齒輪噪聲分析及原因

為從設(shè)計(jì)角度出發(fā)降低齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲，我們就應(yīng)首先來分析一下齒輪系統(tǒng)噪聲的種類和發(fā)生機(jī)理。

在齒輪系統(tǒng)中，根據(jù)機(jī)理的不同，可將噪聲分成加速度噪聲和自鳴噪聲兩種。一方面，在齒輪輪齒嚙合時(shí)，由于沖擊而使齒輪產(chǎn)生很大的加速度并會(huì)引起周圍介質(zhì)擾動(dòng)，由這種擾動(dòng)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(dòng)態(tài)嚙合力作用下，系統(tǒng)的各零部件會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這些振動(dòng)所產(chǎn)生的聲輻射稱為自鳴噪聲。

對(duì)于開式齒輪傳動(dòng)，加速度噪聲由輪齒沖擊處直接輻射出來，自鳴噪聲則由輪體、傳動(dòng)軸等處輻射出來。對(duì)于閉式齒輪傳動(dòng)，加速度噪聲先輻射到齒輪箱內(nèi)的空氣和潤(rùn)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(dòng)通過傳動(dòng)軸引起支座振動(dòng)，從而通過齒輪箱箱壁的振動(dòng)而輻射出來。一般說來，自鳴噪聲是閉式齒輪傳動(dòng)的主要聲源。因此，齒輪系統(tǒng)的噪聲強(qiáng)度不僅與輪齒嚙合的動(dòng)態(tài)激勵(lì)力有關(guān)，而且還與輪體、傳動(dòng)軸.軸承及箱體等的結(jié)構(gòu)形式、動(dòng)態(tài)特性以及動(dòng)態(tài)嚙合力在它們之間的傳遞特性有關(guān)。

齒輪設(shè)計(jì)方面。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。齒輪加工方面 基節(jié)誤差和齒形誤差過大，齒側(cè)間隙過大，表面粗糙度過大等。齒輪系及齒輪箱方面。裝配偏心，接觸精度低，軸的平行度差，軸，軸承、支承的剛度不足，軸承的回轉(zhuǎn)精度不高及間隙不當(dāng)?shù)取Ｆ渌矫孑斎肱ぞ?。?fù)載扭矩的波動(dòng)，軸系的扭振，電動(dòng)機(jī)及其它傳動(dòng)副的平衡情況等。

齒輪噪音準(zhǔn)確地應(yīng)稱為齒輪傳動(dòng)噪音，是指嚙合的齒輪對(duì)或齒輪組在傳動(dòng)時(shí)，由于相互的碰撞或摩擦激起齒輪體振動(dòng)而輻射出來的噪聲。

基于降低能耗和保護(hù)環(huán)境的理念，經(jīng)過多年的努力和不斷的探索，成功引進(jìn)了世界先進(jìn)的麥特雷Blu-Goo超級(jí)密封潤(rùn)滑劑，它是一種極好的齒輪箱添加劑，可以在部件上形成一種惰性材料薄膜，從而降低摩擦、齒輪噪音以及泄露。目前該產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用于冶金冶煉、船舶修造、化工化學(xué)、造紙工業(yè)、鋼鐵建材、汽車制造、礦業(yè)開采、電力、物業(yè)等領(lǐng)域，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)連續(xù)高負(fù)荷運(yùn)行及節(jié)能降耗提供了有力保障，其社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值也得到了有力體現(xiàn)。超級(jí)潤(rùn)滑劑是一種有多種用途的特殊惰性材料，主要用于降低金屬間接觸。作為一種螺紋密封復(fù)合物，該產(chǎn)品在外螺紋和內(nèi)螺紋間形成一個(gè)接觸面，可以保護(hù)接頭免受摩擦和磨損影響，同時(shí)可以承受1407公斤/厘米的壓力，甚至是磨損，腐蝕或錯(cuò)誤機(jī)加工的螺紋面。該產(chǎn)品也是一種極好的齒輪箱添加劑，可以在內(nèi)部件上形成以一層薄膜。從而降低摩擦，齒輪噪音以及泄露。它也明顯降低力矩應(yīng)力，滿足動(dòng)力減壓需求。它可以用于墊圈面或作為一種填料補(bǔ)充，通過密封以防止流體泄露?？梢栽?16°C的溫度下應(yīng)用?？梢栽诓讳P鋼，鋁，鐵，鋇，玻璃纖維，塑料施工，不會(huì)被酸，堿或普通溶劑影響。

