齒輪箱是機(jī)械傳動(dòng)中廣泛應(yīng)用的重要部件，一對(duì)齒輪嚙合時(shí)，由于不可避免地存在著齒距、齒形等誤差，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生嚙合沖擊而發(fā)生與齒輪嚙合頻率相對(duì)應(yīng)的噪聲，齒面之間由于相對(duì)滑動(dòng)也發(fā)生摩擦噪聲。由于齒輪是齒輪箱傳動(dòng)中的基礎(chǔ)零件，降低齒輪噪聲對(duì)控制齒輪箱噪聲十分必要，本文就齒輪噪聲產(chǎn)生原因及在設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中應(yīng)采取的措施作一探討。
齒輪噪聲產(chǎn)生機(jī)理
嚙合齒輪節(jié)點(diǎn)的脈動(dòng)沖擊
一對(duì)漸開(kāi)線齒輪在傳動(dòng)過(guò)程中，各對(duì)齒輪的接觸點(diǎn)所走的軌跡始終在嚙合線上連續(xù)地依次運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖1所示。
圖1中，輪O1為主動(dòng)齒輪，以角速度ω1順時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn);輪O2為被動(dòng)齒輪，以角速度ω2按逆時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)，兩齒輪從嚙合起點(diǎn)A開(kāi)始嚙合，隨著傳動(dòng)的進(jìn)行，兩齒廓的嚙合點(diǎn)將沿著嚙合線NN移動(dòng)，當(dāng)嚙合進(jìn)行到主動(dòng)輪的齒頂圓與嚙合線交點(diǎn)C時(shí)，兩輪齒即脫離接觸。齒輪副在嚙合過(guò)程中，相同的基圓展開(kāi)角所對(duì)應(yīng)的漸開(kāi)線弧長(zhǎng)是不相等的，因此，產(chǎn)生齒面相對(duì)滑動(dòng)，并且整個(gè)嚙合線上齒廓間相對(duì)滑動(dòng)速度的大小將隨嚙合點(diǎn)位置不同而改變。其中以嚙合起始點(diǎn)A和終止點(diǎn)C的相對(duì)滑動(dòng)速度為最大，在節(jié)圓切點(diǎn)B上相對(duì)滑動(dòng)速度最小接近于零。在節(jié)圓切點(diǎn)B的相對(duì)滑動(dòng)方向開(kāi)始改變，由于嚙合齒面上存在著相對(duì)滑動(dòng)，則必將產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力，當(dāng)相對(duì)滑動(dòng)速度方向在B點(diǎn)改變時(shí)，摩擦力方向也開(kāi)始改變，由于摩擦力的大小與方向改變，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)上發(fā)生了力的脈動(dòng)，其大小與持續(xù)時(shí)間與齒輪嚙合時(shí)的傳動(dòng)力、齒輪間的摩擦系數(shù)和相對(duì)滑動(dòng)速度與回轉(zhuǎn)速度成正比。因此，齒輪的傳遞功率越大，轉(zhuǎn)速越高，齒輪表面粗糙度越差，則節(jié)點(diǎn)脈動(dòng)沖擊也就越大，這種脈動(dòng)沖擊使齒輪產(chǎn)生震動(dòng)并伴有摩擦聲，所以對(duì)一對(duì)“理想”的齒輪來(lái)說(shuō)，在嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的脈動(dòng)沖擊是難以避免的，這使齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生震動(dòng)與噪聲。
齒輪的嚙合沖擊
一對(duì)齒輪在嚙合過(guò)程中，由于輪齒受力后必將產(chǎn)生一定程度的彈性變形，因此，每當(dāng)一個(gè)輪齒嚙合上時(shí)，原來(lái)嚙合的輪齒的載荷就會(huì)相對(duì)減少，它們就會(huì)立即向著載荷位置恢復(fù)變形，從而給齒輪體一個(gè)切向加速度，再加上原有嚙合輪齒在受載下的彎曲變形，使新嚙合的輪齒不能得到設(shè)計(jì)齒廓的平滑接觸而發(fā)生碰撞，形成所謂“嚙合沖擊力”，齒輪在這種激振力作用下，也將激發(fā)起齒輪的周向振動(dòng)、徑向振動(dòng)、軸向振動(dòng)，從而產(chǎn)生出噪聲并通過(guò)空氣及固體媒介傳播出去。因此齒輪嚙合過(guò)程中所產(chǎn)生的脈動(dòng)沖力和嚙合沖力使一對(duì)傳動(dòng)齒輪產(chǎn)生振動(dòng)，從而輻射出噪聲。
