齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的減噪設(shè)計(jì)

木公

齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的減噪設(shè)計(jì)
在傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)類產(chǎn)品(如工業(yè)減速箱,、汽車變速器等)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)心整個(gè)機(jī)械的運(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，噪聲問(wèn)題也隨之愈發(fā)凸顯出來(lái),。例如,，作為國(guó)內(nèi)最大的汽車變速器供應(yīng)商——上海汽車股份有限公司，我們?cè)诳己诵麻_(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)的兩個(gè)最主要參數(shù)就是疲勞壽命和運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲,，甚至對(duì)變速器的每一個(gè)檔位都有具體的噪聲要求(見(jiàn)下表),。 上海通用賽歐轎車五檔手動(dòng)變速器各檔噪聲要求 檔位 最大噪聲(轉(zhuǎn)速1400 r。minl┙)/dB 一檔 82 二檔 82 三檔 79 四檔 77 五檔 77 六檔 82 空檔 77 本文從齒輪傳動(dòng)的特性出發(fā),，分析了設(shè)計(jì),、加工各環(huán)節(jié)中與噪聲產(chǎn)生密切相關(guān)的各種主要因素，并對(duì)其加以總結(jié)歸納,，從而得出一系列經(jīng)驗(yàn)性的方法和思路,。 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲分析 為從設(shè)計(jì)角度出發(fā)降低齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲，我們就應(yīng)首先來(lái)分析一下齒輪系統(tǒng)噪聲的種類和發(fā)生機(jī)理,。 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(kāi)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)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。 (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)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?(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,。 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(kāi)詳細(xì)討論,。 1.齒輪設(shè)計(jì)方面 (1)齒輪的類型和材料
+ S" Q8 f& l5 P% M6 s①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，微小的誤差或唐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． 從1969—1987年，埃及開(kāi)羅Ain-Shams大學(xué)丸A.Y．Atfia教授對(duì)漸開(kāi)線斜齒輪,，單圓弧齒輪和雙圓弧齒輪進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,，他比較了這三種齒形的齒輪在不同載荷和不同轉(zhuǎn)速時(shí)的噪聲．研究表明，在這三種齒形中,，漸開(kāi)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齒輪的材料 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,。例如．酚醛樹(shù)脂與尼龍等則往往僅能用來(lái)制造縫紉機(jī)等輕工機(jī)械用輕載齒輪。 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． (2)齒輪幾何參數(shù) ①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)大干輪齒變形，我們就應(yīng)從齒乾加工誤差的角度來(lái)考慮模數(shù)大小對(duì)噪聲的影響．例如,，齒距誤差△P可按下式求得： △P＝C1 +C2M+C3 ` ⒈ 式中do——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 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)。 ②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＝O.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
9 G5 A/ b. I' n* U+ }7 U4 r2 _8 vω——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,。 ③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． ④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。例如,，對(duì)于重合度為1—3的圓柱齒輪,，降低齒輪的壓力角，減小模數(shù)，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聲降低的,。當(dāng)然，壓力角減小,，增加了輪齒的柔性,，也降低了動(dòng)態(tài)激勵(lì)，從而有利于噪聲的降低,。 ⑤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�角大時(shí),，加工、安裝困難,，影響了實(shí)際的重合度． ⑥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,。
% u! y" R; k* m  R2 L+ l6 K+ T齒輪加工方面 1．齒輪精度方面 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�,，不僅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。 2．加工方法方面 齒輪加工的方法有多種,，一般說(shuō)來(lái),，加工方法與齒輪噪聲沒(méi)有十分固定的關(guān)系,，因?yàn)檫�要受到加工技術(shù)的影響。通常,，不同的加工方法將產(chǎn)生不同的齒面粗糙度,，改善齒面粗糙度有利于降低噪聲,。 輪系及齒輪箱方面 1．齒輪輪體結(jié)構(gòu)方面 齒輪輪體的結(jié)構(gòu)對(duì)齒輪系統(tǒng)的噪聲有重要影響,。首先,，在輪齒動(dòng)態(tài)激勵(lì)力作用下,，輪體作為一個(gè)彈性體會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)并輻射噪聲,。其次,，作用在輪齒上的動(dòng)態(tài)激勵(lì)力會(huì)通過(guò)輪體傳給傳動(dòng)軸,，并進(jìn)而傳至軸承和箱體,。再則,，輪體的結(jié)構(gòu)還會(huì)影響輪齒嚙合過(guò)程的傳遞誤差，反過(guò)來(lái)又會(huì)影響動(dòng)態(tài)激勵(lì)力的大小,。 為此,，我們可以從減少齒輪體噪聲輻射及減小齒輪體振動(dòng)的傳遞兩方面來(lái)降低噪聲。 (1)少齒輪體噪聲輻射一般說(shuō)來(lái),，噪聲的大小除與振源能量有關(guān)外,，主要決
5 Z; g* j2 y7 y( K4 P; e定于輻射面積．因此減小齒輪的表面積，可以減小噪聲的輻射面積,，從而降低輻射噪聲,。此外，齒輪的形狀與噪聲大小也有一定關(guān)系,，例如齒坯越厚,、直徑越小，噪聲也越�,。� (2)減小齒輪體振動(dòng)的傳遞 對(duì)此,，我們可以采用一些復(fù)合結(jié)構(gòu)，或在齒輪體中間填入振動(dòng)衰減材料來(lái)增大齒輪的阻尼效應(yīng),，從而減小振動(dòng)的傳遞,，來(lái)降低噪聲． 2．軸系結(jié)構(gòu)方面 可以防止傳動(dòng)軸的偏斜，井通過(guò)軸系的設(shè)計(jì),，控制多級(jí)齒輪傳動(dòng)中各嚙合激勵(lì)的相位關(guān)系,，來(lái)達(dá)到降低噪聲的目的。 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,。

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lh412243059

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