工程机械齿轮传动噪声的产生及其控制
摘要 齿轮是工程机械传动系统的重要部件。工作时要进行高速的运转，齿轮在运转时由于制造精度、刚度等不同情况，会产生不同程度的振动与噪声，齿轮噪声也是传动系统噪声的主要根源。研究齿轮噪声的发生原因及其解决方法，对于降低工程
机械整机的噪声及司机室内的噪声都是十分有效的。为此针对齿轮噪声发生的根源。从不同方面提出了控制的方法。 关键词:齿轮传动 噪声 控制[Abstract] The gear is the important part of the project mechanical drive system，it will carry on high speed revolution while working．The gear can make different degree vibration and noise when revolution because of different manufacture precision and rigidity．The gear noise is also the main root of the transmission system noise．
The research of gear noise occurrence reason and its solution methods is extremely effective to reduce the project machinery radiated noise and the noise in the drivers7 cab．According to the root of the gear noise production，the methods to control the gear noise from the different aspect are proposed．
Key words : gear drive noise control
工程机械的传动系统包括离合器、变速箱、传动轴、主传动以及轮胎等重要部件。这些部件在工程机械工作时都要进行高速的运转，其中所包含的各种运动副零件相互作用时就会产生振动或噪声。齿轮是传动系大部分部件都具有的。齿轮在运行时——由于制造精度、刚度等的不同情况，会产生不同程度的振动与噪声。齿轮噪声是传动系统噪声的主要根源。因此研究齿轮噪声发生原因及其解决方法对于降低工程机械整机的噪声及司机室内的噪声是十分有效和重要的。 1齿轮噪声产生的原因
一对齿轮在啮合过程中产生的噪声和振动．主要是由于齿轮在运转过程中出现的节线冲力和啮合冲力所激起的。 1．1节线冲力
如果是一对理想的齿轮啮合，如图l所示，两齿轮的齿面接触在一个啮合周期内始于A点，终于C点．B点是两齿轮节圆的切点。自A至C为齿轮周向力传递中的压力作用点的轨迹。在一对齿轮完成一个啮合周期时，并不是完全滚动接触。在主动轮上，压力作用点从齿根移向齿顶，在从动轮上则从齿顶移向齿根。因此，在啮合齿的齿面间出现了滑动．在A点和C点相对滑动速度最大．B点上相对滑动速度为零，且相对滑动速度方向在B点发生改变。由相对滑动产生的滑动摩擦力在B点也改变方向，在节圆上产生一个冲击力。这个冲击力称为节线冲力。节线冲力的大小与延续时间及齿轮间所传递的力、齿面间的摩擦系数以及相对滑动速度大小等因素有关。齿轮之间传递的力和齿面之间的摩擦系数决定了齿面之间相对摩擦力的大小。摩擦力方向改变的快慢是与相对滑动速度的方向改变快慢一致的。相对滑动速度方向改变的快慢就是节线冲力延续的时间。节线冲力延续的时间越短，节线冲力就越大。总之，齿轮传递的功率越大，齿轮齿面粗糙度越大，转速越高，齿轮的节线冲力就越大。对于一对绝对精确的理想的齿轮．，节线冲力引起的振动是齿轮惟一的噪声源。 1．2啮合冲力
在理想的齿轮中啮合冲力是不存在的。但是齿轮的轮齿不可能是绝对刚性，因而在受力运转时总要产生变形，再加上齿轮的制造误差、安装误差等，在运转中必将发生齿与齿之间的碰撞而产生冲力，这种冲力称为齿轮的啮合冲力。总之啮合冲力是由于齿轮的不正确啮合引起的。在齿轮啮合过程中．节线冲力和啮合
冲力是齿轮振动和发生噪声的激振源。齿轮在啮合过程中受到这两种力的激励，一方面它们将产生频率为啮合频率和高次谐波的受迫振动，另一方面他们还产生频率为固有频率的瞬态自击振动。当啮合频率与固有频率互为整数倍时可能产生强烈的共振。因此，齿轮噪声有两种表现形式：一是啮合频率噪声，另一是以固有频率振动所产生的噪声。以哪个为主则取决于齿轮的精度、齿轮传递载荷的大小等多种因素。 2齿轮噪声的控制方法 2．1从设计参数控制齿轮噪声 2．1．1齿轮结构
