低噪声齿轮的设计

有可能需要同时用到几种技术的相结合 。国内外大量 实践证明 ,实施油液监控技术不仅可以减少采样和不 必要的拆装机械设备工作的巨额费用 ,还便于构成诊 断和预防性维修工作 ,及时发现机械设备的突发性故 障和对机械设备工作状态进行趋势性分析 。
参考文献 : [ 1 ] Suykens Johan A K, Gestel Tony Van, B rabanter Jos De.
次数 实际值
表 1 预测效果比较
AR (7)模型
LS2SVM 模型
预测值 绝对误差 预测值 绝对误差
46 10. 032 9. 713
0. 319
9. 993
0. 039
47 10. 153 9. 840
0. 313 10. 183 0. 030
48 10. 340 9. 977
0. 367 10. 307 0. 033
1. 齿轮精度 2. 组装精度 3. 齿面粗糙度 4. 齿轮箱形状 5. 齿轮润滑情况 6. 轴承 7. 材质 8. 齿轮的设计 9. 原动机与负载的变化 10. 运行条件 11. 轴 、轴系
12. 齿轮形状 13. 齿轮磨损 14. 碰伤和毛刺 15. 其他 图 1 齿轮噪声产生的原因
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液压与气动
2009年第 9期
低噪声齿轮的设计
张晓莉 , 林和荣
Design of Low Noise Gear
ZHANG Xiao2li, L IN He2rong
(江西理工大学 机电工程学院 , 江西 赣州 341000)
摘 要 :该文通过减小啮入冲击 ,尽量避免节圆冲击 ,在齿轮设计中运用变性创造法 ,突破变位系数 χ ≤1、齿顶高系数 h3a 只可取 1或 0. 8的常规约束 ,拓宽设计参数的取值范围 ,最终设计出低噪声齿轮 。
Least squares support vector machines [ M ]. Singapore: World Scientific Publishers, 2002. [ 2 ] 张英堂 ,任国权. 油液监控技术的现状与发展 [ J ]. 润滑 与密封 , 2000 (2) : 65 - 66. [ 3 ] 王国庆. 润滑油液监测技术现状与发展 [ J ]. 润滑油 , 2004, 5 (19) : 7 - 11. [ 4 ] 李应红 ,尉询楷 ,刘建勋. 支持向量机的工程应用 [M ]. 北京 :兵器工业出版社 , 2004. [ 5 ] 周辉仁 ,郑丕谔. 基于 GA 和 Bootstrap 的最小二乘支持 向量机 参 数 优 选 [ J ]. 系 统 仿 真 学 报 , 2008, 20 ( 12 ) : 3293 - 3296. [ 6 ] 张善文 ,雷英杰 ,冯有前. MATLAB 在时间序列分析中的 应用 [M ]. 西安 :西安电子科技大学出版社 , 2007.
主动轮转 速 ( r/m in)
500
750
1000
1500
噪声 dB
声压 声级 (A )
声压 声级 (A )
声压 声级 (A )
声压 声级 (A )
原设计
新方法
正转 反转 正转 反转
64. 5 65
61 61. 5
63 63. 5 58. 5 59
65. 5 66
62 62. 5
64. 5 65 60. 5 61
噪声的目的 ,但是工艺上需要修形设备 ,中 、小型工厂 往往无法实施 ; ③ 提高精度 ,使ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ距偏差 、节圆偏差 、 与啮角的偏差与齿轮周期内重合度的变化减小 ,以减 小齿轮啮合时激起的震动 。此方法是最为广泛的降低
收稿日期 : 2009202227 作者简介 :张晓莉 ( 1978—) ,女 ,山西永济人 ,讲师 ,硕士 ,主 要从事工业机器人及测控技术与仪器方面的研究工作 。
社 , 1999. [ 2 ] 雷光. 齿轮设计手册 [M ]. 北京 :机械工业出版社 , 1998. [ 3 ] 何培兴 、王斌. 卧式车床低噪声齿轮的设计及制造技术
