主轴变速箱的降噪措施

李安　曹维佳

【摘要】本文认为主轴变速箱作为机床噪音的重要来源，在此基础上本文分析了噪音产生的主要原因，并着力提出几点降噪措施。

【关键词】升速传动；修缘；振动

机床的噪音会对环境造成污染，主轴变速箱是其重要来源，因此采取措施降低它的噪音成为控制机床噪音的重要途径。

1.主轴变速箱噪音产生的原因

主轴变速箱噪音产生的原因主要分为两大方面：传动系统噪音和箱体振动噪音。其中最主要的是传动系统噪音，具体主要包括如下几点：

（1）齿轮精度超差引起的噪音；（2）齿轮磕碰受损引起的噪音；（3）传动结构不良引起的噪音；（4）传动轴刚性不足引起的噪音；（5）轴承选择不当引起的噪音。

2.降低传动系统噪音得的方法

2.1避免升速传动

尽量避免在传动链设计过程中出现升速齿轮副。由于升速传动相易产生噪音，尤其当升速比大时更是如此。以三级变速的传动结构来说，通常的设计方法是采用1×3的变速组分配方法，即使用一组三联滑移齿轮来实现三级变速。但这种形式的传动链在高速档位往往会出现升速传动现象，这主要是因为高低档位的传动比相差较大所致。如果我们将这种结构进行适当的改变，为高速档单独设置一条传动路线，即采用2+1分支传动结构，就可以避免在高速传动路线中出现升速传动的情况。另外，如果因为结构限制等因素无法避免升速传动，也应限制升速比的大小，使其保持在1～1.5范围内。

2.2合理的齿轮结构设计

齿轮作为主轴变速箱最重要的传动零件，对主轴噪音有重要影响。

（1）齿轮修缘。齿轮的精度主要有齿形、齿向误差、节圆径向跳动和公法线变化误差。这些误差的存在会造成瞬间时传动比变化，工作平稳性不好，产生噪音。

提高齿轮的精度可有效降噪，但受工艺和成本限制，通常依靠齿轮修缘来解决降噪问题。尤其当齿轮圆周速度大于表1所示的数值时必须进行齿轮修缘。齿形修形可以降低齿轮在啮入与脱出时产生的杂音，减少噪音；另外，在保证齿轮重合度的情况下，通过齿轮修形还可以减少基节误差对控制噪音所产生的负面影响。

齿轮修形成本较高，效率较低，且修形量较难掌握。因此，采用滚齿刀、专门倒棱机或者人工对齿顶棱角部位进行倒角成为一种比较普遍的形式。

（2）齿轮窄齿宽设计。在保证齿轮承载能力的情况下，缩小齿宽可以改善因制造及装配误差所造成的齿面接触不良，降低齿轮传动的噪音。

（3）滑移齿轮应采用花键连接。采用内径定心花键可以保证滑移齿轮的加工精度，确保与传动轴的配合间隙，改善传动平稳性，降低振动产生的噪音。另外，花键的长度不宜过小，防止花键定心不良或滑移不顺畅而引起噪音。（4）齿面淬火处理。确保齿面具有足够的硬度可以提高齿轮的耐磨性以及抗胶合能力。防止齿轮在运行一段时间以后因精度降低而导致噪音升高。

2.3对精密齿轮进行保护

对于精密齿轮来说，齿面磕碰是造成齿轮噪音升高的重要原因。以5级精度齿轮为例，其齿形、齿轮精度通常在0.01mm左右，而磕碰所造成的凸点往往要大大超过其精度限值，破坏齿轮的精度，使噪音升高。另外，精密齿轮的齿侧隙很小，磕碰造成的凸点会使齿轮啮合受力不良，产生噪音。在齿轮搬运和装配过程中要采取保护措施，尽量避免齿面磕碰。此外，在齿轮装配前要用煤油对齿轮进行清洗或擦拭，防止污物腐蚀齿面，产生噪音。

2.4选择合适的齿轮精度

齿轮第Ⅱ公差组是影响齿轮噪音的主要精度。应根据齿轮圆周速度的高低来合理确定第Ⅱ公差组的精度等级。具体如表2所示。

2.5降低轴系元件的振动

传动轴的刚性与噪音有很大关系。轴的刚性不高会使轴产生较大的弯曲、挠动、扭转进而增加振动产生噪音。应避免悬臂轴及细长轴的出现。轴的长径比应控制在5：1，齿轮应安装在支撑附近以减轻轴系的振动，减低噪音。另外，轴承也是影响轴系振动的重要元件，轴承的旋转精度是其中的重要因素。作为传动轴的支撑轴承，其精度等级应控制在ISO5级精度以上，降低轴承旋转时的振动。预紧对于降低轴承的振动也起着至关重要的作用，能够施加预紧力的轴承，如角接触球轴承和圆锥滚子轴承，其振动水平要远远低于普通的深沟球轴承。对于高转速传动轴，应对其进行动平衡试验，提高它的动平衡等级，防止其在高速旋转下产生剧烈振动。

3.箱体振动的控制

箱体是噪音的最主要辐射源。传动系统的噪音通常是通过箱体的振动对外辐射的。提高箱体的抗振性是降低噪音的重要途径。箱体的抗振性与箱体的刚性密切相关，刚性越好，箱体的抗振性就越高。为此可通过适当增加箱体壁厚以及布置加强筋和肋板的方法提高箱体的刚性以及固有频率，以降低振动。另外，箱体孔系之间的尺寸精度必须要严格保证。尺寸过小或过大会齿轮啮合时产生异常干涉或过大齿侧间隙，都会使箱体产生巨大的噪音。

参考文献

[1]《机械设计基础》，高等教育出版社，1988年8月.

[2]《齿轮工艺学》，科学普及出版社，1985年4月.

基金项目

本文受国家重大专项（2013ZX04007-011）资助。