谈谈齿轮传动中的减振降噪
发布时间：2015-01-26邓小君1 杨自明2
（1.河南职业技术学院，河南郑州 450004；2.河南省劳动厅，河南郑州 450003）
关键词：齿轮传动；振动与噪声；机理；减振降噪途径
0 引言
齿轮传动是依靠轮齿之间的交替啮合来完成动力传输的。在齿轮啮合过程中，由于轮齿制造、安装误差等因素的存在，不可避免会引起冲击、振动和噪声，并影响其工作精度。随着对机械传动在高速、大功率、轻量、小型、高效、高可靠性以及环保等方面要求的不断提高，齿轮的振动噪声问题日益突出，解决此问题日趋迫切。因此，本文拟对齿轮传动过程中振动噪声产生的机理进行分析，并提出一些减振降噪的途径和有效方法。
1 齿轮传动中振动噪声的产生在齿轮啮合时，由于轮齿存在制造、安装误差和轮齿受力变形，使实际齿廓发生偏离，从而产生随时间变化的动态啮合力，必然导致振动和噪声。即使一对理论上完全共轭、无制造安装误差的齿轮啮合时，也会由于轮齿间的同时啮合对数、啮合位置、瞬间传动比的不断变化，使得轮齿刚度发生变化，进而引起轮齿在啮合过程中产生参激振动而向外辐射噪声。这些内在因素就成为齿轮传动中振动噪声产生的主要原因。
对于渐开线圆柱齿轮传动，产生振动噪声的激励源主要有以下几个方面：（1）啮合刚度的变化；（2）传动误差；（3）轮齿的啮入、啮出的冲击；（4）动态啮合力；（5）由于摩擦力方向的改变而产生的节点冲击。
在以上5种激励源中，Z主要的是啮合刚度的变化和传动误差的影响。在目前的齿轮动态特性研究中，人们大多关注啮合刚度的变化所产生的振动噪声，而对传动误差的研究较少。传动误差是任一瞬时输出齿轮的实际位置和理论上完全共轭啮合时输出齿轮位置之差，此差值可用角度计量或用沿啮合线方向的线性位移来表示。它是有关制造、安装误差及轮齿变形等因素综合作用的结果。在齿轮传动中，近似于锯齿波的传动误差，作为一种位移激励源影响齿轮的振动特性，引起动力学方程中的强迫激励项不连续，从而产生较大的振动噪声。因此，对其进行研究是很有必要的。研究结果表明：时变啮合刚度和传动误差对齿轮动态特性的影响随齿轮转动速度的不同而发生变化，在低速运转时，啮合刚度的变化所导致的振动噪声较大；而在高速运转时，则是传动误差所导致的振动噪声较大。
2 减振降噪的有效途径
为了减少齿轮传动系统中的振动和噪声，通常有以下几个方面的途径。
2.1 齿轮材料方面的减振降噪
减振材料的应用是被人们较为重视的减少机械振动和噪声的一种手段。
（1）减振金属材料的振动衰减性能好，对于减小振动和降低噪声较为有效。目前，球墨铸铁由于其较好的减振性能而被广泛用于齿轮制造中。在球墨铸铁材料中，珠光体—铁素体双基体的球墨铸铁比单一珠光体基体的球墨铸铁的减振性好，因为铁素体基体硬度低、组织结构松散、内应力小，当受到外激产生振动时能吸收较好的能量。球墨铸铁材料作等温淬火处理获得上贝氏体基体，不但其减振性能较好，而且具有较高的综合力学性能。
另外，国内80年代初期就已研制成功了高阻尼低噪音的铁基合金。它具有与国外应用Z广泛的Mn-Cu系实用合金相当的阻尼系数，并在300℃时仍具有高阻尼特性。
（2）在某些强度要求不高的场合，可大胆使用非金属材料作为齿轮材料。例如可采用内耗较大的高分子工程材料（如聚酰胺、聚酰亚胺等）代替钢材来降低齿轮的振动和噪声。也可在一对啮合齿轮中，一个齿轮（通常为小齿轮）采用非金属材料制作，而另一个（通常为大齿轮）采用金属材料制作。
