2002-10 齿轮振动噪声分析及其控制.docVIP

齿轮振动噪声分析及控制 □朱 革 彭东林 张兴红 郭小渝 ——本文刊登在《 现代制造工程 》2002（10）上 摘要 深入剖析齿轮噪声的产生机理，并对齿轮噪声的形成、各成分的特性及相应减小噪声的措施进行详细分析。 关键词：齿轮噪声 机理 措施 一、齿轮噪声的构成特性 1、按噪声频率特性划分 齿轮噪声中包含有与齿轮本体固有频率和啮合频率（往往伴有上、下边频）有关的两种成分。这两种成分中包含有高次谐波，通常到三次谐波。 前者是由齿轮啮合冲击激发的齿轮本身的因而振动噪声，这种噪声在无负载时尤为明显。后者产生的噪声也即为齿轮的加速度噪声。它是由于轮齿在齿轮啮合点产生很大的加速度，从而辐射出噪声。即由于齿面间存在磨擦力，相对滑动速度在节点突然换向，导致齿面间的相对磨擦力的方向突然改变，这样就产生了脉冲力。节点处的脉冲力又称为“节线冲力”，其大小及持续时间与齿轮间的传递力、齿面间的磨擦系数以及相对滑动速度的大小有关；再加上轮齿的弹性变形，制造和安装误差等因素存在，有可能形成“顶刃啮合”，即当被动轮齿距或基节大于公称值时，将在被动轮齿顶发生顶刃啮合；而当被动轮齿距或基节小于公称值时，将在被动轮齿根发生顶刃啮合，以致产生“啮合冲力”，导致噪声。这种啮合频率成分的噪声在齿轮噪声中占的比重较大。 总之，啮合频率产生的噪声主要与齿轮的转速、齿轮总的误差（包括安装误差和制造误差）以及齿轮加载后的变形有关。 2、按噪声在频谱中的位置划分 齿轮噪声包括高频噪声和低频噪声。高频噪声产生的主要原因是齿轮的基节偏差。在齿轮啮合与分离时，无论是从动齿轮的基节大于主动齿轮的基节，还是从动齿轮的基节小于主动齿轮的基节，均使齿轮每转过一齿就产生一次撞击；高频噪声产生的次要原因是齿形误差。通常齿轮的齿形误差是中凹的，在同样的误差量下，中凹齿轮在啮合时，噪声要比鼓形齿大。为了减小啮合噪声，应尽量采用鼓形齿。 低频噪声主要是由齿轮的周节累积误差所引起的，由于频率较低，人的听觉对它感受不太灵敏，只有当周节累积误差很大时，才会听到较大的“隆隆”声。其次低频噪声还可以由齿轮传动中的磕碰或毛刺磨擦引起，此种噪声杂乱无章，没有规律。因此，齿轮的噪声主要是高频噪声，即啮合频率的噪声。 3、按噪声的性质划分 由于在齿轮啮合频率成分的噪声中，还包括有与结构噪声性质不同的空气动力噪声。因此齿轮噪声又可结构振动噪声的空气及液体动力噪声。 1）结构振动噪声。由于轮齿刚度的周期变化及齿轮各种误差变化形成了对系统产生自激振动的激振力，从而引起齿轮周期振动及齿轮轴的弯曲振动，进而产生与啮合频率对应的齿轮噪声。 齿轮轴的挠曲变化，齿的局部接触，齿轮在轴上的非对称布置等因素将引起齿轮的周向振动、轴向振动及齿轮的径向振动。其中齿轮径向振动对轴承、箱体振动影响最大，从而构成了噪声辐射能量的主要部分。 固有频率越低的齿轮在同样工况条件下运转所产生的噪声越高。（1）当齿轮与轴装配在一起时，齿轮固有频率下降；（2）相同直径、厚度的圆盘和齿轮，因为轮齿的存在，齿轮固有频率低一些。 2）液体润滑油喷注产生的噪声，使齿轮激发强烈的高频振动，辐射出噪声，同时高压油从齿端高速喷射，射流冲击齿轮箱体也会引发啮合频率激励而产生齿频噪声及其倍频噪声。 二、齿轮噪声的产生原因和影响因素 齿轮噪声产生的原因，除了齿轮本身的原因外，还有轴、轴承、箱体以及驱动系统和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（此类齿轮的模数m≤6，分度圆直径d≤400mm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%，制造占30%,设计占35%，使用占20%，虽然设计和制造是主要因素。以下就从齿轮结构和齿轮误差两方面来阐述影响齿轮噪声的主要因素。 齿轮结构的影响 1）模数与齿数。由于轮齿的周期变化将引起齿轮周向振动及齿轮轴的弯曲振动，进而产生与啮合频率对应的齿轮噪声，而轮齿的弯曲强度又与齿轮模数成正比，加工误差如齿距误差和齿形误差也和模数成正比。所以，齿轮负荷较大时，轮齿弯曲对齿轮噪声的影响大于加工误差的影响，齿轮负荷较小时，则加工误差的影响大。 若模数不变而改变齿数，则齿轮直径将改变。而噪声的大小又不一定取决于振源的能量，而是较多取决于噪声的辐射面积。从这个角度讲，加大齿轮直径对降低噪声不利。但另一方面，在满足轮齿弯曲强度的前提下，从降低齿轮加工成本和增加重合系数的角度讲，齿轮的齿数以多齿数为好。 2）齿宽加大可以改善轮齿接触性能，从而降低噪声。所以从降低噪声的角度来看，理想设计为：（1）选择合适的材料与热处理，提高齿轮强度；（2）尽量减小齿轮