齒輪設(shè)計(jì)的降噪措施
采用細(xì)高齒
在保證齒輪強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，采用盡可能大的齒高系數(shù)，這不但可以增大重合度，而且由于齒根減薄，增加了輪齒的柔性，因而更容易吸收輪齒的震動(dòng)，但也要注意增大齒高系數(shù)限制的條件：
1)齒輪的齒頂寬不能小于0.3mn;
2)與相嚙合的齒輪的齒根和齒頂不發(fā)生干涉。德國(guó)某品牌公司的一種工程機(jī)械變速器，輸入傳動(dòng)鏈(速度較高端)的齒輪由原來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)齒高改為細(xì)高齒，模數(shù)由原來(lái)的4mm改為3.5mm，工作齒高由2mn改為2.5mn，齒輪的重合度由εα=1.42增加到2.12，從而使變速箱的噪聲降低了3dB～6dB。
改變模數(shù)和齒數(shù)
齒輪的剛性一般隨著模數(shù)的增大而增強(qiáng)，對(duì)于傳遞功率較大的齒輪，齒根彎曲變形是主要影響因素，宜選用較大模數(shù)。模數(shù)越大，噪聲越小。而對(duì)于一般載荷不大的齒輪，應(yīng)盡可能選用較小模數(shù)，因?yàn)榇藭r(shí)的加工誤差是主要的影響因素，而且模數(shù)小可增加齒數(shù)，使重合度增大，有利于提高傳動(dòng)平穩(wěn)性，降低噪聲。模數(shù)和齒數(shù)都對(duì)嚙合系統(tǒng)的自振頻率有影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。
增大重合度和變位
重合度越大，齒輪傳動(dòng)越平穩(wěn)，越有利于降低噪聲。故應(yīng)優(yōu)先選用斜齒輪傳動(dòng)。主動(dòng)齒輪進(jìn)行正變位可使齒輪齒頂嚙合線段變長(zhǎng)，同時(shí)增大齒輪剛度，有利于降低噪聲。齒輪變位系數(shù)的確定是齒輪設(shè)計(jì)中非常重要的因素。它即影響齒輪的強(qiáng)度，又影響齒輪的嚙合噪聲。而一般的設(shè)計(jì)手冊(cè)均以齒輪強(qiáng)度平衡為出發(fā)點(diǎn)作為選擇變位系數(shù)的依據(jù)，沒(méi)有以降低噪聲為指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。
齒廓修形
受載時(shí)輪齒即要發(fā)生變形，實(shí)際齒形與理論齒形就有誤差。它對(duì)承載能力和噪聲性能的不良影響可以通過(guò)齒廓修形和齒向修形來(lái)減少。齒頂、齒根修形可降低嚙入、嚙出沖擊，齒端修形有利于油膜形成且均載效果好，均利于降低噪聲。但無(wú)論哪種形式都會(huì)降低重合度(程度較小)，若修形量不適當(dāng)將加大噪聲。
齒廓修形
齒廓修形分為修緣和修根。齒廓修形即有意識(shí)地修削齒廓，使齒廓形狀偏離理論齒廓。修緣即在齒頂附近對(duì)齒廓形狀進(jìn)行有意識(shí)的修削;修根即在齒根曲面附近對(duì)齒廓形狀進(jìn)行有意識(shí)的修削。齒形誤差對(duì)噪聲的影響最大，理論和實(shí)踐都證明，齒頂具有較大的正偏差時(shí)(即齒形凸起)和齒面中凹時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生刺耳的尖叫聲。當(dāng)齒輪嚙合時(shí)輪齒有彎曲變形和齒輪本身具有齒形誤差和齒距誤差，將導(dǎo)致齒輪嚙合時(shí)的瞬時(shí)沖擊，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。因此，為了減少齒輪在嚙合時(shí)由于齒頂凸出而造成的嚙合沖擊，使齒輪均勻而圓滑地傳動(dòng)，將齒頂?shù)母缮娌糠智谐葱蘧墸鐖D2所示。但嚙合誤差會(huì)降低齒頂修形的作用，因此在進(jìn)行齒頂修形時(shí)，齒輪精度應(yīng)達(dá)到7級(jí)，至少高于8級(jí)。但是要注意，修形量太大有時(shí)甚至比不修形還要不利。
齒向修形