（3）国外还采用向钢质齿轮环槽内灌注聚胺脂阻尼橡胶的方法。这种方法可有效降低金属齿轮的噪声，使齿轮噪声下降5分贝左右。
2.1 齿轮参数方面的减振降噪
在进行齿轮设计，选择齿轮参数时，应利于降低齿轮传动的噪声。
（1）齿轮齿数的选择应以多齿数为好。即在其中心距确定后，在满足弯曲疲劳强度的前提下尽量增加齿数。因为多齿数齿轮模数较小，不仅能降低齿轮的加工成本，更重要的是能增加重合系数，从而降低振动和噪声。
（2）采用斜齿轮并合理增大螺旋角。要降低齿轮传动噪声，首先应考虑采用斜齿轮。而且在允许的条件下合理增大螺旋角，这样可增加重合系数，增加啮合线长度，使单位啮合线上的载荷减小。一般认为螺旋角应小于16°，否则会使轴向分力过大而引起较大的温升。但在较小运动功率条件下，螺旋角可略大些，其降噪效果明显，且温升仍较小。如美国产轿车上的斜齿圆柱齿轮，其螺旋角的Z大值已超过30°。
相对直齿轮而言，采用斜齿轮并增大螺旋角，可使降噪量达20分贝。
（3）改变齿宽也能达到减少振动的目的。但对不同类型的齿轮，这种作用差别较大。研究结果表明：对双圆弧齿轮传动，在轴向重合度一定时，减小齿宽，可降低噪声；因轴向重合度减小，随之而来的齿宽减小，在一定范围内噪声也可降低。对于渐开线直齿轮，增大齿宽则单位齿宽载荷减小，可降低噪声，但同时却增加了对轴的变形和安装误差的敏感度，易于发生偏载。
（4）适当减小压力角，可降低轮齿啮合刚度和增大重合度，亦可起到降低噪声的作用。
应该指出，以上各改进措施有时是互相制约的，其联合应用可能会产生新的问题，并非一定能起到良好的减振降噪效果。
2.3 齿轮结构方面的减振降噪
（1）齿轮应尽量避免采用实心结构，而应设计成薄腹板式。亦即只要强度能满足要求，齿轮应尽量减轻重量，这样，可降低齿轮的固有频率，从而降低啮合噪声。
（2）在齿轮传动系统向外辐射的噪声中，齿轮箱体辐射的噪声占着主要成份。应用结构动力学的理论和方法研究改进齿轮箱体结构，以达到减振降噪的目的是非常有意义的。
（3）轴承作为齿轮传动系统中的弹性耦合元件，也是影响其振动和噪声的一个重要因素。试验结果表明，采用滑动轴承代替普通滚动轴承，齿轮噪声会有比较明显的降低。另外，采用具有柔性支承的自位式推力轴承，由于其受力和传递动支承力效果较好，因此，可以降低轴承的支承载荷，从而减少振动和噪声。
2.4 齿轮加工装配质量方面的减振降噪
（1）一般来说，提高齿轮表面精加工质量，能够降低其传动过程中所产生的振动噪声。它和精加工方法有关，例如剃齿加工的齿轮所产生的振动噪声就低于磨齿和抛光加工的齿轮。
（2）装配质量对齿轮传动噪声也影响较大。选用同一台机床加工出来的左、右旋齿轮组装，就有利于降低噪声。装配时要特别注意消除端面毛刺，因为端面毛刺在啮合过程中直接产生噪声。有条件者可对齿廓修缘，以便降低噪声。
（3）对采取了上述措施仍不能达到要求，又无条件提高加工精度时，模拟工作状况的跑合是Z有效、Z廉价的办法，缺点是较为费时。跑合时，在啮合区涂上研磨膏，然后分别正、反转10～20h，并注意不要让研磨膏进入轴承部位以免轴承磨损。跑合后，应清洗干净，不留研磨膏和磨屑。实践中采用这种方法，可使齿轮噪声由78分贝降至73分贝，效果明显。