齿轮传动噪声的控制

齿轮传动噪声的控制——夏卿坤1.前言在机械传动中，齿轮机构由于具有结构紧凑、传动比稳定、传递功率大、传动效率高、使用寿命长等优点，因而使用十分广泛。齿轮机构的主要缺点是振动和噪声较大。噪声是各种不同频率和声强的无规律的、杂乱的组合。噪声起源于振动，其大小不仅决定于振源的传递和噪声的辐射。控制噪声最有效最根本的途径是直接控制噪声源，即使是对噪声源的局部减弱，也将有助于对传播途径和接收者这两方面噪声控制工作的简化，并将起到提高抑制噪声的效果。因此降低噪声的根本途径在于控制振源，并减小噪声的传播。根据声学理论和实践可知，通过对齿轮噪声、轴承动噪声和箱体噪声的控制，能有效地降低机械传动中的噪声。2.齿轮噪声的控制齿轮经长期运转，齿面磨损、咬伤和变形，啮合时动齿侧间隙过大，啮合不良，会产生振动、冲击和噪声，是机械传动噪声的主要因素。2.1提高制造精度，降低表面粗糙度为提高制造精度，降低表面粗糙度，一般齿轮常采用滚——剃——珩加工工艺即可满足要求：精度要求高时则要经过磨齿。提高齿轮精度，主要是减小齿形误差、齿向误差、周节误差。上述误差与噪声的大小有密切关系。2.1.1周节误差会造成啮合冲击和角速度变动，高速时会引起强烈振动和噪声主动齿轮和从动齿轮的影响是不同的，从动齿轮在啮合起点处弯曲最大，由于周节误差的影响，使齿的振动时大时小；相反，主动齿轮在啮合终点处弯曲最大，周节误差对振动的影响较小，所以应着重控制从动齿轮的周节误差。2.1.2齿向误差会造成轮齿边缘接触而增大噪声2.1.3齿形误差对噪声的影响很大，呈中凹形，影响更大。一般采用滚-剃-珩加工的齿轮，剃齿后齿形中凹，珩齿后的的齿形顶凸，齿根凹，在啮合过程中引起瞬间回转角的变化，传动不平稳，产生振动和冲击，在高速传动中发出很响的冲击声。解决的办法是将剃齿刀修磨成中凹形，剃齿中凸的齿形，并经珩齿后也保持凸齿形，保证齿面在中间接触，对降低噪声有显著效果。2.2修正轮齿缘2.2.1齿形修整由于齿受载后的弹性变形以及加工误差，在啮合时会产生冲击。齿形修缘就是在制造齿轮时，在齿轮顶侧沿齿宽修成直线或均匀的凸形曲线区域，可以减小由于齿轮弯曲变形所造成的瞬间顶撞，降低齿侧的排气速度，，是降低噪声的有效措施。2.2.2采用鼓形齿或两端减薄齿，可减小齿的干涉2.2.3减小齿顶宽使齿轮在两对齿轮啮合时的弯曲刚度减小，以减小与一对齿啮合时的变曲刚度之差，减小周围方向的振动和噪声。齿顶或修成直线或圆弧形。2.2.4采用逐渐啮合的正齿轮在正齿轮齿长方向，一端的修缘大于另一端，使齿轮逐渐进入啮合，可减小两对齿啮合的合成刚度，从而减小一对齿啮合时的弯曲度，减小啮合冲击。2.3改用斜齿轮或人字齿轮斜齿轮传动的噪声低于直齿圆柱齿轮传动；人字齿轮的噪声更低，但必须制造精确。对于磨齿的斜齿轮，随着螺旋角β增加，噪声减小，β为30°附近噪声最小。但是，若齿轮传动轴刚性差，容易引起轴向振动，则噪声可能反而随p增加升高。2.4改进齿轮参数在结构条件许可且满足强度、刚度、传动比要求的前提下，改进某些齿轮参数，可有效地达到降低噪声的目的。2.4.1改进齿轮参数尽可能降低齿轮的线速度。不平衡离心惯性力与速度的平方成正比，降低线速度可减小齿与齿面的冲击。尽可能缩小齿轮直径。若把齿轮视为圆板，在激振力恒定时，齿轮辐射采用互为质数的非整数传动比。齿轮传动时，可避免制造误差周期性的复映到传动系统上而加剧震动和噪声。确定合适的齿侧间隙。过大易产生冲击，过小易在啮合时的排气速度增加，都会导致振动和噪声的增加。通常，载荷变化大，正反转频繁时，取较小值，否则取大侧隙。2.4.1改进齿轮参数模数选择。对于传递功率较大的齿轮，齿根弯曲变形是主要影响因素，宜选用较大模数，模数越大，噪声越小。而对于一般载荷不大的齿轮，应尽可能选用较小模数，因为此时的加工误差是主要影响因素；而且模数小可增加齿数，使啮合系数增大，有利于提高传动平稳性，降低噪声。增大重迭系数。重迭系数为整数时，降低噪声效果更好。采用变位齿轮。可提高轮齿的承载能力，减小弯曲变形。但变位量应加以聘用制，变位量大，噪声会显著增大。齿宽的选择。在强度许可的情况下，应尽量减小齿宽。齿宽增加，虽然齿的弯曲变形减小，衰减性能增加，排气速度提高，轴齿泵油的振动和噪声增加。2.5齿轮的阻尼处理减小齿轮噪声另一种有效措施是对齿轮的阻尼处理，其目的是使齿轮的阻尼效应加强。