简述传动系齿轮噪声的产生原因及控制策略

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【摘　要】本文对齿轮噪声产生的原因进行了分析，并提出了相应的控制策略。

【关键词】齿轮；噪声；原因；控制

齿轮传动的特点是轮齿相互交替啮合，在啮合处既有游动又有滑动，不可避免地要产生齿与齿之间的撞击与摩擦，从而使齿轮产生振动并发出噪声。另外，工作中的齿轮还承受着交变负荷，齿轮的加工误差会使这种负荷更为严重，从而使轴产生弯曲振动，并在轴承上引起动负荷，最终传给箱体，使之辐射出噪声。

1.齿轮噪声的类型及产生的原因

齿轮噪声可分为高频齿轮噪声和低频齿轮噪声两大类。

高频齿轮噪声主要是由齿轮基节偏差引起的，是齿轮噪声的主要成分。基节偏差会使齿轮在进入啮合或分离时产生撞击，该撞击称为啮合撞击，无论主动轮的基节大于还是小于从动轮的基节，都将使齿轮每转一个轮齿就产生一次撞击，撞击频率取决于齿轮转速和齿数。当齿轮和相关旋轮件的安装或制造有偏心时，除引起离心惯性力激发噪声外，偏了心的齿轮旋转一周期间，两个齿轮啮合的松紧程度要发生变化，这使啮合力随齿轮传动角位移而变，从而激发振动和噪声，这种噪声也是高频噪声。此外，齿形误差及齿面的表面粗糙度等因素也引起部分高频噪声。

低频齿轮噪声主要是由齿距累积误差引起的冲击噪声。这种噪声—般不是齿轮噪声的主要成分。值得注意的是齿轮的固有频率，而激发强烈的噪声。

2.影响齿轮噪声的因素

齿轮的设计参数(如结构、材料、啮合率、压力角、模数、齿形修正、相配轴及轴承等)、力口工精度(如各种误差、表面质量、加工手段及热处理方法等)、装配情况(如齿隙、接触面、位置准确度、装配力矩等)及使用条件(如转速、负荷、及使用场合等)等，都对齿轮噪膨有一定影响。

2.1齿轮设计

常用齿轮有直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮及直齿链齿轮和螺旋锥齿轮等几种齿轮特性参数对其噪声有明显影响，增加齿轮重叠系数，可以使齿轮传动时参与啮合的齿数增多，这样就减小了单个轮齿上的载荷，降低了轮齿的冲击和变形，改善了轮齿进入和脱开啮合的状况，从而使齿轮噪声得以降低。在传递扭据一定的条件下压力角增加将造成径向力增大，从而导致较高的噪声级。值得注意的是，齿轮压力角不仅决定于齿轮的原始设计，而且随一对啮合齿轮的中心距而变化，实际中心距增大则压力角变大，其它如齿轮安装、制造误差、温度变化及釉向刚度等因素，都可能改变实际的压力角。齿宽对噪声的影响，增加齿宽，单位齿长载荷降低，齿轮噪声减弱，减弱的幅度取决于齿轮精度与轮齿承载变形的关系。对于低精度齿轮，其噪声受单位齿长载荷影响较小，即增加齿宽不会显著改善其噪声，对于高精度齿轮，由于轮齿承载变形影响正常的啮合，所以单位齿长载荷对噪声有较大影响，即缩小齿宽会引起其噪声显著增加，增加齿宽有利于获得低噪声齿轮。齿轮的侧隙是为和避免因制造安装误差造成运动干涉而设计的，测隙过小，则难以达到设计目的，并且使齿轮噪声急剧增加。因此，除正、反转换向频繁、定位精度要求较高以及裁荷变化较大的齿轮抄L，宜将侧隙取大些，这有利于降低齿轮噪声。

在相同精度的条件下，模数增加会使齿轮噪声减小。其原因是，增加模数使轮齿变得粗状，从而减少了轮齿的弯曲变形和冲击。若保持模数不变，则增加齿数会让齿轮直径变大，从而辐射噪声增加。

齿轮材料和热处理方法的选择，对齿轮噪声也有一定的影响。例如，铸铁比钢有更好的声振动衰减率和阻尼特性，因此用铸铁制造的齿轮比用钢制造的齿轮噪声低，差值可达3-4dB。不同热处理方法对材料弹性模数几乎不起作用，因而对齿轮的固有频率也就没有影响，但材料淬火后，声振动衰减性能降低，使齿轮噪声增加3-4dB。

