齒輪傳動系統(tǒng)的減噪設(shè)計
+ D6 O# S `6 A; Q在傳統(tǒng)齒輪傳動類產(chǎn)品(如工業(yè)減速箱、汽車變速器等)的設(shè)計過程中，人們往往只注重功能的實(shí)現(xiàn)和工作的可靠性，很少關(guān)心整個機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲問題。但隨著人們對工作和生活環(huán)境舒適度要求的不斷提高，噪聲問題也隨之愈發(fā)凸顯出來。例如，作為國內(nèi)最大的汽車變速器供應(yīng)商——上海汽車股份有限公司，我們在考核新開發(fā)產(chǎn)品時的兩個最主要參數(shù)就是疲勞壽命和運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲，甚至對變速器的每一個檔位都有具體的噪聲要求(見下表)。 上海通用賽歐轎車五檔手動變速器各檔噪聲要求 檔位 最大噪聲(轉(zhuǎn)速1400 r。minl┙)/dB 一檔 82 二檔 82 三檔 79 四檔 77 五檔 77 六檔 82 空檔 77 本文從齒輪傳動的特性出發(fā)，分析了設(shè)計、加工各環(huán)節(jié)中與噪聲產(chǎn)生密切相關(guān)的各種主要因素，并對其加以總結(jié)歸納，從而得出一系列經(jīng)驗(yàn)性的方法和思路。 齒輪傳動系統(tǒng)的噪聲分析 為從設(shè)計角度出發(fā)降低齒輪傳動系統(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，由于沖擊而使齒輪產(chǎn)生很大的加速度并會引起周圍
& u7 X+ s0 q" F7 W* C介質(zhì)擾動，由這種擾動產(chǎn)生的聲輻射稱為齒輪的加速度噪聲。另一方面，在齒輪動態(tài)嚙合力作用下，系統(tǒng)的各零部件會產(chǎn)生振動，這些振動所產(chǎn)生的聲輻射稱為自鳴噪聲。 對于開式齒輪傳動，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、傳動軸等處輻射出來。對于閉式齒輪傳動，加速度噪聲先輻射到齒輪箱內(nèi)的空氣和潤滑油中，再通過齒輪箱輻射出來。自鳴噪聲則由齒輪體的振動通過傳動軸引起支座振動，從而通過齒輪箱箱壁的振動而輻射出來。一般說來，自鳴噪聲是閉式齒輪傳動的主要聲源。 因此，齒輪系統(tǒng)的噪聲強(qiáng)度不僅與輪齒嚙合的動態(tài)激勵力有關(guān)，而且還與輪體、傳動軸．軸承及箱體等的結(jié)構(gòu)形式、動態(tài)特性以及動態(tài)嚙合力在它們之間的傳遞特性有關(guān)。一般來說，齒輪系統(tǒng)噪聲發(fā)生的原因主要有以下幾個方面： (1)齒輪設(shè)計方面 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。 (2)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。 (3)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?(4)其他方面輸入扭矩。負(fù)載扭矩的波動，軸系的扭振，電動機(jī)及其它傳動副的平衡情況等。 齒輪傳動的減噪聲設(shè)計 基于以上分析，本文將重點(diǎn)從齒輪設(shè)計、齒輪加工以及輪系及齒輪箱三個方面展開詳細(xì)討論。 1.齒輪設(shè)計方面 (1)齒輪的類型和材料
' x, x& e) Q* T, l+ w7 c$ C, t①齒輪的類型從傳動平穩(wěn)、噪聲低的角度出發(fā)，斜齒圓柱齒輪同時接觸的齒對多．嚙合綜合剛度的變化比較平穩(wěn)。因此振動噪聲可能比同樣的直齒圓柱齒輪低，有時可低到大約12dB。 對于人字齒輪，由于要求嚴(yán)格對中，微小的誤差或唐損不均都可能影響人字齒輪的均載和傳動平穩(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。熱處理和潤滑方式等均會對系統(tǒng)噪產(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。 齒輪熱處理對噪聲也有影響．例如，齒輪淬火后衰減性能變壞，噪聲會增加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)闈櫥陀凶枘嶙饔茫煞乐箛Ш淆X面直接接觸。采用油浴潤滑時，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，由于輪齒嚙合的動態(tài)激勵主要是輪齒的彎曲變
