齒輪傳動噪聲的優化設計

任豐蘭 周堯晨

摘 要： 齒輪噪聲是齒輪傳動中的有害聲音且極易造成噪聲污染，闡述了齒輪噪聲產生的機理，分析了其產生的因素，從選材、參數選擇、工藝設計實現齒輪傳動噪聲的優化設計，并對齒輪傳動的噪聲進行了PROE和ADAMS軟件仿真，從而實現齒輪的降噪，使其符合噪聲指標和加工精度方面的要求。

關鍵詞： 齒輪傳動;噪聲;優化設計

中圖分類號： TH132.41? ? ? ? 文獻標識碼： A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.10.008

A Optimization Design of the Gear Transmission Noise

Ren Fenglan，Zhou Xiaochen

（1.Changde vocational technical college，Changde 415000， China;2.Hunan Applied Technology University，

Changde 415000， China）

Abstract：? A noise pollution is easily caused by the gear noise in gear drive that is a harmful sound . The mechanism of gear noise generation is described， and the optimum design of gear transmission noise is realized from material selection， parameter selection and process design. The noise of gear transmission is simulated by PROE and ADAMS software. Thus， the noise reduction of gears can be realized to meet the requirements of noise index and processing accuracy.

Keywords：? gear transmission; noise; optimization design

0 引言

齒輪傳動是機械傳動的重要形式，它具有工作可靠、壽命長、結構緊湊、傳動比準確、傳動效率高、速度和功率的適用范圍較廣等優點。而齒輪傳動產生的噪聲是機械類所產生噪聲的主要因素，因此，研究齒輪的優化降噪具有重要的意義。

1 齒輪傳動噪聲產生的機理

齒輪嚙合傳動時，嚙齒面上存在相對運動，因此齒輪嚙合處將產生滑動摩擦力，相對滑動速度方向反向時，摩擦力大小、方向的改變導致嚙合點間產生“節點脈沖”現象，此現象也是齒輪在理論嚙合條件下存在的齒輪噪聲源，而且隨著齒輪傳動效率增大、轉速提高，其表面精度降低，噪聲變大。

此外，在齒輪的受力過程中，會產生一定程度的彈性變形，使齒輪運轉不勻，產生轉角誤差，導致對齒輪系的沖擊激勵，形成“嚙合齒輪力”，因此“節點脈沖”和“嚙合沖擊力”都是齒輪傳動中噪聲的產生源。

2 齒輪噪聲的產生因素

齒輪噪聲的產生因素有許多，在齒輪傳動噪聲產生的原因當中，組裝占15%、設計占35%、制造占30%、使用占20%，如圖1所示。

3 降低齒輪傳動噪聲的優化方案

3.1 材料的選擇

齒輪的材料最常用的是鋼，其次是鑄鐵，還有有色金屬、非金屬等，但某些惡劣工作條件下的齒輪，用中碳鋼或中碳低合金鋼也不能保證使用性能，這時應選用合金碳鋼（20CrMnTi、20CrMnMo），如表1所示，對于重載荷、有沖擊的齒軸及齒輪，優先選用20CrMnMo用于制造大齒輪。同時，隨著非金屬材料制造的零件強度和精度的提高，非金屬的彈性模量小，傳動時的噪聲小。所以，一對嚙合的齒輪，小齒輪用非金屬材料，大齒輪用金屬材料可降低傳動的噪聲，而在非金屬材料的選擇上，應考慮到非金屬材料的導熱性和耐熱性較差，可選擇導熱性好、硬度高的石墨烯材料。

3.2 齒輪參數的選擇

3.2.1 降低模數

當分度圓直徑一定時，有效的降低模數，不僅能減小齒面的滑動速度，減小磨損及膠合的危險性，降低噪音，而且降低了加工成本。

3.2.2 齒輪機構選擇

如降低模數無法滿足時，可考慮采用斜齒圓柱齒輪傳動，其傳動時，兩嚙合齒面的接觸線與軸線方向成一螺旋角，因為螺旋角的作用從而改變了其嚙合方式，這樣不但延長了每對輪齒的嚙合時間，增加了重合度，從而減少了輪齒傳動的沖擊、振動及噪聲，提高了傳動的平穩性。在實際應用中，采用斜齒圓柱齒輪并增加螺旋角，可有效降低噪聲。

3.3 加工工藝方面

3.3.1 齒形修緣

一對嚙合的齒輪，將齒頂部分的一小部分漸開線齒廓向齒體內部作修緣切深，也就是使其局部的壓力角經過修正比之前壓力角的角度大，因此，修緣部分較為圓滑，與另一齒相嚙合，其平穩性增大，動載荷減小，從而降低噪聲。

3.3.2 增加結構阻尼

在齒輪表面涂上一層內阻尼材料，如減振劑、油漆因子等，齒輪涂裝阻尼后，振動幅度衰減，產生彈性滯后效應，用以吸收振動能量轉化為熱能，從而達到減振降噪目的。

4 基于PROE和ADAMS的齒輪傳動噪聲仿真

4.1 齒輪傳動噪聲仿真

以PROE和ADAMS軟件為基礎，對齒輪的嚙合進行仿真，如圖2和圖3所示。

4.2 仿真結果

通過PROE和ADAMS程序進行數據仿真，加入新材料后的齒輪噪聲值如表2所示。

5 結語

齒輪傳動噪聲的優化設計是一項系統工程，要從選材、參數選擇、工藝設計等方面對齒輪進行優化設計，從而減弱和消除齒輪產生的噪聲，它們之間相互影響，相互聯系，若任何一個環節未得到有效控制，都將引起降噪失敗的連鎖反應，所以需要我們積累大量的經驗，不斷研究齒輪噪聲產生的因素，從而實現齒輪的降噪，使其符合噪聲指標和加工精度方面的要求。

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