王飛

摘要：闡述了齒輪傳動噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，通過分析齒輪噪聲產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素，從齒輪材料、參數(shù)、加工工藝、結(jié)構(gòu)、裝配等方面提出了相應(yīng)的控制噪聲措施。

關(guān)鍵詞：齒輪傳動 噪聲分析 控制方法

齒輪傳動具有周期性嚙合的基本特征，所以齒輪的振動不可避免。主要表現(xiàn)在兩方面：齒輪的振動會激勵減速器內(nèi)的空氣，因氣體具有可壓縮性，在齒輪振動的作用下，四周的空氣就會產(chǎn)生交替的壓縮與膨脹，并產(chǎn)生聲波，從而產(chǎn)生噪聲；在齒輪嚙合的過程中，由于齒輪間相對滑動產(chǎn)生滑動摩擦力方向隨時變化在節(jié)圓上產(chǎn)生沖擊力，齒與齒之間碰撞產(chǎn)生嚙合沖力，從而產(chǎn)生噪聲。現(xiàn)從齒輪傳動產(chǎn)生的機(jī)理，齒輪傳動的噪聲分析和齒輪傳動的噪聲控制等方面來分析齒輪傳動的噪聲機(jī)理與控制。

1.齒輪傳動噪聲產(chǎn)生的機(jī)理

齒輪在傳動過程中由于在制造精度、剛度、裝配精度等的不同情況，會產(chǎn)生不同程度的振動與噪聲。齒輪嚙合傳動時，由于齒面間存在摩擦力，相對滑動速度在節(jié)點上突然換向，導(dǎo)致齒面間的相對摩擦力的方向突然改變，從而產(chǎn)生了脈沖力。節(jié)點處的脈沖力稱為“節(jié)線沖力”另外齒輪輪齒在手里運轉(zhuǎn)過程中，總會產(chǎn)生一定的彈性變形，再加上齒輪的制造誤差和裝配誤差等因素，當(dāng)被動齒輪輪距或基節(jié)大于公稱值時，將在被動齒輪輪根發(fā)生頂刃嚙合，從而產(chǎn)生輪齒與輪齒之間的沖撞力稱為“嚙合沖力”節(jié)線沖力和嚙合沖力都是齒輪產(chǎn)生振動和噪聲的激勵源。

1.1 嚙合齒輪節(jié)點的脈動沖擊

一堆漸開線齒輪在傳動過程中，各對輪齒的接觸點運動軌跡始終在嚙合線上依次前進(jìn)。根據(jù)齒輪的嚙合原理可知，齒輪副在傳動過程中在整個嚙合線上齒廓間相對滑動速度的大小將隨嚙合點位置不同而改變，其中以嚙合開始點和嚙合結(jié)束點為最大，而在節(jié)圓切點的滑動速度為零，同時相對滑動速度的方向和節(jié)圓切點開始改變。由于相對滑動速度的大小和方向的改變以及滑動摩擦系數(shù)的存在，必然存在大小和方向相應(yīng)改變的摩擦力，這也必定在節(jié)點上發(fā)生里的脈動沖擊，即節(jié)線沖力。它的大小和持續(xù)時間與齒輪嚙合時的傳遞力、輪齒間的摩擦系數(shù)、相對滑動速度的大小等因素有關(guān)。因此，齒輪的傳遞功率越大，轉(zhuǎn)速越高，齒輪表面粗糙度越差，其節(jié)點脈動沖擊就越大。這種在嚙合過程中產(chǎn)生的脈動沖擊是不可避免的，它將使齒輪產(chǎn)生振動和沖擊。

1.2齒輪的嚙合沖擊

一對齒輪在嚙合過程中，其輪齒受力后必將產(chǎn)生一定程度的沖擊變形，而每當(dāng)一個輪齒新嚙合上時，原嚙合輪齒的載荷就會相對減少，因而變形齒輪就會恢復(fù)形狀，從而給齒輪體一個切向加速度。再加上原有嚙合輪齒在受載下的變形，使新嚙合的輪齒不能得到理論齒廓的平滑接觸而發(fā)生碰撞，形成嚙合沖力。齒輪在這種沖擊力的作用下，也將引起齒輪的圓周振動、徑向振動、軸向振動，從而產(chǎn)生噪聲。

