少齿数齿轮低噪音理论及设计加工技术探讨

申曙光

摘 要：本文从设计、加工、装调等方面针对少齿数齿轮噪音进行了简析，通过大量的试验，找出了少齿数齿轮低噪音设计方法、加工工艺，有效降低了少齿数齿轮的啮合噪音。

关键词：少齿数；噪音；压力角

1、引言

目前对齿数在2-8齿的齿轮称为少齿数齿轮，具有传动比大，结构小，成本低的特点，广泛应用于电动代步车、电动轮椅等领域。因齿数少，形成的渐开线基圆半径比一般的齿轮小得很多，加工困难，精度不易提高，易产生噪音等问题。本文就如何控制少齿数齿轮噪音的进行分析，并提出了设计、加工等方法，有效降低少齿数齿轮齿轮副在啮合过程中的噪音。

2、少齿数齿轮设计、加工及控制

2.1、压力角及齿形误差。

齿形误差主要反映在压力角的变化上，由于齿轮啮合时的弹性变形，经研究主动轮的周节减小，被动轮的周节增大，也就是主动轮的压力角增大，被动轮的压力角减小，从而在实际啮合过程中主，被动轮压力角是不一致的，一般少齿数齿轮转动时大都为主动轮（停车时转换为被动轮），因此主动轮的压力角要规定正负方向，即一般为正的压力角。经过对50对同样齿轮的噪声研究，主动轮的压力角小于被动轮的压力角大约70%数量噪声比主动轮的压力角大于被动轮的压力角齿轮的噪声低3-5分贝。负的压力角技术， 经过大量齿轮加工数据的统计用标准刀具滚剃时实际齿形为较小压力角，其误差有0.03-0.05，并且左右不一致。剃齿加工后，由于剃齿刀的切削力作用及产生金属的滑移特别是向齿顶方向堆积而造成齿顶高出来，即压力角减小，特别是当刀具不锋利或者刀具的线速度不够时这种压力角减小趋势更为明显，为避免齿顶干涉应考虑齿顶修缘问题，因此主动轮的压力角要为负（即齿顶要低）。滚刀容屑槽数目对加工精密齿轮特别是少齿数来说有重要作用，容屑槽数多，滚展成线越致密，可以减小固有齿形误差。

剃齿加工时切削压力、剃齿刀与被剃齿轮以两对齿面接触点同时工作在齿顶，齿根的”双齿啮合区域”，而在节圆附近为”单齿啮合区域”。后者齿面压力大于前者，使得齿轮在节圆附近被多切削一部分金属，从而形成中凹。剃齿刀与齿轮啮合切削时，切削速度发生变化，啮合点由齿轮的起始点移向齿顶终止点，除节点外的其他啮合点速度方向是不一致，齿面间产生相对滑动，引起滑动摩擦力.相对速度在啮合点由齿根移动到节点的过程中逐渐减小，再由节点移动到齿顶的过程中逐渐增大。剃齿刀在齿形各点处的速度是变化的，在节点附近的同时啮合齿面对数少， 切削速度低，工件与剃齿刀的齿面越贴近， 切削金属越多，形成中凹。

减少中凹的措施有选择剃齿刀的切削速度为90-140r/min、台面的走刀速度的合理搭配、进刀量及其剃齿方向、剃齿余量（要小）。其中减少剃齿的切削时间是关键、采用中厚两端簿剃前齿形。

2.2、齿形鼓形技术，

最佳齿形问题也很重要。为了避免齿根及齿顶的非渐开线齿廓接触，保证齿形啮合处于齿廓中部，必须采取一定的措施得到最佳齿形。齿顶修缘（齿顶修薄）和齿根少量根切可以防止齿轮进入和退出时因为弹性变形而产生的干涉，同时补偿制造和安装误差。齿轮速度高时则效果更明显。

2.3、齿向误差影响齿轮的接触精度

接觸精度不好时齿轮单位承载增加，载荷不均衡，接触区产生游动，产生较大冲击，振动和噪音。少齿数的齿轮一般为细小轴类零件更容易产生冲击，振动和噪音。因此轮体厚度C、外径D和齿宽B关系遵循如下：

C/D≤1/5或C/B≤1/3轴向振动大

B/D≤1/10 径向振动

2.4、侧隙

侧隙的作用为补偿热变形，弹性变形，储油润滑改善齿面间的摩擦和中心距的误差。齿轮啮合时的空气逸出速度为节线速度的10倍，在高速运转过程中可以接近声速，形成冲击波产生声辐射，因此侧隙有利于减小逸出速度，从而减小噪声。侧隙小容易发生干涉，润滑条件差而引起较大的摩擦力，加之泵气现象，容易发生尖叫，但是杂音好。侧隙大，噪声可以减小，但是容易产生冲击从而音质杂乱。

侧隙大小是矛盾的统一体。经过大量试验统计出合适的侧隙大小如下式：

Jnmin=k[（△Fpt1+△Fpt2+（△Fr1+△Fr1）tgα）]

Jnmax= Jnmin+[（Ts12+Ts22）×（cosαn）2+（TaSin20°）2]1/2

其中：

△Fpt1，△Fpt2 小，大轮的周节误差

△Fr1，△Fr1小，大轮的齿圈跳动

Ts1、Ts2小，大轮的齿厚公差 Ta=2fa

Fa中心距变动公差

α压力角

k 热变形，弹性变形系数

2.5、基节

基节影响平稳性，影响杂音。一般应该控制在0.006内。主动轮基节大于被动轮基节则一点啮合时，另一点还未啮合，这样使得被动轮逐渐降速，当主动轮继续以匀速旋转时，另一点势必撞击被动轮的另一点，产生换齿撞击。主动轮基节小于被动轮基节则一点还未啮合时，另一点先撞击，被动轮加速，形成脱啮撞击。

3、结束语

降低齿轮噪声的第一个措施就是提高齿轮精度，其中齿形误差和齿距误差为重点，根据不同的工况，对齿形进行优化，从而达到少齿数齿轮在啮合时噪声低、音质好的效果。

参考文献：

[1]吕明，梁国星.硬齿面齿轮加工技术进展及展望[J].太原理工大学学报，2012，03：237-242.

[2]刘明辉.加工硬齿面齿轮的滚齿机结构有限元优化[J].煤矿机械，2004，11：15-17.

[3]肖龙，胡世超，苗志毅.硬齿面齿轮的疲劳失效及解决方法[J].水利电力机械，2007，10：99-100.

[4]张斌.硬齿面滚剃齿加工振动分析及计算机仿真[D].兰州理工大学，2008.