+ Z8 O5 s% K, [ g/ c/ U/ u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)可減小輪齒的動態(tài)激勵，從而降低噪聲。 但是在傳遞載荷較小或空載時，情況就有所不同了。此時輪齒誤差的影響會遠(yuǎn)大干輪齒變形，我們就應(yīng)從齒乾加工誤差的角度來考慮模數(shù)大小對噪聲的影響．例如，齒距誤差△P可按下式求得： △P＝C1 +C2M+C3 ` ⒈ 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: △f＝C4M+C5 式中C4，C5為有關(guān)常數(shù)。 由(1)(2)兩式可以看出，上述兩項誤差直接與模數(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，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，可按下式計算： WR＝O.06pW2R2／πC3(6+0.85RP)2xF2 (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, }# @2 V9 O4 @6 t$ c0 q! g$ z
ω——角頻率 C——常數(shù) 由(3)式可知，隨著四板直徑的增大，噪聲將急劇增加。因此，設(shè)計齒輪時，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的噪聲。 首先，增大重合度可以減小單對輪齒的負(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，隨著接觸齒對的增加，單對輪齒的傳動誤差被均化，從而減小了輪齒的動態(tài)激勵。此外，幾乎所有的對齒輪噪聲有影響的輪齒參數(shù)，實(shí)際上都是由于他們對重合度的影響而起作用的。例如，對于重合度為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，也降低了動態(tài)激勵，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)螺旋角較大時其降噪效果較螺旋角較小時要差。這是因?yàn)槁菪谴髸r，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、傳動軸和箱體的變形會使輪齒在嚙入和嚙出時產(chǎn)生干涉和沖擊，引起強(qiáng)烈的振動和噪聲．為此，可采用進(jìn)行修形、整形和變位的方式對嚙合變形進(jìn)行補(bǔ)償達(dá)到降低振動和噪聲的目的。- D" F; ]! N& z0 S& _, g0 H
齒輪加工方面 1．齒輪精度方面 齒輪的加工精度對齒輪系統(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。 在各單項輪齒誤差中，齒形誤差對噪聲的影響最大。齒形誤差大，則齒輪噪聲大，但兩者間并非簡單的線性關(guān)系。因?yàn)樵肼暤拇笮。粌H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)隙對噪聲的影響，一般說來，如果側(cè)隙過小，噪聲會急劇增大，而側(cè)隙稍大些對噪聲的影響并不大。 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。 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)對齒輪系統(tǒng)的噪聲有重要影響。首先，在輪齒動態(tài)激勵力作用下，輪體作為一個彈性體會產(chǎn)生振動并輻射噪聲。其次，作用在輪齒上的動態(tài)激勵力會通過輪體傳給傳動軸，并進(jìn)而傳至軸承和箱體。再則，輪體的結(jié)構(gòu)還會影響輪齒嚙合過程的傳遞誤差，反過來又會影響動態(tài)激勵力的大小。 為此，我們可以從減少齒輪體噪聲輻射及減小齒輪體振動的傳遞兩方面來降低噪聲。 (1)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: `: z! y5 p; w6 B2 T7 ]
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)減小齒輪體振動的傳遞 對此，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衰減材料來增大齒輪的阻尼效應(yīng)，從而減小振動的傳遞，來降低噪聲． 2．軸系結(jié)構(gòu)方面 可以防止傳動軸的偏斜，井通過軸系的設(shè)計，控制多級齒輪傳動中各嚙合激勵的相位關(guān)系，來達(dá)到降低噪聲的目的。 3．箱體結(jié)構(gòu)方面 齒輪箱體是一個典型的彈性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，它在軸承動載荷作用下產(chǎn)生振動，輻射噪聲，因此合理設(shè)計箱體的結(jié)構(gòu)和振動特性，將有助于降低齒輪系統(tǒng)的噪聲。 例如，設(shè)計時以箱體薄壁的振動最小為目的，以頻率約束、應(yīng)力約束、幾何約束等為約束條件，使箱壁振動在動態(tài)激勵作用下最小，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。對于較大面積的薄壁，應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)筋，以減少振動噪聲的幅度。 |
發(fā)表于 2008-5-9 10:50:41
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