20181128齿轮低噪声设计

齿距偏差激起伴以轮齿频率的振动。它们可以彼此增强或相互抵消。 对噪声起决定性作用的是各单项误差的综合作用，这同一齿切向综合偏 差与齿宽方向的接触斑点中所表现的是一样的。 在频率分析中，在周向不规则的齿距偏差或基齿距偏差可以通过轮 齿频率的边带（其距离等于旋转频率或旋转频率的倍数）和分度噪声的 扩散方式识别出来。
4.2齿轮参数的低噪声设计
由以上齿轮噪声源的分析可知，许多产生噪声的原因都和齿轮精度有 关，因此提高齿轮的设计和制造精度是降低齿轮噪声的重要手
段。
但是，仅提高齿轮的制造精度还不够，因为即使是完全精确无误差的 齿轮，轮齿受力后有变形，啮合时存在着载荷突变，造成不同瞬间的变 形差异，仍然会引起冲击振动和噪声。因此齿轮参数设计时要经尽可能 减小轮齿啮合过程中的载荷波动和载荷突变量，提高运行的平稳性。 齿轮参数的低噪声设计主要解决载荷波动和减小波动的幅度问 题。齿轮参数的设计也影响齿轮的啮合频率，影响转子的固有频率和共 振性能，这一点本节暂不讨论。
对主动小齿轮进行正变位，使齿顶啮合线段变长，增加啮出拖滑段长 度，对降低噪声有显著作用。 采用较小模数的齿轮会因以下因素对降低噪声有利：可增大端面重合 度；在同样精度等级的情况下，啮合误差小；对于斜齿轮来讲，还可以 增大轴向重合度，因此更显有优越性。
用斜齿轮代替直齿轮可以达到明显降低噪声的目的，用小轿车齿轮 所作的试验表明，直齿轮啮合和ε β ＞1的斜齿轮啮合之间的噪声差别可 达15dB(A)。因此，对于精密的重载齿轮，只有从直齿啮合转向斜齿啮合， 才能在一个较宽的工作范围内明显的降低升声压级。精确的斜齿啮合有 点像宽频带的噪声，几乎不会从中出现分度噪声，螺旋角与轴向重合度 越大，这种情况越明显。但对于直齿轮，则与之相反，随轮齿频率及其 倍数明显的产生分度噪声，它进一步决定了噪声水平。此外，明显的分 度噪声在感觉上是特别使人不能忍受的。
（14）轴承运转时产生的噪声，轴承质量差时往往会引起齿轮啮合产生 奇异的噪声。 滚动轴承因不规则的轴承元件、摩擦、受力后变形、不对中、滚动 体的歪斜和卡咬、风阻等都会产生噪声。但是受力后的变形和不对中是 主要原因。 对于振动的进一步传递来说，轴承的作用是特别重要的。滑动轴承的 润滑油膜起着减振元件的作用。对于滚动轴承，预紧力是特别有利的。
伴随以轮齿频率出现的螺旋线形状偏差，例如由铣刀振摆而产生的偏 差，将导致伴以轮齿频率或其倍率的分度噪声的提高。对于斜齿轮，当 分度较精确时，沿齿廓斜向分布的接触线弥补了表面上的凹痕，螺旋线 形状偏差的影响要小一些。
（4）由于机床的误差，会在被加工齿轮的齿面上产生波度。对于宽斜齿 轮波度是齿面周期性波纹度，表面加工纹理接近平行于（同相啮合齿轮 的）接触线，它会引起传动误差，齿轮啮合时会出现一个高音的刺耳声。 其噪声频率与齿轮加工机床的传动蜗轮齿数有关，与齿轮本身齿数无关。 这种波度对透平齿轮的噪声性能起着特别不好的作用。这是高速齿轮的 主要噪声源之一。其噪声脉冲频率为 fm=n zW/60 Hz （37）
一对齿轮的振动用一个经过简化的振动模型表示后，就可以当作自成 体系的振动系统来看待。该系统由于轮齿刚度的周期性变化，啮合误差 以及载荷传递的不均匀性等引起振动，而且以其基本频率（例如旋转频 率、轮齿啮合频率）和基本频率的整倍数振动。振动能分成弯曲振动和 扭转振动两种形态。但对于噪声散射来说，其决定作用的几乎毫无例外 地都是支撑在轴承上的弯曲振动，这是因为，只有这种力才能传向箱体。 如果激振频率和自振频率重合，则形成共振，振幅和噪声都会大大增 加。必须改变设计，使工作转速不至于落入共振区内。 轮齿的激振可以归于以下原因而产生啮合冲击： •制造误差（齿距偏差，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ廓偏差和螺旋线偏差，箱体轴承孔平行度偏差 等）； •受力元件（齿轮、箱体、轴、轴承等）的变形； •运转产生的温度变形； •轮齿啮合过程中的载荷突变； •轮齿啮合过程中的刚度变动。 以上因素均会引起齿轮的齿距改变（偏离理想齿距值）。当主动轮的 齿距小于从动轮的齿距时，就会产生啮入干涉冲击；当主动轮的齿距大 于从动轮的齿距时，就会产生啮出干涉冲击（图34）。啮入冲击和啮出 冲击都会激起轮齿频率fz的振动。
