目前對齒數在2-8齒的齒輪稱為少齒數齒輪，具有傳動比大，結構小，成本低的特點，廣泛應用于電動代步車、電動輪椅等領域。因齒數少，形成的漸開線基圓半徑比一般的齒輪小得很多，加工困難，精度不易提高，易產生噪音等問題。本文就如何控制少齒數齒輪噪音的進行分析，并提出了設計、加工等方法，有效降低少齒數齒輪齒輪副在嚙合過程中的噪音。

2、少齒數齒輪設計、加工及控制

2.1、壓力角及齒形誤差。

齒形誤差主要反映在壓力角的變化上，由于齒輪嚙合時的彈性變形，經研究主動輪的周節減小，被動輪的周節增大，也就是主動輪的壓力角增大，被動輪的壓力角減小，從而在實際嚙合過程中主，被動輪壓力角是不一致的，一般少齒數齒輪轉動時大都為主動輪（停車時轉換為被動輪），因此主動輪的壓力角要規定正負方向，即一般為正的壓力角。經過對50對同樣齒輪的噪聲研究，主動輪的壓力角小于被動輪的壓力角大約70%數量噪聲比主動輪的壓力角大于被動輪的壓力角齒輪的噪聲低3-5分貝。負的壓力角技術， 經過大量齒輪加工數據的統計用標準刀具滾剃時實際齒形為較小壓力角，其誤差有0.03-0.05，并且左右不一致。剃齒加工后，由于剃齒刀的切削力作用及產生金屬的滑移特別是向齒頂方向堆積而造成齒頂高出來，即壓力角減小，特別是當刀具不鋒利或者刀具的線速度不夠時這種壓力角減小趨勢更為明顯，為避免齒頂干涉應考慮齒頂修緣問題，因此主動輪的壓力角要為負（即齒頂要低）。滾刀容屑槽數目對加工精密齒輪特別是少齒數來說有重要作用，容屑槽數多，滾展成線越致密，可以減小固有齒形誤差。

剃齒加工時切削壓力、剃齒刀與被剃齒輪以兩對齒面接觸點同時工作在齒頂，齒根的”雙齒嚙合區域”，而在節圓附近為”單齒嚙合區域”。后者齒面壓力大于前者，使得齒輪在節圓附近被多切削一部分金屬，從而形成中凹。剃齒刀與齒輪嚙合切削時，切削速度發生變化，嚙合點由齒輪的起始點移向齒頂終止點，除節點外的其他嚙合點速度方向是不一致，齒面間產生相對滑動，引起滑動摩擦力.相對速度在嚙合點由齒根移動到節點的過程中逐漸減小，再由節點移動到齒頂的過程中逐漸增大。剃齒刀在齒形各點處的速度是變化的，在節點附近的同時嚙合齒面對數少， 切削速度低，工件與剃齒刀的齒面越貼近， 切削金屬越多，形成中凹。

減少中凹的措施有選擇剃齒刀的切削速度為90-140r/min、臺面的走刀速度的合理搭配、進刀量及其剃齒方向、剃齒余量（要小）。其中減少剃齒的切削時間是關鍵、采用中厚兩端簿剃前齒形。

2.2、齒形鼓形技術，

最佳齒形問題也很重要。為了避免齒根及齒頂的非漸開線齒廓接觸，保證齒形嚙合處于齒廓中部，必須采取一定的措施得到最佳齒形。齒頂修緣（齒頂修薄）和齒根少量根切可以防止齒輪進入和退出時因為彈性變形而產生的干涉，同時補償制造和安裝誤差。齒輪速度高時則效果更明顯。

2.3、齒向誤差影響齒輪的接觸精度

接觸精度不好時齒輪單位承載增加，載荷不均衡，接觸區產生游動，產生較大沖擊，振動和噪音。少齒數的齒輪一般為細小軸類零件更容易產生沖擊，振動和噪音。因此輪體厚度C、外徑D和齒寬B關系遵循如下：

C/D≤1/5或C/B≤1/3軸向振動大

B/D≤1/10 徑向振動

2.4、側隙

側隙的作用為補償熱變形，彈性變形，儲油潤滑改善齒面間的摩擦和中心距的誤差。齒輪嚙合時的空氣逸出速度為節線速度的10倍，在高速運轉過程中可以接近聲速，形成沖擊波產生聲輻射，因此側隙有利于減小逸出速度，從而減小噪聲。側隙小容易發生干涉，潤滑條件差而引起較大的摩擦力，加之泵氣現象，容易發生尖叫，但是雜音好。側隙大，噪聲可以減小，但是容易產生沖擊從而音質雜亂。

側隙大小是矛盾的統一體。經過大量試驗統計出合適的側隙大小如下式：

Jnmin=k[（△Fpt1+△Fpt2+（△Fr1+△Fr1）tgα）]

Jnmax= Jnmin+[（Ts12+Ts22）×（cosαn）2+（TaSin20°）2]1/2

其中：

△Fpt1，△Fpt2 小，大輪的周節誤差

△Fr1，△Fr1小，大輪的齒圈跳動

Ts1、Ts2小，大輪的齒厚公差 Ta=2fa

Fa中心距變動公差

α壓力角

k 熱變形，彈性變形系數

2.5、基節

基節影響平穩性，影響雜音。一般應該控制在0.006內。主動輪基節大于被動輪基節則一點嚙合時，另一點還未嚙合，這樣使得被動輪逐漸降速，當主動輪繼續以勻速旋轉時，另一點勢必撞擊被動輪的另一點，產生換齒撞擊。主動輪基節小于被動輪基節則一點還未嚙合時，另一點先撞擊，被動輪加速，形成脫嚙撞擊。

3、結束語

降低齒輪噪聲的第一個措施就是提高齒輪精度，其中齒形誤差和齒距誤差為重點，根據不同的工況，對齒形進行優化，從而達到少齒數齒輪在嚙合時噪聲低、音質好的效果。

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