不同类型的齿轮，由于几何特性不同，将引起不同形式的啮合。直齿圆柱齿轮在啮合瞬间是整个齿宽的线接触，这就产生了大的啮合冲力，在节线速度高的情况下运转噪声是相当大的。斜齿轮虽然也有线接触，但他的接触是逐渐过渡的．因而啮合冲力小。在相同的运转条件下，其噪声比直齿轮低，声级低(3～10)dB，见图2。圆柱齿轮的结构一般有辐板形和整体形两种，这两种结构的齿轮所发射的噪声有很大差别，整体形齿轮与同齿数、同模数的辐板形齿轮运行相比，噪声低(5～10)dB。这与齿轮刚度等因素有关。从降低噪声观点出发，采用整体形齿轮是有利的。 2．1．2齿轮压力角
齿轮轮齿之间的摩擦如果忽略不计，则齿轮间传递的力沿着作用线方向。在节点法向力E是传递工作扭矩的有效力， d为压力角。当压力角增加时，另一分量F要增加径向力f的增加将引起较高的振动级和噪声级。安装的误差、齿轮轮齿的磨损、中心距变化等因素都可能引起压力角变化，从而增加噪声。负载波动也会引起齿轮径向力周期性变化，引起轴的变形，改变了中心距，从而引起压力角变化。所以增加轴的刚性，将压力角适当减小，对降低噪声是有利的。 2．1．3齿轮重叠系数
如果在传递载荷时齿轮不变形，对理想齿轮来说，啮合冲力是可以忽略不计的。然而，实际齿轮总是存在某种程度的变形．在进入啮合和脱离啮合瞬间，产生了沿着啮合线方向的啮合冲力。增加啮合时的平均接触齿数，把载荷分配给较多的齿，可以改善啮合状态，减少啮合冲力。因此，增加齿轮传动重叠系数，可以降低齿轮噪声。经试验在1 000 r/min时．齿轮啮合重叠系数由1．19增至2．07时．噪声降低4．25 dB，而2 000 r/min时降低6 dB。 2．1．4模数
齿轮啮合时．齿轮的弹性变形是产生啮合冲力的主要原因。若要减小齿轮的变形，则应提高齿的刚度，加厚齿轮。齿轮的弯曲强度与齿轮的模数成正比，因此增大齿轮的模数可以提高齿的刚度．减少变形，噪声也随之降低。除此以外．齿轮的齿宽、齿坯形状、齿轮的材料及热处理方法、齿轮的齿数、齿轮的外径等，对传动的噪声也有影响。
2．2从加工和装配精度控制齿轮噪声
如前所述．引起齿轮噪声的根本原因是齿轮在运转中产生的节线冲力和啮合冲力。而后者主要决定于齿轮的制造精度和装配精度。所以在一般情况下提高加工和装配精度总能有效地减小齿轮噪声。 2．2．1齿面粗糙度
啮合齿轮间的摩擦系数，对齿轮装置所产生的噪声有显著影响。通常，摩擦系数越小，齿轮噪声越低。除了润滑以外，啮合齿轮的齿面粗糙度控制了齿轮问的摩擦系数，从而也决定运行时产生的噪声。一个经磨齿的齿轮与一个经铣齿的齿轮相比，其噪声要低。 2．2．2 齿形误差
由于分度机构的误差、刀具齿形误差、展成机构误差以及传动系统的刚性不足、切削力的变化和热处理变形等因素造成实际齿形与理想齿形之间的法向距离，即形成了齿形误差。齿形精度对轮齿的啮合过程和齿轮噪声有很大影响。而且齿轮的转速越高，噪声也越大。齿形曲线形状误差对噪声也有很大影响。在节点附近下凹的齿形在啮合过程中会引起瞬时回转角的变化．在传动过程中产生冲击和振动，噪声加大。而在节点附近凸出的齿形噪声减小，两者可相差10 dB之多。实践表明用剃齿刀修缘的方法达到凸形齿，既降低了制造成本又控制了齿轮噪声。此外周节基节误差．安装误差等对噪声影响也很大，如能加以控制也能降
低齿轮噪声。
2．3控制齿轮噪声的其他措施 2．3．1 适当的润滑
齿轮装置的润滑对噪声的影响也不可忽视。适当的润滑，可以减少齿间的摩擦力，吸收齿轮振动，起到一定的消声作用。其降噪量随润滑油的粘度变化。如果润滑不当．则噪声增大，特别是齿轮在高速传动中，从啮合齿轮间挤出空气(或润滑油)具有相当高的速度，产生声冲击波。 2．3．2齿轮材料的选择和热处理
齿轮强度允许的情况下尽可能采用铸铁、尼龙等高阻尼材料，这对降低噪声是有效的。材料淬火后振动衰减性能下降，会使齿轮噪声增力Ⅱ(3——4)dB。 2．3．3 齿轮消声的处理
近年来随着高分子材料的发展，出现了性能良好的吸振材料，已成为降低噪声的有效手段。实施方法很多．其中包括在齿轮端面涂敷或开槽填充人工吸振材料。常用的阻尼材料有聚硫橡胶，起耗散振动能量的作用。 参考文献
1. 张建寿 谢咏絮《机械和液压噪声及其控制 》1987
2. 孙进才《机械噪声控制的一般原则》-噪声与振动控制 1988(4)