阻尼处理方法有：在齿轮体上附加弹性阻尼材料；采用高阻尼合金材料制造；采用附加减噪阻尼等方法；在齿轮端面涂橡胶或在端面开槽灌注弹性材料。增加齿轮的阻尼，能有效地降低齿轮传动的振动和噪声。其主要措施如下：2.5.1齿轮的阻尼处理采用高阻尼合金材料或其它材料制造齿轮，如铸铁、尼龙、酚醛树脂等，都可以降低噪声。采用阻尼涂层的方法把阻尼材料涂敷在齿轮上或填入齿轮内部，这样既可以吸收部分声能，又能阻止声能的传播，达到有效降噪的目的。采用加阻尼环的措施也能提高降噪效果。阻尼环是由铸铁或阻尼合金制成，嵌装在齿轮体环槽内，利用阻尼环与齿轮体间的滑动摩擦阻尼对齿轮振动起抑制作用，从而降低噪声。尽量不淬火。齿轮淬火后，衰减率降低，噪声增大。对于强度要求不高的齿轮，为了降低噪声，可不必淬火。2.6改变齿轮的结构齿轮形状对噪声影响也很大，在相同齿轮参数及工况条件下，不同结构齿轮的噪声大小是不同的。如果条件允许齿轮形状以厚而小较好。实践证明宽齿小直径的齿轮噪声较小；大而薄的齿轮，噪声最大。2.7改进润滑方式飞溅润滑会增加油的搅动噪声，而且在齿面间留有过量的油对齿轮会产生有害的泵油作用，增加噪声。因此从控制噪声的角度看，采用注油润滑较好。齿轮润滑所需的油很少，大量给油是为了起冷却作用，所以最好入侧给以润滑所需的适当油量，而较多的冷却油从啮出侧供给。选用粘度较大的润滑剂，可增加阻尼，减少齿面的划伤和磨损，减小噪声。但对高速的齿轮变速箱，为了减小功率，应选用粘度较小的润滑剂。2.8提高安装和装配质量齿轮的安装和装配质量，对噪声产生与控制起着重要的作用。2.8.1提高安装和装配质量经测试不需要更换的齿轮，装配前应做好清洗工作；斜齿轮和伞齿轮若需更换，则应成对更换，否则会因接触不良增大噪声；伞齿轮在装配时需调整好间隙；啮合齿轮的轴安装时必须保证平行度的要求：齿轮轴座具有足够的刚，键槽与键的配合间隙合适，使齿轮正常啮合，减小齿与齿的冲击。啮合齿轮中心距越大，影响就越大；齿轮偏心、动平衡不良都会产生振动和噪声，尤其是转速高，质量大、直径大的齿轮。因此，对于质量大、直径大的高速齿轮，安装时要调整好平衡块，作好动平衡；在主轴上安装铸铁套，可增大阻尼，减小齿轮引起的振动和噪声。3轴承噪声的控制轴承不仅自身产生噪声，而且使安装在轴上的其它零件也产生噪声，因此控制轴承也很重要。3.1改用合适的轴承类型和精度滚动轴承往往是主要噪声源。滑动轴承比滚动轴承阻尼大，刚性好，噪声低；在滚动轴承中，球轴承比圆锥滚子轴承的噪声低，对装配质量不敏感。在满足支承刚度的前提下，应尽量选用球轴承；轴承精度高，振动、噪声小。但随之价格提高，修理费用增加，应根据使用要求综合考虑；3.2调整合适的轴承间隙调整轴承间隙，其作用是给滚动轴承施加预紧力，提高刚度，增加摩擦阻尼。预紧力过小，承载时易产生窜动：预紧力过大，则会加剧轴承的摩擦、磨损和噪声，并使轴承温升增加。3.3轴承外环与支承孔和轴承的配合以略松为宜可使接触处油膜对外环振动起阻尼作用，并以免因支承孔和轴的圆度误差而影响内外轴承内外环变形，引起冲击和噪声。3.4用弹性阻尼衬套降噪轴承外环与箱体支承间若装上弹性阻尼衬套，可使最大振幅降低80%以上，对降低噪声有明显效果，还可以减小固体传声。3.5润滑系统的选择选用良好的轴承润滑系统，以便在保证良好润滑的同时，起到良好的阻尼作用。4箱体噪声的控制齿轮变速箱体是噪声的主要辐射条件。箱体的箱壁作为辐射面，将噪声辐射出去。为了达到箱体降噪，主要是减少声辐射，即控制箱体对激振的响应。特别是当外来激振频率与箱体的固有频率相同时，会爆发出强烈的共振声。可以采用如下几种措施，以达到降噪之目的。4.1箱体噪声的控制改用吸声性能好的材料做箱体盖板以及各种外露的运动部件的罩壳，既防止噪声直接传出，又起到了吸声作用。在制作箱体时，采用高阻尼材料（如铸铁、塑料等）或在箱体内壁表面涂上一层橡胶，可起到衰减噪声的作用。适当把箱体的箱壁加厚，或在箱体上加筋都能提高箱体的刚度，减少箱体的振动，实现降噪。测出箱体上声压级量大的地方，用点焊的办法加筋，以增加阻尼，提高固有频率，从而达到减振和降噪的目的。5小结齿轮的噪声与其布置情况、轴的刚度、轴承安装精度、工作机构与机体的刚性、润滑状况等等因素有关，故欲降低齿轮机构的噪声，应从整机设计、制造、安装、与使用等各方面综合考虑，采用综合措施，才能达到理想的降低齿轮机构噪声的效果。摘自《机械设计与制造》2005年第三期