齒向修形即有意識(shí)地沿齒線方向微量修削齒面，使齒面形狀偏離理論上的齒形，分為齒端修薄和鼓形修整。齒端修薄即對(duì)輪齒的一端或兩端，在一小段齒寬范圍內(nèi)，按照朝齒端逐漸加大削薄量的要求，將齒厚予以削薄;鼓形修整即采用齒向修形(或同時(shí)采用齒廓修形)的辦法，使輪齒在齒面中部區(qū)域與相嚙合齒面接觸。齒輪傳動(dòng)由于受制造和安裝誤差，齒輪傳遞功率時(shí)輪齒產(chǎn)生變形，使載荷沿齒寬方向分布不均勻，出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，為了提高輪齒的承載能力，提高齒輪的接觸精度，使齒面負(fù)荷均勻，采用齒向修形的辦法。為了加工方便常采用齒端修薄的方法，如圖3所示。使齒面成鼓形，這樣在嚙合時(shí)，輪齒接觸處于中部，減小了由于接觸精度不好造成的噪聲。
齒面粗糙度
齒面粗糙度是影響噪聲的重要因素，粗糙度越大，齒輪傳動(dòng)時(shí)摩擦力矩越大，噪聲越大，齒面磨損也越快。特別是主動(dòng)齒輪的節(jié)圓以下的齒部和從動(dòng)齒輪節(jié)圓以上的齒部。
接觸率
齒輪嚙合接觸率越大，單位齒面承受力(壓強(qiáng))就越小。輪齒變形就越小，有利于降低噪聲。
精度等級(jí)
輕載時(shí)嚙合誤差與安裝誤差起主要作用，重載時(shí)變形的影響大于嚙合誤差而使嚙合誤差對(duì)噪聲的影響較小。因此，提高齒輪加工的精度等級(jí)也是一條降低齒輪噪聲的重要措施。
齒距偏差、基節(jié)偏差以及嚙合角偏差
這些偏差都能加大輪齒嚙合過(guò)程中的剛度變化。由齒距偏差激起的震動(dòng)是伴隨著齒輪嚙合頻率而產(chǎn)生的，相互嚙合的輪齒齒距偏差彼此之間或相互增強(qiáng)或相互抵消。對(duì)產(chǎn)生噪聲起決定性作用的是各單項(xiàng)誤差的綜合作用。基節(jié)偏差既反映齒廓傾斜偏差ΔfHα(齒形角誤差)，又反映了齒距偏差Δfpt。當(dāng)主動(dòng)輪為標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線，被動(dòng)輪有正基節(jié)偏差Δfpb時(shí)，齒輪進(jìn)入嚙合時(shí)會(huì)發(fā)生沖擊;相反，當(dāng)被動(dòng)輪有負(fù)基節(jié)偏差時(shí)，它不再在齒頂進(jìn)入嚙合，而是在齒輪齒廓中部的某一點(diǎn)進(jìn)入嚙合，這種情況嚙入沖擊要比有正基節(jié)偏差時(shí)嚙入沖擊要小。主、被動(dòng)齒輪都有基節(jié)偏差時(shí)，可以將主、被動(dòng)齒輪的基節(jié)偏差之差作為總的基節(jié)偏差作同樣的處理，并且可以把齒輪加載后彈性變形也作為基節(jié)誤差類似處理。我公司比較廣泛地使用了這種在齒輪加工中注意基節(jié)誤差控制的方法來(lái)降低噪聲，取得比較好的效果。但也要注意基節(jié)偏差取得適當(dāng)。如我公司有一對(duì)齒輪，當(dāng)主動(dòng)齒輪的齒廓傾斜偏差fHα為+0.018，被動(dòng)齒輪的齒廓傾斜偏差fHα為-0.035時(shí)，產(chǎn)生比較大的噪聲，而當(dāng)把主動(dòng)齒輪的齒廓傾斜偏差fHα返修為+0.005時(shí)，噪聲情況有很大改善。
齒距累積誤差 齒輪嚙合過(guò)程中齒距累積
誤差每周出現(xiàn)兩次(一正一負(fù))，使齒輪發(fā)生擺動(dòng)。相互嚙合輪齒所產(chǎn)生的擺動(dòng)增強(qiáng)或減弱而產(chǎn)生不同程度的噪聲。輪齒的分度誤差也會(huì)增強(qiáng)噪聲。2.7.3 齒形誤差與齒圈徑向跳動(dòng) 齒形誤差與齒圈徑向跳動(dòng)在輪齒每次嚙合中通常能引起多次沖擊振動(dòng)，特別是在直齒嚙合時(shí)會(huì)大大提高噪聲。
齒輪制造的降噪措施
圓柱齒輪常用的加工工藝方案為滾磨工藝或滾剃工藝。滾齒時(shí)齒輪的齒形精度不僅取決于滾刀精度、機(jī)床精度，而且與安裝精度有著密切的關(guān)系，如果機(jī)床與滾刀的精度得到保證，則滾刀的安裝精度顯得尤其重要。滾刀安裝精度越高，齒形誤差值就越小。
齒輪加工的方式對(duì)齒輪的噪聲也有影響。如在噪聲性能要求相同時(shí)，剃齒齒輪的精度可比磨齒的齒輪精度低1級(jí)～2級(jí)。
綜合上述，為降低噪聲應(yīng)選用適當(dāng)?shù)哪?shù)、齒數(shù)、變位系數(shù)，進(jìn)行齒廓修形，提高齒輪精度，合理地控制基節(jié)差;加工過(guò)程中注重選用合適的工藝手段等。另外，采用合適的熱處理方法，合理設(shè)計(jì)箱體結(jié)構(gòu)，選用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑油，提高齒輪裝配精度也能有效地降低噪聲。