2.齒輪傳動系統(tǒng)的噪聲分析

為了從設(shè)計角度出發(fā)，降低齒輪傳動系統(tǒng)的噪聲，就應(yīng)首先分析齒輪傳動系統(tǒng)噪聲的種類和發(fā)生機(jī)理。

2.1齒輪傳動系統(tǒng)的噪聲種類

在齒輪傳動系統(tǒng)中，根據(jù)機(jī)理的不同，可將噪聲分為加速度噪聲和自鳴噪聲兩種。一方面，在齒輪輪齒嚙合時，由于沖擊而使齒輪產(chǎn)生很大的加速度，并會引起周圍介質(zhì)擾動，由這種擾動產(chǎn)生的聲輻射，稱為齒輪的加速度噪聲，另一方面，在齒輪動態(tài)嚙合力作用下，系統(tǒng)的各零部件會產(chǎn)生振動，這些振動所產(chǎn)生的聲輻射，稱為自鳴噪聲。

2.2發(fā)生機(jī)理

對于開齒齒輪傳動，加速度噪聲由輪齒沖擊處直接輻射出來，自鳴噪聲則有輪體、傳動軸等處輻射出來。對于閉式齒輪傳動，加速度噪聲先輻射到輪齒箱內(nèi)的空氣和潤滑油中，再通過齒輪箱輻射出來，自鳴噪聲則由齒輪體的振動，通過傳動軸引起支座振動，從而通過齒輪箱箱壁的振動而輻射出來。

因此，齒輪系統(tǒng)的噪聲強(qiáng)度，不僅與輪齒嚙合的動態(tài)激勵力有關(guān)，而且還與輪體、傳動軸、軸承及箱體等的結(jié)構(gòu)形式、動態(tài)特征以及動態(tài)嚙合力在它們之間的傳遞特性有關(guān)。一般來說，齒輪傳動系統(tǒng)的噪聲發(fā)生的原因主要有以下幾個方面：

1） 齒輪設(shè)計方法：參數(shù)選擇不當(dāng)，重合度過小，齒廓修形不當(dāng)或沒有修形，齒輪箱結(jié)構(gòu)不合理等。

2） 齒輪加工方面：基節(jié)誤差和齒形誤差過大，齒側(cè)間隙不合理，表面粗糙度過大等。

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、軸承的剛度不足，軸承的回轉(zhuǎn)精度不高及間隙不當(dāng)?shù)取?/p>

4） 其他方面輸入扭矩：負(fù)載扭矩的波動，軸系的扭振，電動機(jī)及其他傳動副的平衡情況等。

3.齒輪傳動系統(tǒng)的噪聲控制

基于以上分析，以下將從齒輪設(shè)計、齒輪加工、齒輪裝配等幾個方面來控制齒輪傳動系統(tǒng)的噪聲。

3.1齒輪的類型和材料方面

1） 齒輪的類型。齒輪輪齒的嚙合狀態(tài)與齒輪類型有關(guān)，直齒輪的輪齒在接觸瞬間是整個齒寬的接觸線，而斜齒輪雖然也是線接觸，但是它是由齒頂?shù)囊欢酥饾u進(jìn)入嚙合，其接觸線開始由短變長，以后又逐漸縮短，直到脫開嚙合為止。由于斜齒輪傳動的實際嚙合線較直齒輪傳動大，所以斜齒輪的傳動平衡性與承載能力都較直齒輪高，在工作條件相同的情況下，斜齒輪傳動噪聲較直齒輪低3-10dB。

2） 齒輪的材料。齒輪強(qiáng)度允許的情況下盡可能采用球墨鑄鐵、尼龍等高阻尼材料，這對降低噪聲是有效的。由于非金屬材料具有良好的減振降噪性能，在滿足使用要求的情況下，一對嚙合的齒輪，小齒輪用非金屬材料，大齒輪用金屬材料可降低齒輪傳動的噪聲。另外，齒輪材料淬火后振動衰減性能下降，會使齒輪噪聲增加3-4dB，因此強(qiáng)度和磨損性能要求不高的齒輪不必淬火。

3.2齒輪的集合參數(shù)方面

1） 齒輪的模數(shù)。對于傳遞功率較大的齒輪，齒根彎曲變形是主要影響因素，宜選用較大模數(shù)，模數(shù)越大，噪聲越小。而對于一般載荷不大的齒輪，應(yīng)盡可能選用較小模數(shù)，因為此時的加工誤差是主要影響 因素，而且模數(shù)小可增加齒數(shù)，是嚙合系數(shù)增大，有利于提高傳動平穩(wěn)性，降低噪聲。