[ J ]. 机械设计与制造工程 , 2000, 29 (2) : 68 - 69. [ 4 ] 田国富 ,张国忠 ,孙书会. 人工神经网络在齿轮设计中的
啮出冲击速度比值处于某一数值范围之内 研究表明 ,啮入冲击是影响噪声的主要因素 ,啮出 冲击是次要因素 ,但后者在一定的数值时对噪声也有 较大影响 。实验数据表明 ,啮出与啮入冲击速度比值 处于 1. 8～2. 3范围之内时传动噪声最低 。由于节点 两侧摩擦力方向不同而引起节圆冲击 ,设计时应尽量 减少冲击 ,即保证图 4中实际啮合起点 S ′与理论啮合 起点 S 位于中心线同一侧 。
图 2 er > 0时啮入冲击示意图
2. 2 确定线外啮出点的位置和冲击速度 图 3所示为线外啮出点位置及冲击速度计算示意
图 。图中 1、2两齿廓理论上应在 E 点退出啮合 ,而后 下一对齿轮 3、4开始进入啮合接触 。实际上由于齿轮 受载变形和制造误差 e影响 , 1、2两齿廓一直啮合到 D 点才分离 ,这时 3、4齿廓才进入接触 。由于接触时 3、 4两齿廓沿接触线的接触速度不一样 ,因而导致冲击 发生 , D 点的位置及 3、4齿廓接触时的冲击速度大小 也可定量求出 。 2. 3 根据加工工艺 、刀具参数 、制造装配精度 、工作条
从而产生出噪声并通过空气及固体媒介传播出去 。因 此齿轮啮合过程中所产生的啮合冲击力使齿轮产生震 动 ,从而辐射出噪声 。因此设计过程中应着重改善齿 轮啮合时的冲击力 。
低噪声齿轮设计的要点是减小啮入冲击 ,尽力避 免节圆冲击 ,突破思维定势 :变位系数 |χ| ≤1、齿顶高 系数 h3a 只可取 1或 0. 8的约束 [ 5 ] 。拓宽设计参数的 取值范围 ,要点如下 。 2. 1 确定线外啮入点的位置和冲击速度
表 1 齿面无罩噪声对比试验结果
图 3 线外啮出点位置和冲击速度示意图
的影响 ,有时尽管提高了齿轮的制造精度 ,但噪声 、震 动还是不理想 ,其原因是只顾及制造精度一个因素对 性能的影响 ,未能站在系统的角度综合考虑从加工到 装配各环节 、多因素对性能的影响 。为了设计 、制造低 噪声的齿轮传动 ,需要在设计阶段综合考虑加工工艺 、 刀具实际参数 、制造装配精度等工艺条件和传动时的 实际干涉对传动性能的影响 ,把它们作为设计的约束 条件 。 2. 4 降低啮入冲击速度 ,尽量避免节圆冲击 ,使啮入
49 10. 428 10. 102 0. 326 10. 507 0. 079
50 10. 797 10. 423 0. 374 10. 887 0. 090
4 结束语 我国各种机械设备日益复杂和先进 ,对油液分析
技术提出了更高的要求 。随着计算机应用技术的不断 成熟和机械工业不断成熟 , 新技术 、新理论 、新方法不 断应用到油液监控技术领域 。图像处理技术 、特征提 取多元分析技术 、信息融合技术 、模糊聚类技术 、嵌入 式新型传感器技术 、小波分析技术 、灰色理论 、人工智 能和专家系统等技术不断向前发展 ,并取得了一系列 的成就 。在实际监测过程中 ,为了能够很好地监控机 械设备的工作状态 ,我们也可能用到其中一种技术 ,也
67 67. 5 63. 5 63. 5
66. 5 66. 5 62. 5 63
69 70. 5 66 66. 5
68 69. 5 63 64
如表 1所示是噪声对比的试验数据 。实验数据在 α = 20°,中心距相同 , z1 / z2 = 42 /58, m = 3 mm , 6 级精 度的条件下得出的 。由表 1可以看出 ,同样工艺下 ,新 方法设计的齿轮降噪效果明显 。 3 结束语
件要求确定设计约束条件 现有的齿轮设计方法未能考虑加工工艺 、刀具实 际参数 、制造装配精度 、传动时的实际干涉对传动性能
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把上述设计要点数字化 ,以变位系数 、齿顶高系 数 、分度圆压力角 、中心距为设计变量 ,啮入冲击速度 为目标函数 ,强度条件 、加工工艺 、刀具 、制造装配精 度 、重合度 、啮合运动时的干涉 、齿顶变尖 、啮出冲击 、 节圆冲击等为约束条件 ,借助计算机程序语言和优化 设计方法可设计出低噪声的齿轮传动参数 (模数 、齿 数不变 ) 。