應(yīng)用指導(dǎo):

螺紋密封:將應(yīng)用麥特雷超級(jí)潤(rùn)滑劑Blu‐Goo涂抹在內(nèi)螺紋和外螺紋上，用刷子或其他應(yīng)用工具涂抹均勻。

潤(rùn)滑劑:減速機(jī)潤(rùn)滑油容積≤7升時(shí)，每升潤(rùn)滑油添加量為20‐30ml

7‐15升時(shí)，添加量為每升潤(rùn)滑油添加15‐20ml

>15升時(shí)，添加量為每升潤(rùn)滑油添加10ml

墊圈保護(hù):涂抹金屬法蘭面的一側(cè)。將墊圈壓入到涂抹Blu‐Goo的表面。然后再涂抹到暴露的墊圈面。為了幫助組織泄露，也可以在安裝法蘭前涂抹到墊圈邊緣。

基于以上分析，本文將重點(diǎn)從齒輪設(shè)計(jì)、齒輪加工以及輪系及齒輪箱三個(gè)方面展開詳細(xì)討論。

一、齒輪設(shè)計(jì)方面

1、 齒輪的類型和材料

(1) 齒輪的類型:

從傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲低的角度出發(fā)，斜齒圓柱齒輪同時(shí)接觸的齒對(duì)多.嚙合綜合剛度的變化比較平穩(wěn)。因此振動(dòng)噪聲可能比同樣的直齒圓柱齒輪低，有時(shí)可低到大約12dB。 對(duì)于人字齒輪，由于要求嚴(yán)格對(duì)中，微小的誤差或磨損不均都可能影響人字齒輪的均載和傳動(dòng)平穩(wěn)性，因此在圓柱齒輪中，斜齒圓柱齒輪是降低噪聲最佳的齒輪類型. 從1969-1987年，埃及開羅Ain-Shams大學(xué)丸A.Y.Atfia教授對(duì)漸開線斜齒輪，單圓弧齒輪和雙圓弧齒輪進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，他比較了這三種齒形的齒輪在不同載荷和不同轉(zhuǎn)速時(shí)的噪聲.研究表明，在這三種齒形中，漸開線斜齒輪的噪聲最低且受所傳遞的載荷和運(yùn)轉(zhuǎn)速度的影響最小，單圓弧齒輪次之，雙圓弧齒輪最差.

(2)齒輪的材料

齒輪的材料。熱處理和潤(rùn)滑方式等均會(huì)對(duì)系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生影響。一般說來，用衰減性能好的材料制造齒輪，可使噪聲降低.但衰減性能好的材料強(qiáng)度均不高，并非在任何場(chǎng)合均能采用。例如.酚醛樹脂與尼龍等則往往僅能用來制造縫紉機(jī)等輕工機(jī)械用輕載齒輪。為了降低噪聲，可在承載的鋼質(zhì)齒輪齒面滲硫或鍍銅.齒面滲硫的目的是減小齒面磨擦系數(shù).齒面鍍銅已被用在透平機(jī)齒輪上，用以提高齒輪的接觸精度。 齒輪熱處理對(duì)噪聲也有影響.例如，齒輪淬火后衰減性能變壞，噪聲會(huì)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。 至于潤(rùn)滑油和加油方法的影響，一般認(rèn)為，噪聲隨油量和油的粘度增大而變小，這是因?yàn)闈?rùn)滑油有阻尼作用，可防止嚙合齒面直接接觸。采用油浴潤(rùn)滑時(shí)，因油面高度不同，齒輪噪聲也不同，即不同的齒輪箱有不同的最佳油位.