2） 齒輪的齒數(shù)與直徑。在模數(shù)已定的條件下，改變齒輪的齒數(shù)也改變了齒輪的直徑d，這必將引起彈性剛度及彎曲量的變化。雖然改變齒輪直徑對齒輪的加工精度影響不大，但隨著齒輪直徑的增大而加大了噪聲輻射面積。因此增大齒輪直徑對降低噪聲不利，設(shè)計時應(yīng)盡可能的縮小齒輪直徑。

3） 齒輪的齒寬。齒輪的寬度與齒輪的彎曲變形成反比，因而噪聲隨著齒寬的增大而減少。因此，齒寬大齒輪，衰減性能好，從而噪聲也低。但是齒寬的增加容易引起齒向誤差和接觸不良，為了克服這一缺點，可采用限定齒寬增加輪體寬度的方法。

4） 齒輪的重疊系數(shù)。如果在傳遞載荷時齒輪不變形，對理想齒輪來說，嚙合沖力是可以忽略不計的。然而，實際齒輪總是在某種程度的變形，在進(jìn)入嚙合和脫離嚙合的瞬間，產(chǎn)生了沿著嚙合線方向的嚙合沖力。增加嚙合時的平均接觸齒數(shù)，把載荷分配給較多的齒，可以改善嚙合狀態(tài)，減少嚙合沖力。因此增加齒輪傳動重疊系數(shù)，可以降低齒輪傳動噪聲。經(jīng)過試驗在1000r/min時，齒輪嚙合重疊系數(shù)由1.15增至2.03時，噪聲降低4.22dB，而2000r/min時，噪聲則降低6.10dB。

5） 齒輪的壓力角。齒輪輪齒之間的摩擦如果忽略不計，則齒輪間傳遞的力沿著作用線方向。在節(jié)點法向力Fn是傳遞工作扭矩的有效力，表示為Fn=Fcosa，式中的F為沿作用線總的合力，a為壓力角。當(dāng)壓力角增加時，將引起較高的振動級和噪聲級。安裝的誤差、齒輪輪齒的磨損、中心距變化等因素都可能引起壓力角變化，從而增加噪聲。

3.3改變齒輪的結(jié)構(gòu)

齒輪形狀對噪聲影響很大，在相同齒輪參數(shù)及工況條件下，不同結(jié)構(gòu)齒輪的噪聲大小是不同的。如果條件允許齒輪形狀以厚而小較好。實踐證明齒寬小直徑的齒輪噪聲較小，大而薄的齒輪，噪聲最大。

3.4改進(jìn)潤滑方式

從控制噪聲的角度看，采用注油潤滑較好。齒輪潤滑所需的油量很少，大量給油是為了冷卻作用，所以最后入側(cè)給以潤滑所需的適當(dāng)油量，而較多的冷卻油從嚙出側(cè)供給。

3.5軸承噪聲的控制

軸承不僅自身產(chǎn)生噪聲，而且使安裝在軸上的其他零件也產(chǎn)生噪聲，因此控制軸承噪聲也很重要。

1） 改用合適的軸承類型和精度

滑動軸承比滾動軸承阻尼大，剛性好，噪聲低。在滾動軸承中，球軸承比圓錐滾子軸承的噪聲低，對裝配質(zhì)量不敏感。在滿足支承剛度的前提下，應(yīng)盡量選用球軸承。

2） 調(diào)整合適的軸承間隙。

3） 軸承外環(huán)與支承孔和軸承的配合以略松為宜。

4） 用彈性阻尼襯套降噪。

3.6箱體噪聲的控制

齒輪變速箱體是噪聲的主要輻射件，可以采用以下幾種措施以達(dá)到降低遭受到目的。

1） 在制作箱體時，采用高阻尼材料（如鑄鐵、塑料等）或在箱體內(nèi)壁表面涂上一層橡膠，可起到降低噪聲的作用。

2） 適當(dāng)把箱體的箱壁加厚，或在箱體上加筋都能提高箱體的剛度，減少箱體的振動，從而達(dá)到降噪。

3） 測出箱體上聲壓即量大的地方，用點焊的方法加筋，以增加阻尼，提高固有頻率，從而達(dá)到降噪的目的。

齒輪的噪聲與其布置情況、軸的剛度、軸承安裝精度、工作機(jī)構(gòu)與機(jī)體的剛性、潤滑狀況等等因素有關(guān)，故欲降低齒輪機(jī)構(gòu)的噪聲，應(yīng)從整機(jī)設(shè)計、制造、安裝與使用等各方面綜合考慮，采用綜合措施，才能達(dá)到理想的降低齒輪機(jī)構(gòu)噪聲的效果。

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