齿轮设计技术是控制齿轮噪声的关键 。控制啮出 与啮入冲击速度在一定的比值范围内 ,在传统的制造 设备下 ,同时把加工工艺作为设计的约束条件 ,突破思 维定势的影响 、现有参数取值范围的禁锢 ,利用创新的 方法对齿轮进行优化设计 ,以达到低噪声的目的 。
图 4 啮入节圆冲击计算示意图
参考文献 : [ 1 ] 黄纯颖 ,高志. 机械创新设计 [M ]. 北京 :高等教育出版
造误差引起的噪声 ,也有载荷情况与驱动系统的不同 而引入的外部激励 ,还有因个别零部件的松动导致系 统定位不准 、非正常啮合 、轴系移位等产生的震动与噪 声 。除了齿轮本身重合度 、齿宽 、齿距 、压力角等自身 原因外 ,还有轴 、轴承 、箱体以及执行机构等方面的原 因 。图 1所示的是齿轮噪声产生原因的调查资料 。调 查的对象是汽车 、机床 、通用机械 、减速器等动力传动 齿轮装置 (此类齿轮模数 m ≤6, 分度圆直径 d ≤400 mm ,齿轮精度相当于 GB10095—88 中的 8 级精度以 上 ) 。从图中可以看出 ,在产生噪声的全部原因中 ,组 装占 15% ,使用占 20% ,制造占 30% , 设计占 35%。 可见设计是影响齿轮噪声的主要因素 [ 3～4 ] 。
应用 [ J ]. 机械设计与制造 , 2002, 2: 33 - 34. [ 5 ] 强增 ,原思聪. 齿轮设计专家系统的研究与开发 [ J ]. 机
械工程师 , 2003 (6) : 13 - 16. [ 6 ] 张继红 、高佑芳 、韩星. 降低齿轮噪声的创新设计原理
关键词 :噪声 ;冲击速度 ;齿轮设计
中图分类号 : TH132. 41 文献标识码 : B 文章编号 : 100024858 (2009) 0920058203
0 引言 现代机械工业对齿轮的性能要求越来越高 ,低噪
声 、低震动是高质量齿轮传动的重要性能指标 。很多 文献提出不同的措施与设计方法来减小齿轮的噪声 。 提出降低噪声的方法有 : ① 减小压力角与减小齿距 、 增大齿宽 、增大重合度等 ,使降低噪声激励 ,但是由于 刚度与 运 行 空 间 的 要 求 , 在 某 些 情 况 下 难 以 实 现 ; ②修形方法 ,使其动载荷及速度波动减小 ,以达到低
图 2所示为线外啮入点位置及冲击速度计算示意 图 。图中 S 点是无变形和误差时的齿廓啮合理论起 点 ,在该点进入啮合的齿廓沿接触线方向速度相等 ,无 冲击 。实际上由于受载变形和加工误差 er 的存在 ,实 际啮合起点在 S ′点 。在该点 ,沿接触线方向主从动轮 的接触速度不一样 ,因此啮合时存在冲击 , S ′点的位置 及相应的速度大小可根据齿轮啮合原理得出的数学模 型由数值方法求出 [ 6 ] 。
2 低噪声齿轮的设计要点 在齿轮啮合过程中 ,由于轮齿受力必将产生一定
程度的弹性变形 ,因此每当一对轮齿啮合时 ,原来啮合 轮齿的载荷就会相对减小 ,它们就会立即向着载荷位 置恢复变形 ,从而给齿轮体一个切向加速度 ,再加上原 有啮合轮齿在受载下的弯曲变形 ,使新啮合的齿轮不 能得到设计齿廓的平滑接触而发生碰撞 ,形成所谓 “啮合冲击力 ”。此外 ,由于齿轮的几何参数 、制造 、安 装误差的存在 ,及轮齿啮合对数 、啮合点位置及瞬时传 动比不断变化 ,使得轮齿刚度不断变化 ,轮齿在啮合中 不断互相冲击而激发齿轮震动 。齿轮在激振力的作用 下 ,也将激发起齿轮的周向震动 、径向震动 、轴向震动 ,
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噪声的方法 ,但是提高齿轮的制造精度需要增加投入 , 加大了产品的成本 ,因而缺乏市场竞争力 。因此 ,在齿 轮加工制造工艺不变 ,即生产管理模式不变 ,避免增加 投入 ,利用现有的设备制造低噪声 、低震动的齿轮 ,齿 轮设计是关键 [ 1～2 ] 。
1 齿轮噪声的影响因素与产生机理 影响齿轮噪声的因素很多 ,不仅有质量等级与制