4.齿轮装置的低噪声设计
齿轮装置的降噪设计有2条路径：控制噪声源，控制噪声传播路径。 降低声源的噪声是要改变设计和制造质量；控制噪声传播路径包括阻止 干扰噪声传递和改变噪声传播方向。
4.1影响齿轮噪声的主要因素，噪声源 齿轮装置有多种噪声源,但是最主要的是齿轮噪声,我们作为重点讨论。 齿轮噪声主要是轮齿啮合时的冲击和角速度不均匀造成振动而引起的。 激发噪声和振动的起因总是联系在一起的，只是能量传播和表现的形式不同， 齿轮运转产生的空气振动以空气波的形式往外传播，频率在人类听觉范围内 的空气波就是通常所说的声波，令人不悦的声波就是噪声；而通常所说的振 动是齿轮运转产生的箱体或轴等零部件的机械振动，以零部件的振幅或振动 速度或加速度的形式显现。 噪声首先在轮齿啮合处激发。在绝大多数情况下，轴承噪声退居其次。 整个噪声只有一小部分直接通过空气以声波形式传到箱壁，大部分噪声（约 90～95%）作为振动能沿轴和轴承传到箱壁上，然后从箱壁上通过空气以声 波形式向外散射，还有一部分振动能通过轴传向驱动装置或输出装置，并从 这些驱动装置或输出装置处向外散射。反过来，驱动装置或输出装置的振动 能也可传向齿轮传动，然后作为噪声从齿轮箱体往外散射。
在选择斜齿轮参数时，ε β 不应小于0.8；对于鼓形齿，ε β 不应小 于1.2。要有7级以上的精度，否则即使是斜齿轮，啮合误差也会导致刚 度突变，使噪声性能变坏。而且当总重合度ε α ＋ε β ＞2.5时，端面重 合度和轴向重合度就影响很小了。
⑵对斜齿轮，当ε β ＜1.0时，要尽量使ε β =1.0～1.1；当ε β ＞ 1.0时，要取ε β =1.0～1.1、ε β =2.0～2.1、ε β =3.0～3.1等略大于 整数的数值。因为当ε β =1﹑2﹑3等整数时，ε α min=ε α max=ε α ， 为定值，总有效齿宽和总接触线长度不随接触位置变化，使受载时总刚 度变化微小，有利于运行的平稳性和降低噪声。
（2）螺旋线倾斜偏差。对噪声的影响主要取决于轮齿与其配对轮齿的螺 旋角之差。它使接触斑点变短，对斜齿啮合意味着轴向重合度变小，加 大了沿齿宽载荷分布的不均匀程度。载荷较大区域的轮齿变形严重，使 刚度变化大，啮合冲击大，这种冲击伴随以轮齿频率产生。
（3）齿廓形状偏差在轮齿每一次啮合中通常能引起多次的冲击振动。特 别是能大大提高直齿啮合时的噪声水平。在频率分析中，它可以作为高 频噪声部分加以识别。根据每次啮合波动数（即冲击数）的不同，它以 相应的周期数在边带上出现。
精度、圆周速度和载荷对升压级的大致影响量： 1）精度等级和误差的影响： 在轻载时，啮合误差和安装误差起主要作用，每差一个DIN的精度等级， 声压级要约提高2.5～3dB。 重载时，变形常常大于啮合误差。因此，在DIN 4级精度及更高精度时， 啮合误差的影响是很小的。在DIN5～8级的范围内，经验的平均值是 每差一个精度等级，声压级约提高1.5～2dB。 2）圆周速度的影响：对于直齿和斜齿轮啮合，当圆周力不变时，圆周速 度加倍能使声压级提高5～6dB。 3）载荷的影响：载荷增加，会使轮齿变形增加，啮合误差加大，声压级 提高。当圆周速度不变，把圆周力从空载提高到额定值时，直齿轮由 于受载时的重合度变化，声压级有可能提高12dB左右；斜齿轮由于刚 度变化小，升压级的提高幅度小，一般在4dB左右。
齿轮噪声源有以下几个方面：
⑴齿距偏差和齿廓偏差造成啮合冲击，冲击次数等于齿轮的啮合次数， 是啮合基本频率，产生的噪声又称基频噪声 f1=n1,2·z1,2/60 Hz （36） 齿距偏差、基齿距偏差及基圆偏差或啮合角偏差都会加大啮合过程中 的刚度变化。此外，凸出于理论渐开线之外的工作齿廓部分（偏向体外） 在进入啮合是会导致很大的啮入冲击。