2.2加工精度

齿轮加工的尺寸误差、形位误差和表面质量都影响齿轮的噪声水声。影响噪声的主要误差有齿形误差、齿距误差及基节误差。齿形误差轮齿偏离渐开线，造成啮合过程中的冲击与振动，从而噪声辐射量增加。齿距误差和基节误差也会破坏齿轮啮合过程的乎稳均匀性，使齿轮传动角速度被动而形成冲击振动，从而增加齿轮噪声。

轮齿的表面质量影响齿而接触时的摩擦系数，从而影响齿轮吸声。当轮齿的表面质量好，即表面粗糙度值低时，齿面摩擦系数小，啮合时的冲击和噪声就低。一个齿轮表面粗糙度值低的齿轮(磨齿)与一个齿面表面粗糙度值高的齿轮(磨齿)相比，噪声相差约4dB。在齿轮加工过程中使用不同的轮齿成形方法，将影响齿面质量，从而影响齿轮噪声。按照所加工成形的齿轮噪声大小的顺序，可将常用轮齿成形方法排列如下：低精度滚齿切削、齿条刀切齿、该齿切削、波齿切削剃齿。

2.3装配精度

即使在齿轮加工精度足够的条件下，装配精度低也会破坏齿轮啮合状况，产生较大的冲突振动，使齿轮噪声大幅度增加。对传递扭矩较小的齿轮，噪声增长幅度尤为明显。

2.4使用条件

使用中加入油，可以防止齿面直接接触并起阻尼作用，有利于降低轮噪声，其降低幅度由方式和油脂的性质而定，不同的状况对齿轮噪声的影响。试验时齿轮空载运转，供油量为lml／s。若齿轮箱采用油浴，则箱内油面高度不同时齿轮噪声有一定差别，这是因为形成的油粒激溅程度不同。

3.齿轮噪声的控制

在齿轮设计、制造及使用过程中，有相当多的因素影响齿轮噪声的形成和传播。控制齿轮噪声，就是合理调整这些因素，降低齿轮工作时的噪声。

（1）合理选择齿轮结构形式和改进齿轮参数设计，对于圆柱齿轮来说，按噪声大小排列顺序为：直齿、斜齿、人字形齿；对于圆锥齿轮来说，按噪声大小排列的顺序为：直齿、螺旋齿、双曲线齿。因此，从降低噪声的角度出发宜优先选择低吸声的齿轮结构。

齿轮参数的低噪声设计原则是，增加重叠系数，减小齿轮间的相对措移和冲击，使齿轮工作过程平稳。为此，首先要选择大重叠系数的啮合副，但应注意重叠系数不宜过大，尤其是在齿轮精度不高的场合，多对轮齿同时齿合反而会加剧振动、增大噪声。啮合副型式—定时，增大齿轮模数、减小齿轮压力角，也可以使重叠系数增加，从而降低齿轮噪声。其次选择齿宽的大小要适当，以保证齿隙大小合适。齿隙过大，齿轮工作时有较大冲击；而齿隙过小，轮齿啮合时排气速度增加，轮齿间容易发生干涉，都将使齿轮噪声水平上升。

（2）改进工艺提法加工精度。在一般情况下，提高齿轮制造精度，降低各种误差和轮齿表面粗糙度，均可有效减小齿轮噪声。其中齿轮精度依次为A级、B级、C级和D级。A级精度最高，在各种传递功率条件下噪声均最小。精度降低一级，噪声约增加7-10dB。因此，在齿轮制造时，应根据工作要求、噪声限制值和制造成本，综合考虑并确定加工精度。

轮齿的不同成形方法会带来不同的精度，从而影响齿轮噪声。一般而言，磨齿、研齿和剃齿能得到较高精度，其齿轮噪声较低。此外，热处理方法必须适当，以防止热处理后轮齿变形。

齿形修缘是改善轮齿受力状况、降低噪声的又一有效方法。由于齿轮工作会产生变形，加之各种误差的影响，有可能造成一个齿轮的齿项与另一个齿轮的齿面在进入啮合时发生干涉，形成顶撞和冲击。　[科]