2、齒輪幾何參數(shù)

(1)模數(shù)

當(dāng)傳遞較大載荷時(shí)，由于輪齒嚙合的動(dòng)態(tài)激勵(lì)主要是輪齒的彎曲變形引起的，而輪齒的彎曲剛度又與模數(shù)成正比，因此增大模數(shù)可減小輪齒的動(dòng)態(tài)激勵(lì)，從而降低噪聲。 但是在傳遞載荷較小或空載時(shí)，情況就有所不同了。此時(shí)輪齒誤差的影響會(huì)遠(yuǎn)大于輪齒變形，我們就應(yīng)從齒乾加工誤差的角度來考慮模數(shù)大小對(duì)噪聲的影響.例如，齒距誤差△P可按下式求得:△P=C1 +C2M+C3 (1)

式中do--齒輪節(jié)圓直徑

M --模數(shù)

C1、C2、C3--有關(guān)常數(shù)算

而齒形誤差△f則可由下式計(jì):

△f=C4M+C5 (2)

式中C4，C5為有關(guān)常數(shù)。

由(1)(2)兩式可以看出，上述兩項(xiàng)誤差直接與模數(shù)有關(guān)，并且模數(shù)大，齒形誤差大.噪聲也大。因此，在傳遞載荷較小或空載時(shí)，在齒輪強(qiáng)度允許的情況下，應(yīng)盡可能取小模數(shù)。

(2)齒數(shù)

若模數(shù)不變，改變齒數(shù)則齒輪直徑和齒輪表面積也隨著改變.這樣，由于齒輪噪聲輻射面積的改變引起了噪聲的變化。一般說來，噪聲的大小主要不決定于振源的能量而決定于噪聲的輻射面積。按聲學(xué)原理，若把齒輪作為圓板，它向空中輻射的聲功率WR，可按下式計(jì)算:WR=O.06pWR/πC3(6+0.85RP)xF (3)

式中: F--按正弦規(guī)律變化的激振力的有效值

R--圓板直徑

o --面密度

p--空氣密度

ω--角頻率

C--常數(shù)

由(3)式可知，隨著圓板直徑的增大，噪聲將急劇增加。因此，設(shè)計(jì)齒輪時(shí)，應(yīng)盡可能減小齒輪直徑。此外，由式(1)，(2)可以看出，齒距誤差與齒輪直徑有關(guān)，而齒形誤差與直徑無關(guān)，因此減小直徑不會(huì)增加達(dá)到齒輪加工精度的難度。

(3)齒寬齒寬變化引起噪聲改變的原因在于能量衰減的不同。因此齒寬大的齒輪衰減性能好，從而噪聲也低.

(4)重合度

增大重合度可以減小齒輪傳動(dòng)的噪聲。首先，增大重合度可以減小單對(duì)輪齒的負(fù)荷.從而可以減小嚙入和嚙出的負(fù)荷沖擊，降低齒輪噪聲。其次，隨著接觸齒對(duì)的增加，單對(duì)輪齒的傳動(dòng)誤差被均化，從而減小了輪齒的動(dòng)態(tài)激勵(lì)。此外，幾乎所有的對(duì)齒輪噪聲有影響的輪齒參數(shù)，實(shí)際上都是由于他們對(duì)重合度的影響而起作用的。例如，對(duì)于重合度為1-3的圓柱齒輪，降低齒輪的壓力角，減小模數(shù)，使齒頂高有較小的增加，均是由于增大了重合度而使齒輪噪聲降低的。當(dāng)然，壓力角減小，增加了輪齒的柔性，也降低了動(dòng)態(tài)激勵(lì)，從而有利于噪聲的降低。

(5)螺旋角由于斜齒輪是從齒的一端逐漸進(jìn)入嚙合，因此嚙合沖擊小，噪聲低。一般說來，隨著螺旋角的增大，重合度增大，噪聲降低。但是，當(dāng)螺旋角較大時(shí)其降噪效果較螺旋角較小時(shí)要差。這是因?yàn)槁菪谴髸r(shí)，加工、安裝困難，影響了實(shí)際的重合度.

(6)齒的修形、整形和變位在齒輪的實(shí)際工作狀態(tài)下，由于輪齒、傳動(dòng)軸和箱體的變形會(huì)使輪齒在嚙入和嚙出時(shí)產(chǎn)生干涉和沖擊，引起強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲.為此，可采用進(jìn)行修形、整形和變位的方式對(duì)嚙合變形進(jìn)行補(bǔ)償達(dá)到降低振動(dòng)和噪聲的目的。

二、齒輪加工方面

(1)齒輪的加工精度對(duì)齒輪系統(tǒng)噪聲有著重要的影響。一般來說，提高加工精度有助于降低齒輪系統(tǒng)的噪聲。但提高加工精度要受加工成本的限制，且初始的加工精度越高，提高精度的降噪效果也越不明顯。

在各單項(xiàng)輪齒誤差中，齒形誤差對(duì)噪聲的影響最大。齒形誤差大，則齒輪噪聲大，但兩者間并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。因?yàn)樵肼暤拇笮?，不僅取決于齒形誤差的大小，更主要的是取決于齒形形狀。實(shí)驗(yàn)證明，略帶鼓形的齒形形狀，有利于降低噪聲.