式中zW是旋转工作台分度轮的齿数。在非整数周期中，它在频率谱中 以边带出现。当fm与轴的旋转自振频率共振时，fm起着非常不利的作用。 （其对策为提高机床分度精度，跑合研磨，反复休整受载荷较大的部 位。）
(5) 偏心、齿距累积和齿距突变等偏差所产生的频率为转速或其倍率的 噪声，这是一种低频噪声。 fn= n1,2/60 ；2 fn；3 fn Hz （38） 齿圈径向跳动和齿距累积偏差，或是其他与转速合拍的轮齿、联轴器 等的偏差，都能产生伴随以旋转频率fn的冲击。它们在低转速时以振动 的形式表现出来，在高频率的范围内才表现出噪声的形式。在频率谱中， 它们可由轮齿频率的边带上看出来。
轮齿啮合产生的噪声可归结于以下4种： 1) 轮齿啮合过程中的刚度变动引起的振动冲击。轮齿刚度是随轮齿频率 fz=nz/60周期性的变化的，它引起的激振烈度取决于轮齿啮合过程中 刚度的变化。 2) 由啮入冲击和啮出冲击都会激起轮齿频率fz的振动。载荷越大，圆周 速度越高，这种激振就越强烈，（而由轮齿刚度变化引起的激振则与 速度无关）。 3) 由摩擦力换向冲击激起的振动。它由节点处的摩擦力改变而引起，烈 度与轮齿啮合频率相关。它可以通过用斜齿啮合补偿摩擦力的换向或 节点外变位啮合来减小或避免。 4) 摩擦噪声，它由载荷在齿廓上的滑动摩擦和滚动摩擦引起。 对于传递功率的传动。圆周速度低（小于1m/s）时，摩擦力换向冲 击引起的声功率可占10～40%，摩擦噪声可占5～15%。在圆周速度高 时，总声功率的80～90%都是由刚度突变和啮合冲击引起的（见图）。 对于传递运动为主的精密传动，有效地端面重合度常达1左右，刚度突变 和节圆冲击和啮合冲击的作用较小，对噪声起决定性作用的是由啮合 误差引起的啮合冲击和摩擦噪声。
⑴加大端面重合度εα，可以运行平稳性的，降低齿轮的噪声。在齿 根弯曲强度满足的情况下尽量采用较小模数的齿轮。斜齿轮可采用长齿 廓齿轮。直齿轮可采用εα＞2.1的小压力角的长齿廓齿轮。 大端面重合度，即由长齿廓啮合而得到的低刚度的柔性齿，直齿轮啮 合使实际端面重合度接近理想值2，使啮合中刚度变化平稳，甚至于接近 无变化，噪声水平最多可以降低4dB(A)，这时，尤其可以降低随轮齿的 频率产生的分度噪声的水平。
（10）齿轮不平衡的离心力造成不平衡的旋转扰动力,会引起振动,对噪 声产生不利影响。
（11）当驱动频率和齿轮箱的某部件的固有频率相同时，可能出现共振。 （12）齿轮联轴器有轴交叉时，会产生与转速有关的交替频率的敲击噪 声。 f4= n/60 Hz （39） （13）齿轮高速旋转和啮合产生的高速油气流的气鸣声，这是高速齿轮 的主要噪声源之一。
（15）联轴器风阻噪声。外露的螺栓、外露孔、速度高的表面都会因风 阻产生噪声，风阻随转速成倍增大。
（16）箱体设计不良，会引起局部共鸣的气动噪声。
（17）润滑对噪声有影响。精密技术中干式运行的传动的噪声比有润滑 的高3～6dB(A)。某些一次性的润滑已得到很好的效果。油的黏度，油中 的添加剂，浸油深度（但要在可能的范围内）对传动噪声的影响不大。 （18）齿轮装置的附件，如冷却风扇，润滑系统（油泵、马达、减压阀 等）也是噪声源。
（6）一些无规则的齿距偏差将产生随同齿轮转速和齿轮与箱体共振特性 有关的变化噪声。
（7）齿面粗噪度在有些情况下会对齿轮的噪声特性产生影响。
（8）轮齿接触区不良，如调角接触，会出现低频的敲击声，这在工厂出
厂空负荷试验时经常遇到。 调角接触引起轮齿接触区振摆，其作用有如沿周向变化的螺旋线倾斜 偏差。在齿轮旋转时，最大的螺旋线偏差为每周出现2次（一次为正，一 次为负），该情况也可从声压随时间变化的曲线上看出来。 轮齿接触区不良,会造成瞬间啮合的重合度远小于理论计算的重合度 , 甚至于实际端面重合度小于1,运转不连续,引起啮合冲击. （9）齿轮啮合干涉，如小轮齿根过渡曲线和大轮齿顶干涉，小轮齿根因 为磨齿没有磨出头的残余台阶和大轮齿顶干涉等。