对渐开线直齿圆柱齿轮传动噪音与振动的产生原因的分析

对渐开线直齿圆柱齿轮传动噪音与振动的产生原因的分析发布时间：2011-4-1813:55:42来源：其他1渐开线直齿圆柱齿轮减速机（山西减速机）传动噪音与振动产生的原因为从设计角度出发降低齿轮传动系统的噪声，先来分析齿轮系统噪声的种类和发生机理。在齿轮系统中，根据机理的不同，可将噪声分成加速度噪声和自鸣噪声两种。在轮齿啮合时，由于冲击而使齿轮产生很大的加速度并会引起周围介质扰动，由这种扰动产生的声辐射称为齿轮的加速度噪声；在齿轮动态啮合力作用下，系统的各零部件会产生振动，这些振动所产生的声辐射称为自鸣噪声。对于开式齿轮传动，加速度噪声由轮齿冲击处直接辐射出来，自鸣噪声则由轮体、传动轴等处辐射出来。对于闭式齿轮传动，加速度噪声先辐射到齿轮箱内的空气和润滑油中，再通过齿轮箱辐射出来。自鸣噪声则由齿轮体的振动通过传动轴引起支座振动，从而通过齿轮箱箱壁的振动而辐射出来。一般说来，自鸣噪声是闭式齿轮传动的主要声源。因此，齿轮系统的噪声强度不仅与轮齿啮合的动态激励力有关，而且还与轮体、传动轴、轴承及箱体等的结构形式、动态特性以及动态啮合力在它们之间的传递特性有关。一般来说，齿轮系统噪声发生的原因主要有以下几个方面：（1）齿轮设计方面参数选择不当，重合度过小，齿廓修形不当或没有修形，齿轮箱结构不合理等。（2）齿轮加工方面基节误差和齿形误差过大，齿侧间隙过大，表面粗糙度过大等。（3）轮系及齿轮箱方面装配偏心，接触精度低，轴的平行度差，轴，轴承支承的刚度不足，轴承的回转精度不高及间隙不当等。（4）其他方面输入扭矩、负载扭矩的波动，轴系的扭振，电动机及其他传动副的平衡情况等。2.1齿轮啮合原理对噪音与振动的影响从渐开线直齿圆柱齿轮的啮合原理上讲，齿轮传动过程中两个共轭齿面之间的摩擦应该是纯滚动运动摩擦，但实际应用中理论上的纯滚动啮合是不存在的，渐开线直齿圆柱齿轮啮合轨迹是滚动运动和相对滑动运动共存的复杂运动，这是难以避免和克服的。在加工齿轮齿面的过程中，如果没有经过最后的齿面的研磨，实际的齿面就类似于不同直线连接起来的曲线，在滚动加滑动摩擦的过程中，摩擦和撞击是在所难免的，噪音和振动也就随之而来了。2.2齿轮传动重合度及齿轮参数对传动噪音与振动的影响（1）齿轮传动重合度对传动噪音与振动的影响渐开线直齿圆柱齿轮传动中，重合度ε值是保证齿轮传动连续性、平稳性与承载及抗弯曲能力的重要指标。增大重合度可以减小单对轮齿的弯曲载荷及冲击强度，从而能减小轮齿啮入和啮出时的载荷冲击，降低齿轮传动噪声。其次，随着接触轮齿对数的增加，单对轮齿的传动误差被均化，加之齿面摩擦副中润滑脂的作用，都能减小轮齿的动态噪音和振动的叠加。（2）模数m的大小对传动噪音与振动的影响在渐开线直齿圆柱齿轮的相关参数中，齿轮模数是齿轮的主要设计参数，也是齿轮传动产生噪音的一个重要因素。一对齿轮啮合时，啮合齿轮之间的相互弯曲作用应力，使得齿轮的齿形产生弯曲弹性变形，在离开啮合后，齿形经过弹性变形的回弹又恢复原来的齿形状态，从而产生振动和噪音。而轮齿的弯曲刚度又与模数成正比，所以模数对渐开线直齿圆柱齿轮噪音的产生有关键的影响。（3）齿轮宽度b及辐板厚度h对传动噪音与振动的影响齿宽变化会引起噪声改变。因为齿宽不同，能量衰减的程度就不同。