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傳動系齒輪噪聲及其控制探析
揚州邗江中等專業(yè)學(xué)校 崔林娟 2014/1/10 12:51:23
摘要：傳動系是發(fā)動機(jī)及其動力總成的一部分，其中的變速器、分動器、傳動軸、差速器和輪邊減速器等都產(chǎn)生噪聲。齒輪傳動被廣泛應(yīng)用在發(fā)動機(jī)正時齒輪、變速器和驅(qū)動橋的總成中。本文將探討傳動系齒輪噪聲的特點及其控制方法。
關(guān)鍵詞：齒輪噪聲，控制，傳動，頻率
齒輪在運轉(zhuǎn)過程中，由于受到節(jié)線沖力和嚙合沖力的激勵，一方面產(chǎn)生頻率為嚙合頻率和它的高次諧振的受迫振動，另方面產(chǎn)生頻率為固有頻率的瞬態(tài)自由振動。當(dāng)嚙合頻率和固有頻率互為整數(shù)倍時，可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振。因此，齒輪噪聲有兩種形式：一種是以嚙合頻率振動的噪聲，另一種是整個齒輪以其固有頻率振動的噪聲[1]。
1齒輪噪聲的特點
齒輪的制造誤差、安裝誤差以及發(fā)動機(jī)曲軸的扭振使其所驅(qū)動的齒輪傳動的正常嚙合關(guān)系遭到破壞，都會使齒輪產(chǎn)生振動并發(fā)出噪聲。輪齒在嚙合和脫離過程中產(chǎn)生的周期性沖擊噪聲的基頻即為齒輪的嚙合頻率。
式中，n為轉(zhuǎn)速（r/min）；z為齒輪頻數(shù)。
以哪種形式為主，則取決于齒輪的結(jié)構(gòu)和精度、傳遞載荷等多方面的因素。齒輪頻譜中各個頻率的峰值，一般均隨著齒輪轉(zhuǎn)速的升高而加大。因為沖擊力的數(shù)值取決于其隨時間變化的規(guī)律，即力的變化時間越短，其數(shù)值越大。所以當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)速升高時，激勵力加大了，從而使振幅增大，引起輻射的噪聲級升高。齒輪噪聲產(chǎn)生的原因，除了齒輪本身的原因之外，還有軸、軸承、箱體，以及驅(qū)動系統(tǒng)和工作機(jī)等方面的原因。
2影響齒輪噪聲的主要因素
影響齒輪噪聲的因素很多。例如，齒輪的設(shè)計參數(shù)、加工精度、工作參數(shù)等都將影響嚙合齒輪的節(jié)線沖擊和嚙合沖擊。
2.1齒輪的類型
齒輪輪齒的嚙合狀態(tài)與齒輪類型有關(guān)，如果不存在齒向誤差時，直齒輪的輪齒在接觸瞬間是整個齒寬的接觸線。而斜齒輪雖然也為線接觸，但它是由齒頂?shù)囊欢藵u漸地進(jìn)入嚙合，其接觸線開始時逐漸由短變長，以后又逐漸縮短，直到脫開嚙合為止。另外，斜齒輪傳動的實際嚙合線較直齒輪傳動要大些，所以斜齒輪不論從傳動的平穩(wěn)性還是承載能力的大小來說一般都比直齒輪高[2]。
2.2齒輪的模數(shù)
齒輪的模數(shù)是設(shè)計齒輪的一個基本參數(shù)。模數(shù)大，即輪齒尺寸大，所能承受載荷也就大。輪齒的彎曲變形和模數(shù)成反比，所以增大模數(shù)也即提高了輪齒的剛度，這樣嚙合傳動時輪齒彈性變形小，降低了輪齒產(chǎn)生的沖擊力，從而降低了噪聲。從這意義上來說模數(shù)宜取大，但齒輪的加工誤差也和模數(shù)有很大關(guān)系，模數(shù)越大，則齒距誤差 與齒形誤差 也就增大，導(dǎo)致齒輪嚙合時產(chǎn)生較大的噪聲。因此，宜根據(jù)具體條件來選取模數(shù)。例如，對傳遞功率較大的齒輪，由于考慮到齒輪彎曲變形是主要因素，為了提高齒輪的剛度取大的模數(shù)較為合理。
2.3齒輪的齒數(shù)和直徑
在模數(shù)已定的條件下，改變齒輪齒數(shù)也就改變了齒輪的直徑 ，這也將引起輪齒的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輪齒噪聲輻射的表面積亦增加。如果將齒輪近似地看成為一個圓板，則在激勵力恒定時，輻射的聲功率大體與圓板半徑的平方成正比。因而增大齒輪直徑對降低噪聲不利，所以設(shè)計時應(yīng)盡可能地縮小齒輪的直徑。
3傳動系齒輪噪聲的控制
3.1齒輪參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式
增大齒輪的模數(shù)會增加制造難度，使得齒輪的制造誤差變大，并造成工作時的噪聲增加。此外齒輪壓力角的增加也會造成嚙合過程的徑向力增加而增大噪聲。一般在強(qiáng)度允許的條件下適當(dāng)降低模數(shù)和壓力角。齒輪設(shè)計時增加重疊系數(shù)，經(jīng)驗表明重疊系數(shù)為2時噪聲水平比較低，相反在過大的重疊系數(shù)，齒輪精度不高的場合，多對輪齒同時嚙合反而會加劇振動、增大噪聲。對于圓柱齒輪來說，直齒齒輪噪聲最高，斜齒次之，人字形齒最低；對于圓錐齒輪來說，按噪聲大小排列的順序為：直齒、螺旋齒、雙曲線齒。因此，從降低噪聲的角度出發(fā)，宜優(yōu)先選擇低噪聲的齒輪結(jié)構(gòu)[3]。
3.2齒輪的制造和工藝
齒輪的精度是影響齒輪工作時振動和噪聲的關(guān)鍵，因此盡可能提高齒輪精度是必要的。通常在齒輪粗加工和熱處理以后，應(yīng)進(jìn)行剃齒或磨齒等精加工。為減少齒輪在承載后的彈性變形和制造誤差(主要是基節(jié)誤差和齒形誤差)造成的齒輪嚙合時，齒頂和齒根處的干涉，在齒輪加工時通常將干涉部分削去，稱為齒形修緣。齒形修緣可以降低齒輪工作時的噪聲。
3.3材料和結(jié)構(gòu)
采用高分子材料取代傳統(tǒng)的金屬材料齒輪可以大大降低齒輪噪聲。另外對金屬齒輪進(jìn)行阻尼處理，例如，在齒輪兩邊涂上阻尼材料，在金屬齒輪體內(nèi)填充大阻尼橡膠等，形成阻尼結(jié)構(gòu)，達(dá)到減振降噪目的。此外，適當(dāng)?shù)臐櫥秃侠淼陌惭b也能降低齒輪噪聲。
結(jié)論
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