關(guān)于齒輪輪齒側(cè)隙對(duì)噪聲的影響，一般說來，如果側(cè)隙過小，噪聲會(huì)急劇增大，而側(cè)隙稍大些對(duì)噪聲的影響并不大。

(2)加工方法方面

齒輪加工的方法有多種，一般說來，加工方法與齒輪噪聲沒有十分固定的關(guān)系，因?yàn)檫€要受到加工技術(shù)的影響。通常，不同的加工方法將產(chǎn)生不同的齒面粗糙度，改善齒面粗糙度有利于降低噪聲。

三、輪系及齒輪箱方面

1、齒輪輪體結(jié)構(gòu)方面齒輪輪體的結(jié)構(gòu)對(duì)齒輪系統(tǒng)的噪聲有重要影響。

首先，在輪齒動(dòng)態(tài)激勵(lì)力作用下，輪體作為一個(gè)彈性體會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)并輻射噪聲。其次，作用在輪齒上的動(dòng)態(tài)激勵(lì)力會(huì)通過輪體傳給傳動(dòng)軸，并進(jìn)而傳至軸承和箱體。再則，輪體的結(jié)構(gòu)還會(huì)影響輪齒嚙合過程的傳遞誤差，反過來又會(huì)影響動(dòng)態(tài)激勵(lì)力的大小。為此，我們可以從減少齒輪體噪聲輻射及減小齒輪體振動(dòng)的傳遞兩方面來降低噪聲。

(1)減少齒輪體噪聲輻射

一般說來，噪聲的大小除與振源能量有關(guān)外，主要決定于輻射面積.因此減小齒輪的表面積，可以減小噪聲的輻射面積，從而降低輻射噪聲。此外，齒輪的形狀與噪聲大小也有一定關(guān)系，例如齒坯越厚、直徑越小，噪聲也越小.

(2)減小齒輪體振動(dòng)的傳遞

對(duì)此，我們可以采用一些復(fù)合結(jié)構(gòu)，或在齒輪體中間填入振動(dòng)衰減材料來增大齒輪的阻尼效應(yīng)，從而減小振動(dòng)的傳遞，來降低噪聲.

2、軸系結(jié)構(gòu)方面

可以防止傳動(dòng)軸的偏斜，井通過軸系的設(shè)計(jì)，控制多級(jí)齒輪傳動(dòng)中各嚙合激勵(lì)的相位關(guān)系，來達(dá)到降低噪聲的目的。

3、箱體結(jié)構(gòu)方面

齒輪箱體是一個(gè)典型的彈性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，它在軸承動(dòng)載荷作用下產(chǎn)生振動(dòng)，輻射噪聲，因此合理設(shè)計(jì)箱體的結(jié)構(gòu)和振動(dòng)特性，將有助于降低齒輪系統(tǒng)的噪聲。例如，設(shè)計(jì)時(shí)以箱體薄壁的振動(dòng)最小為目的，以頻率約束、應(yīng)力約束、幾何約束等為約束條件，使箱壁振動(dòng)在動(dòng)態(tài)激勵(lì)作用下最小，達(dá)到降低噪聲輻射的目的. 此外，在箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意使軸承支承座與箱體支點(diǎn)間的結(jié)構(gòu)聯(lián)系具有足夠的剛度，以減少系統(tǒng)的振動(dòng)。對(duì)于較大面積的薄壁，應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)筋，以減少振動(dòng)噪聲的幅度。

齒輪噪聲檢查機(jī)適用于大批量外徑小于200mm的盤類直齒和斜齒圓柱齒輪的噪聲檢查。齒輪噪聲檢查機(jī)配有聲級(jí)計(jì)，操作者一方面通過耳聽發(fā)現(xiàn)齒輪傳動(dòng)的異響，另一方面又可通過聲級(jí)計(jì)上的數(shù)字來判斷齒輪噪聲是否合格。齒輪噪聲檢查機(jī)電氣元件和液壓元件均為進(jìn)口產(chǎn)品，操作十分方便，使用安全可靠。