浅谈齿轮传动噪声分析与控制

王飞

摘要：阐述了齿轮传动噪声产生的机理，通过分析齿轮噪声产生的机理和影响因素，从齿轮材料、参数、加工工艺、结构、装配等方面提出了相应的控制噪声措施。

关键词：齿轮传动 噪声分析 控制方法

齿轮传动具有周期性啮合的基本特征，所以齿轮的振动不可避免。主要表现在两方面：齿轮的振动会激励减速器内的空气，因气体具有可压缩性，在齿轮振动的作用下，四周的空气就会产生交替的压缩与膨胀，并产生声波，从而产生噪声；在齿轮啮合的过程中，由于齿轮间相对滑动产生滑动摩擦力方向随时变化在节圆上产生冲击力，齿与齿之间碰撞产生啮合冲力，从而产生噪声。现从齿轮传动产生的机理，齿轮传动的噪声分析和齿轮传动的噪声控制等方面来分析齿轮传动的噪声机理与控制。

1.齿轮传动噪声产生的机理

齿轮在传动过程中由于在制造精度、刚度、装配精度等的不同情况，会产生不同程度的振动与噪声。齿轮啮合传动时，由于齿面间存在摩擦力，相对滑动速度在节点上突然换向，导致齿面间的相对摩擦力的方向突然改变，从而产生了脉冲力。节点处的脉冲力称为“节线冲力”另外齿轮轮齿在手里运转过程中，总会产生一定的弹性变形，再加上齿轮的制造误差和装配误差等因素，当被动齿轮轮距或基节大于公称值时，将在被动齿轮轮根发生顶刃啮合，从而产生轮齿与轮齿之间的冲撞力称为“啮合冲力”节线冲力和啮合冲力都是齿轮产生振动和噪声的激励源。

1.1 啮合齿轮节点的脉动冲击

一堆渐开线齿轮在传动过程中，各对轮齿的接触点运动轨迹始终在啮合线上依次前进。根据齿轮的啮合原理可知，齿轮副在传动过程中在整个啮合线上齿廓间相对滑动速度的大小将随啮合點位置不同而改变，其中以啮合开始点和啮合结束点为最大，而在节圆切点的滑动速度为零，同时相对滑动速度的方向和节圆切点开始改变。由于相对滑动速度的大小和方向的改变以及滑动摩擦系数的存在，必然存在大小和方向相应改变的摩擦力，这也必定在节点上发生里的脉动冲击，即节线冲力。它的大小和持续时间与齿轮啮合时的传递力、轮齿间的摩擦系数、相对滑动速度的大小等因素有关。因此，齿轮的传递功率越大，转速越高，齿轮表面粗糙度越差，其节点脉动冲击就越大。这种在啮合过程中产生的脉动冲击是不可避免的，它将使齿轮产生振动和冲击。

1.2齿轮的啮合冲击

一对齿轮在啮合过程中，其轮齿受力后必将产生一定程度的冲击变形，而每当一个轮齿新啮合上时，原啮合轮齿的载荷就会相对减少，因而变形齿轮就会恢复形状，从而给齿轮体一个切向加速度。再加上原有啮合轮齿在受载下的变形，使新啮合的轮齿不能得到理论齿廓的平滑接触而发生碰撞，形成啮合冲力。齿轮在这种冲击力的作用下，也将引起齿轮的圆周振动、径向振动、轴向振动，从而产生噪声。

2.齿轮传动系统的噪声分析

为了从设计角度出发，降低齿轮传动系统的噪声，就应首先分析齿轮传动系统噪声的种类和发生机理。

2.1齿轮传动系统的噪声种类

在齿轮传动系统中，根据机理的不同，可将噪声分为加速度噪声和自鸣噪声两种。一方面，在齿轮轮齿啮合时，由于冲击而使齿轮产生很大的加速度，并会引起周围介质扰动，由这种扰动产生的声辐射，称为齿轮的加速度噪声，另一方面，在齿轮动态啮合力作用下，系统的各零部件会产生振动，这些振动所产生的声辐射，称为自鸣噪声。

2.2发生机理

对于开齿齿轮传动，加速度噪声由轮齿冲击处直接辐射出来，自鸣噪声则有轮体、传动轴等处辐射出来。对于闭式齿轮传动，加速度噪声先辐射到轮齿箱内的空气和润滑油中，再通过齿轮箱辐射出来，自鸣噪声则由齿轮体的振动，通过传动轴引起支座振动，从而通过齿轮箱箱壁的振动而辐射出来。

因此，齿轮系统的噪声强度，不仅与轮齿啮合的动态激励力有关，而且还与轮体、传动轴、轴承及箱体等的结构形式、动态特征以及动态啮合力在它们之间的传递特性有关。一般来说，齿轮传动系统的噪声发生的原因主要有以下几个方面：

1） 齿轮设计方法：参数选择不当，重合度过小，齿廓修形不当或没有修形，齿轮箱结构不合理等。

2） 齿轮加工方面：基节误差和齿形误差过大，齿侧间隙不合理，表面粗糙度过大等。

3） 轮系及齿轮箱方面：装配偏心，接触精度低，轴的平行度差，轴、轴承的刚度不足，轴承的回转精度不高及间隙不当等。

4） 其他方面输入扭矩：负载扭矩的波动，轴系的扭振，电动机及其他传动副的平衡情况等。

3.齿轮传动系统的噪声控制

基于以上分析，以下将从齿轮设计、齿轮加工、齿轮装配等几个方面来控制齿轮传动系统的噪声。

3.1齿轮的类型和材料方面

1） 齿轮的类型。齿轮轮齿的啮合状态与齿轮类型有关，直齿轮的轮齿在接触瞬间是整个齿宽的接触线，而斜齿轮虽然也是线接触，但是它是由齿顶的一端逐渐进入啮合，其接触线开始由短变长，以后又逐渐缩短，直到脱开啮合为止。由于斜齿轮传动的实际啮合线较直齿轮传动大，所以斜齿轮的传动平衡性与承载能力都较直齿轮高，在工作条件相同的情况下，斜齿轮传动噪声较直齿轮低3-10dB。