齿宽大的齿轮由于接触的点和线较多，其衰减性能好，噪声也低。另外，齿轮辐板的厚度对噪音的大小也有影响。2.3加工过程诸因素对齿轮传动噪音与振动的影响（1）“压力角偏差”的影响在齿轮加工过程中，不论是滚齿、插齿、剃齿还是磨齿，齿轮的齿形都取决于加工刀具分度圆上的压力角。若在加工过程中，刀具分度圆上的压力角偏离了理论值，从而形成齿形的“压力角偏差”，那么齿轮啮合中就必然会噪音和振动。（2）“齿形偏差”的影响在齿轮加工过程中，如果加工方法是采用范成法加工，在同一个齿面上所含的加工刀数越多，形成的加工包络曲线数量越多，等于齿面曲线形成的直线越短、越密集，齿面相对就越光滑，反之就越粗糙，从而形成了“齿形偏差”，这是不可抗拒的加工原理上的加工误差。（3）齿侧间隙的影响在齿轮中，齿侧间隙是决定齿轮传动噪音的重要因素。齿侧间隙过大是由于加工过程中，加工刀具的切向深度过深，反之就是切向深度不足。齿侧间隙过大时，由于齿侧间隙留有一定的余量，使得一对相互传递转速的齿轮产生角速度差，传动中齿面的相互撞击、振动是噪音产生的主要因素，齿侧间隙过小，齿轮传动过程中齿间楔入会产生非正常的摩擦和径向振动，还会破坏正常的润滑油膜，也破坏了油膜吸附噪音的功能。2.4传动系统中其它部件对齿轮传动的噪音影响（1）齿轮传动是装配在与之相关的轴上的，带有齿轮传动的轴绝大多数是采用不同直径的阶梯轴，轴的两端安装轴承的部位，相互之间的同轴度与同圆度误差，两端轴承端轴与安装齿轮轴的部位之间的同轴度及同圆度误差都是直接产生齿轮传动中径向跳动的直接原因，而齿轮传动中的径向跳动又是直接产生共轭齿面间相互撞击、产生传动系统噪音的根源。（2）两端轴承的精度等级也是影响齿轮传动精度和噪音的重要因素，如果轴承选用精度不正确，轴承的径向跳动超出正常范围，影响齿轮的正常啮合，轴承的径向跳动是产生噪音和振动的一个不可忽视的因素。（3）箱体的两轴的平行度及中心距误差是一个后天无法克服的产生噪音和振动的因素，在箱体上与一对齿轮传动相关的两根轴的四个轴承定位支撑孔的平行与垂直度精度，是保障一对齿轮正确啮合的基本条件，如果四孔之间误差过大，就会产生齿轮非正常的啮合，传动精度无法保障使噪音和振动无法控制在正常范围内。（4）两轴的中心距误差会使齿轮传动发生齿侧间隙过大或过小而产生撞击或楔入的噪音和振动。（5）润滑系统是导出齿轮传动中所产生热量的保障系统，而润滑脂是导出传动热量的介质，且对润滑齿轮、降低噪音、减少振动、减少磨损、提高齿轮的使用寿命起着关键性的作用，润滑系统和润滑脂之间有着密切合作，但在实际应用中往往被忽略。（6）齿轮轴与轴孔的误差。正常的轴孔与齿轮轴的配合应该是过渡配合，但超公差的情况并不少见，这种超公差都体现在齿轮上的孔径大于轴径，且不属于过渡配合的范畴，超公差的直接影响就是齿轮运转的摆动振动和不规则的跳动，属不规则噪音或突发性噪音，在遇到外部负荷过大或有冲击载荷时，这种现象尤为突出。3改善齿轮传动噪音及振动的方法3.1从设计上合理选择齿轮参数（1）合理选择渐开线直齿圆柱齿轮重合度ε对于渐开线齿轮，理论上的设计要求其重合度ε≥1，在有较高的加工及装配能力，且理论上不产生传动干涉的情况下尽可能的提高齿轮传动的重合度ε，有利于平稳传动和减少传动噪音及振动。