齿轮传动噪音影响因素分析与控制

廖荣凯

（韶能集团韶关宏大齿轮有限公司）

齿轮传动噪音影响因素分析与控制

廖荣凯

（韶能集团韶关宏大齿轮有限公司）

渐开线圆柱齿轮是工程机械变速箱中广泛应用的重要基础零件。齿轮啮合时会产生啮合冲击而发生与齿轮啮合频率相对应的噪声；齿面之间由于相对滑动发生摩擦声；在制造时由于不可避免地存在着制造误差，使齿轮噪声增大。所以，在进行齿轮设计时，降低齿轮传动中的振动和噪音对控制齿轮箱振动和噪音有着重要意义。齿轮啮合传动质量的优劣是激起传动系统噪音的直接根源之一，应当在设计阶段充分考虑齿轮噪音问题。

齿轮传动；噪声；分析；设计；修形

1 齿轮噪音产生的原因

对直齿圆柱齿轮而言，其啮合区分为单啮合区和双啮合区。在单齿啮合区内，全部载荷由一对齿副承担，当进入双齿啮合区，载荷则分别由两对齿副按其啮合刚度的大小分别承担。很显然，在单双齿啮合区的交变位置，每对齿副所承受的载荷将发生突变，这必将激发齿轮的振动；同时，在传动过程中，每个轮齿的啮合点沿着齿高方向不断变化，各啮合点处齿副的啮合刚度也随之变化，相当于变刚度弹簧，这也是齿轮产生振动的一个原因。而由于塑料齿轮的受载变形较大，其基节容易变化，在轮齿进入啮合和退出啮合时，将产生齿入冲击和齿出冲击，这更加剧了齿轮的振动；另外齿轮的制造误差和安装误差导致在啮合时必将发生齿与齿的碰撞而产生冲击振动。由这些原因所引起的振动都可以称为齿轮的啮合振动。由于啮合振动产生的激振，齿轮一方面要产生频率为啮合频率及其高次谐波的受迫振动，另一方面则要产生频率为固有频率的瞬态自激振动。当啮合频率和固有频率互为整数倍数时可能产生强烈的共振。因此，齿轮噪声有两种表现形式：①啮合频率的噪声；②整个齿轮以它固有频率振动所产生的噪声，因而研究这些频带下的振动及噪声特性是设计塑料齿轮的关键所在。

2 设计齿轮时对预防噪音的设计因素

2.1 模数、齿数

当传递较大载荷时，由于轮齿啮合的动态激励，主要是轮齿的弯曲变形引起的，而轮齿的弯曲刚度，又与模数成正比，因此增大模数，可减小轮齿的动态激励，从而降低噪音，但是在传递载荷较小或空载时，情况就有所不同了，此时轮齿误差的影响，会运大于轮齿变形，我们就应从齿轮加工误差的角度来考虑模数大小对噪音的影响。例如，齿距误差ΔP和齿形误差Δf直接与模数有关，并且模数越大，齿距误差ΔP和齿形误差Δf也越大，噪音也就越大。因此，在传递载荷小或空载时，在齿轮强度允许的情况下，应尽可能取小模数。

若模数不变，改变齿数，则齿轮直径和齿轮表面积也随着改变，这样，由于齿轮噪音辐射面积的改变，引起了噪音的变化。一般来说，噪音的大小，主要决定于振源的能量，而决定于噪音的辐射面积。按声源的能量，若把齿轮作为圆板，其向空中辐射的声功率W决定于振源的能量，随着圆板直径的增大，噪音将急剧增加。因此，设计齿轮时，应尽可能减小齿轮直径。

2.2 重合度、变位系数

增大重合度，可以减小齿轮传动的噪音。①增大重合度，可以减小单对轮齿的负荷，从而可以减小啮入和啮出的负荷冲击，降低齿轮噪音；②随着接触齿对的增加，单对轮齿的传动误差被均化，从而减小了轮齿的动态激励；此外，几乎所有的对齿轮噪音有影响的轮齿参数，实际上都是由于它们对重合度的影响而起作用的。例如，对于重合度为1～3的圆柱齿轮，降低齿轮的压力角，减小模数，使齿顶高有较小的增加，均是由于增大了重合度而使齿轮噪音降低的。当然，压力角减小，增加了轮齿的柔性，也降低了动态激励，从而有利于噪音的降低。

齿轮变位系数的确定是齿轮设计中非常重要的因素，它即影响齿轮的强度，又影响齿轮的啮合指标，一般齿轮设计手册变位系数选择均以强度平衡为出发点，而忽略噪音因素。齿轮变位的最终目的是通过调整变位系数来平衡齿轮啮合性能指标满足实际工作需要，其分配目的就是满足齿轮的某一项或平衡齿轮的几项啮合性能指标，使齿轮副达到较好的啮合质量来满足实际工作需要。根据AGMA913-A98齿轮设计规范，齿轮变位系数分配的五项指导原则：①避免根切；②避免齿项变尖；③平衡滑动率；④平衡闪温温度；⑤平衡弯曲疲劳寿命。其中前面条是限定了齿轮变位系数的选用范围，后三条则是希望通过变位来优化齿轮啮合指标。

2.3 通过齿廓修形、螺旋线修形削除冲击振动

当一对新齿轮在啮合起始阶段开始接触，发生所谓的冲击振动。该振动是载荷导致轮齿偏斜，以致成倍的扩大节距偏差，因而轮齿偏斜通常会产生噪声。为减小塑料原料齿轮冲击振动，通过齿顶修缘来修正渐开线。通常两齿轮都要进行齿顶修缘，另一种方法是仅修正一个齿轮的齿顶和齿根区域。

标准方法没有考虑实际齿廓修正，因此分析齿廓修正影响时，必须采用实际接触路径计算，并基于此计算实际弯曲应力、传动误差等。

2.4 齿面粗糙度

齿面粗糙度直接影响齿面间相对滑动的摩擦系数，特别在润滑不良时，齿面越粗糙，摩擦系数越大，在高速运转时越容易发出刺耳的尖叫声。

3 针对齿轮传动噪音降低的控制

（1）基于以上的影响因素分析优化后，就可以通过生产实际注射来验证调整成型工艺方案是否提高了塑件的成型品质，按最优的信噪比确定的最优成型条件设置工艺参数，并对生产制品进行精度检测。

（2）正确的安装方式与正确润滑方法的支持

装配质量对齿轮传动噪声也影响较大。选用同一台机床加工出来的左、右旋齿轮组装，就有利于降低噪声。装配时要特别注意消除端面毛刺，因为端面毛刺在啮合过程中直接产生噪声。

4 结束语

齿轮噪音的控制是一个系统工程，必需有效控制各个环节，才能降低齿轮传动噪声，在设计、制造齿轮时，不仅要使齿轮满足足够的强度，还要在各方面尽量降低齿轮噪音。我们坚信，随着齿轮设计加工制造技术的不断完善，先进的制造设备的开发使用，一定可以有效地控制齿轮传动噪音。

[1]王学飞.噪声与降噪技术[M].北京：机械工业出版社，1986.

[2]雷光.《齿轮制造手册》[M].北京：机械工业出版社，1998.

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1004-7344（2016）17-0322-01

2016-6-1