2） 齿轮的材料。齿轮强度允许的情况下尽可能采用球墨铸铁、尼龙等高阻尼材料，这对降低噪声是有效的。由于非金属材料具有良好的减振降噪性能，在满足使用要求的情况下，一对啮合的齿轮，小齿轮用非金属材料，大齿轮用金属材料可降低齿轮传动的噪声。另外，齿轮材料淬火后振动衰减性能下降，会使齿轮噪声增加3-4dB，因此强度和磨损性能要求不高的齿轮不必淬火。

3.2齿轮的集合参数方面

1） 齿轮的模数。对于传递功率较大的齿轮，齿根弯曲变形是主要影响因素，宜选用较大模数，模数越大，噪声越小。而对于一般载荷不大的齿轮，应尽可能选用较小模数，因为此时的加工误差是主要影响 因素，而且模数小可增加齿数，是啮合系数增大，有利于提高传动平稳性，降低噪声。

2） 齿轮的齿数与直径。在模数已定的条件下，改变齿轮的齿数也改变了齿轮的直径d，这必将引起弹性刚度及弯曲量的变化。虽然改变齿轮直径对齿轮的加工精度影响不大，但随着齿轮直径的增大而加大了噪声辐射面积。因此增大齿轮直径对降低噪声不利，设计时应尽可能的缩小齿轮直径。

3） 齿轮的齿宽。齿轮的宽度与齿轮的弯曲变形成反比，因而噪声随着齿宽的增大而减少。因此，齿宽大齿轮，衰减性能好，从而噪声也低。但是齿宽的增加容易引起齿向误差和接触不良，为了克服这一缺点，可采用限定齿宽增加轮体宽度的方法。

4） 齿轮的重叠系数。如果在传递载荷时齿轮不变形，对理想齿轮来说，啮合冲力是可以忽略不计的。然而，实际齿轮总是在某种程度的变形，在进入啮合和脱离啮合的瞬间，产生了沿着啮合线方向的啮合冲力。增加啮合时的平均接触齿数，把载荷分配给较多的齿，可以改善啮合状态，减少啮合冲力。因此增加齿轮传动重叠系数，可以降低齿轮传动噪声。经过试验在1000r/min时，齿轮啮合重叠系数由1.15增至2.03时，噪声降低4.22dB，而2000r/min时，噪声则降低6.10dB。

5） 齒轮的压力角。齿轮轮齿之间的摩擦如果忽略不计，则齿轮间传递的力沿着作用线方向。在节点法向力Fn是传递工作扭矩的有效力，表示为Fn=Fcosa，式中的F为沿作用线总的合力，a为压力角。当压力角增加时，将引起较高的振动级和噪声级。安装的误差、齿轮轮齿的磨损、中心距变化等因素都可能引起压力角变化，从而增加噪声。

3.3改变齿轮的结构

齿轮形状对噪声影响很大，在相同齿轮参数及工况条件下，不同结构齿轮的噪声大小是不同的。如果条件允许齿轮形状以厚而小较好。实践证明齿宽小直径的齿轮噪声较小，大而薄的齿轮，噪声最大。

3.4改进润滑方式

从控制噪声的角度看，采用注油润滑较好。齿轮润滑所需的油量很少，大量给油是为了冷却作用，所以最后入侧给以润滑所需的适当油量，而较多的冷却油从啮出侧供给。

3.5轴承噪声的控制

轴承不仅自身产生噪声，而且使安装在轴上的其他零件也产生噪声，因此控制轴承噪声也很重要。

1） 改用合适的轴承类型和精度

滑动轴承比滚动轴承阻尼大，刚性好，噪声低。在滚动轴承中，球轴承比圆锥滚子轴承的噪声低，对装配质量不敏感。在满足支承刚度的前提下，应尽量选用球轴承。

2） 调整合适的轴承间隙。

3） 轴承外环与支承孔和轴承的配合以略松为宜。

4） 用弹性阻尼衬套降噪。

3.6箱体噪声的控制

齿轮变速箱体是噪声的主要辐射件，可以采用以下几种措施以达到降低遭受到目的。

1） 在制作箱体时，采用高阻尼材料（如铸铁、塑料等）或在箱体内壁表面涂上一层橡胶，可起到降低噪声的作用。

2） 适当把箱体的箱壁加厚，或在箱体上加筋都能提高箱体的刚度，减少箱体的振动，从而达到降噪。

3） 测出箱体上声压即量大的地方，用点焊的方法加筋，以增加阻尼，提高固有频率，从而达到降噪的目的。

齿轮的噪声与其布置情况、轴的刚度、轴承安装精度、工作机构与机体的刚性、润滑状况等等因素有关，故欲降低齿轮机构的噪声，应从整机设计、制造、安装与使用等各方面综合考虑，采用综合措施，才能达到理想的降低齿轮机构噪声的效果。

参考文献：

[1]邵忍平，郭万林，李宗斌.齿轮传动振动噪声计算的Kato方法[J].机械，2002（03）.

[2]邓小君，杨自明.谈谈齿轮传动中的减振降噪[J].水利电力机械，2000（03）.

[3]朱明，陆钟吕.三齿轮一曲柄摇杆机构的研究[N].哈尔滨工程大学学报，1988（02）.

[4]郭仁生.齿轮传动的几何规划[J].机械设计，2005（05）.

[5]唐进元.齿轮传递误差计算新模型[J].机械传动，2008（06）.