（2）合理选择齿轮模数m、齿宽b和齿轮幅板厚度h从理论上讲，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，从而降低噪声。但是在传递载荷较小或空载时，轮齿误差的影响会远大干轮齿变形，就应从齿轮加工误差的角度来考虑模数大小对噪声的影响。上述两项误差直接与模数有关，并且模数大，齿形误差大，噪声也大。因此，在传递较小载荷或空载时，在齿轮强度允许的情况下，应尽可能取小模数。增大模数m，能提高齿轮的抗弯强度，改善齿轮单齿的刚性，使单齿的弯曲变形减小，并能减小瞬时角速度变化，减少齿轮噪声及振动。但在齿数一定的条件下，模数m加大后，齿轮节圆直径就会随之加大。结构及体积也必然会增大，单位制造成本也会增大，另外，根据声学原理，齿轮的轮盘直径越大，其发声强度也越大。所以，在充分考虑强度、结构条件和避免根切的条件下，模数m应尽可能的降低，这样，一方面可以减少齿轮辐射噪声的面积；另一方面，中心距确定后，当齿轮的分度圆直径d=mz一定时，模数m越小，齿数z越多，重合度增大，能够有效地降低齿轮传动的噪声。同时，模数m小，齿轮的加工成本也会降低。除此之外，在满足运动与抗根切的条件下，大小齿轮齿数应互为质数，防止轮齿周期性的重复啮合，分散轮齿接触误差重叠对平稳性的影响，也能减少周期性振动及由此产生的噪声。在设计中，如果齿宽太薄容易产生轴向振动与轮齿的弯曲变形，引起振动和噪音。但齿宽太厚又会增加制造与装配误差，也不利于减噪。对于减速传动的齿轮，初级传动由于传递转距相对较小，宜采用窄齿传动，对末级或承受重载荷的齿轮应采用宽齿传动。另外，厚幅板式轮幅的齿轮噪音小。所以要减振降噪可选用轮径较小的齿轮，同时用加大幅板厚度来弥补强度，以达到降低噪音的目的。（3）转速n和传动比i的选择渐开线直齿圆柱齿轮旋转速度越高噪声也越大。各轴的转速是根据动力、工作机构和传动比要求分配而定的。每一种传动系统都有自己的固有频率，防止共振应避免齿轮的转速与其合拍。一般要求增速传动时i≤2；减速传动时i≥1/4.超过此范围单级传动应改为双级传动。单级传动的噪声比双级传动的噪声大；增速传动的噪声比减速传动的噪声大。3.2箱体结构设计及外部增加吸收噪音材料在渐开线直齿圆柱齿轮传动中，开放式的传动方式大多数是低转速的低噪音传动。而高转速的传动方式时可以采取箱体结构。设计中增加隔音结构或外部增加隔音材料，使大部分噪音被隔音结构和吸音材料所吸收。3.3选择合理的加工及装配精度渐开线直齿圆柱齿轮传动振动与噪音是一个相对的物理量。并不是一味的追求理想上无噪音或无振动传动。在充分考虑成本、使用安全、噪音等综合指标的同时，选择适合的加工精度与装配精度，用合理的加工与装配精度来保障机构的总体合理性。如果加工精度与装配精度都能满足设计要求，就等同与把齿轮传动的振动和噪音控制在合理的范围内了。3.4选择合理的润滑脂合理的润滑脂既能保护齿面不受磨损，提高齿轮的使用寿命，又能改善齿轮的传动精度。润滑脂可以通过油膜来保护共轭齿面的滚动加滑动摩擦，在油膜没有被破坏的情况下，油膜又有克服传动冲击和减振作用。4结论从齿轮传动的特性出发，分析了设计、加工各环节中与噪声产生密切相关的各种主要因素，并对其加以总结归纳，从而为控制渐开线直齿圆柱齿轮传动噪音提供了一系列经验性的方法和思路。