齿轮传动中噪声的产生及解决措施

引言

在齿轮系统传动的过程中,由于相互啮合的齿轮体之间互相碰撞或摩擦而引起振动,最终产生噪声,如图1所示。

图1齿轮体啮合过程

人们生活在充满声音的世界里,有些声音动听悦耳,让人沉醉让人回味:有些声音混乱嘈杂,让人烦躁让人厌恶。齿轮在传动过程中所发出的声音,常常让操作者深感烦躁,甚至苦不堪言,所以,减小齿轮传动中所发出的噪声已成为大势所趋,它不仅可以提高齿轮传动系统的工作效率,更是可以满足操作者的身心健康需求。齿轮形成噪声的原因有很多,下面就这一问题进行探讨。

1齿轮传动产生噪声的原因

1.1共振现象的影响

齿轮产生噪声的原因有很多种,其中最为重要的原因之一就是产生共振现象。所谓"共振现象",是指对于刚性较差的齿轮而言,本身的固有振动频率必须与相互啮合齿轮的振动频率相同,我们把这种具有相同振动频率的现象称为"共振现象"。因为共振现象存在的特殊性,一旦齿轮的振动频率有所增加,就会产生较高的振动噪声,要想解决共振现象的噪声问题,唯有提高齿轮的刚性。齿轮的刚性提高,共振现象就可以得到解决,噪声就可以削弱。总之,在齿轮传动中出现共振现象,对噪声的产生影响极大。

1.2阻尼材料的影响

齿轮传动中产生噪声,一方面是齿轮的脉动作用,另一方面是齿轮的啮合冲击,二者的结合最终会引发振动而产生噪声。因此,采用阻尼材料来降低噪声,实际上是减小齿轮传动过程中的振动。

在阻尼材料的应力-应变滞后线的应力循环中,外界在材料加载过程中所做的功,大于材料在卸载过程中所释放的能量,其原因是材料把一部分能量转换成热量,进而消耗部分能量。简而言之,在振动过程中,阻尼材料可以消耗和吸收振动的能量,使瞬态振动迅速衰减,减少受迫振动的产生,降低结构振动的能量,最终达到降低噪声的目的。因此,采用阻尼材料来降低噪声,具有简单方便、经济成本低、性价比高的优势,在机械工程领域被广泛应用。

1.3模数大小的影响

在直齿圆柱齿轮的相关参数中,有齿数、模数、齿槽宽、齿距、齿厚、分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径等,其中模数是齿轮最主要的参数。当一对齿轮正确进行啮合时,除模数必须要相等之外,两齿轮分度圆上的齿形角也必须相等,而相互啮合的齿轮之间的弯曲作用应力会导致齿轮的齿形产生弯曲弹性变形,齿轮在脱离啮合之后,齿形经过弹性变形的回弹,又恢复至原来的齿形状态,从而产生噪声。轮齿的弯曲刚度与模数成正比,所以模数的大小对渐开线直齿圆柱齿轮噪声的产生有着重要的影响。

1.4装配精度的影响

为了保证齿轮的装配质量,提高发动机运行的可靠性和安全性,在装配过程中要对齿轮的装配质量进行检测。在齿轮装配过程中,啮合间隙过大或者过小、啮合间隙处在极限位置,齿轮着色都可能出现接触位置、大小、形状不好的情况。齿轮的装配精度直接影响齿轮加工的质量。如果在装配过程中齿轮的啮合间隙不符合技术要求,就可能产生齿轮轴向裂纹、载荷分布不均匀等相关问题:着色印痕不理想,就可能导致齿轮在工作过程中产生磨损、剥落,甚至出现裂纹。因此,保证齿轮的装配质量,提高齿轮的装配精度,对解决故障问题,预防故障再现有很大的帮助。

2降低齿轮传动噪声的措施

根据齿轮传动中产生噪声的原因,在机械设备大修中,应如何来降低或消除噪声呢?

2.1减小振动

齿轮传动系统在安装时有许多地方值得注意,但最应该注意的是避免机身与基础支撑和连接部分之间发生共振,因为一旦共振,会引发很大的噪声。当然,在齿轮传动系统中,除设计本身的原因之外,还与安装时没有经过"空试"而找出共振位置有关。那么如何来避免共振,减少噪声的产生呢?

直齿轮在变速箱中运转时,产生的振动非常大,噪声也非常响。而斜齿轮具有传动平稳、啮合冲击力小的优点,不易产生共振现象。若将直齿轮改为斜齿轮传动,齿轮箱中的噪声会降低很多。所以,将直齿轮传动改为斜齿轮传动是减小振动、降低噪声的有效之举。

2.2粘贴阻尼材料

假如在齿轮的端面上粘贴一层阻尼材料,那么在齿轮振动时,阻尼材料受径向振动、周向振动、轴向振动的约束,会产生很大的变形。为此,必须消耗振动的能量,使齿轮传动的振动减小,这样才能达到明显的降低噪声的效果。值得注意的是,无论粘贴的形式如何,均可降低齿轮传动的噪声。只是材料不同,降低噪声的效果也不同。在齿轮高速旋转时,降低噪声的效果尤为明显,可降低噪声2~4dB。

采取粘贴阻尼材料的方法来降低齿轮传动的噪声要比只提高齿轮精度来降低噪声方便、简单、实用、经济得多。因此,在以后的齿轮传动中,可广泛采用该方法来降低噪声,其能节省大量的经济开支,提高生产效益,且易于加工。

2.3调整模数大小

如齿轮传动的载荷较大,为了避免因轮齿变形引起噪声变大,可以选择增大模数的方法,来减小轮齿的动态激励。假如在载荷较小的情况下,随着齿轮模数的增加,轮齿的误差也会增大,因而噪声也会增大。因此,在比较齿距误差与轮齿变形的前提下,可从齿轮加工误差角度出发衡量模数大小对噪声的影响。假设齿距误差为AP=C1＋C2·m＋C3,齿形误差为AF=C4·m＋C5,其中,m是模数,C1、C2、C3、C4、C5为有关常数,得出相关结论:荷载较小的情况下,在保证齿轮强度的前提下,应尽可能使齿轮的模数小一些。

因此,我们可以看出,在齿轮传动中假如载荷较大,则采取增大齿轮模数的方法来降低噪声:假如载荷较小,则采取减小齿轮模数的方法来降低噪声。调整齿轮模数的大小,是降低齿轮传动噪声的关键之举。

2.4提高装配精度

齿轮传动系统在安装时,假如装配精度没有达到规定的标准值,就会发生共振,从而引发噪声,这就需要提高装配精度,以此来降低噪声。在安装齿轮传动系统时,尽量避免两个接触件之间发生共振,如:机身与基础或机身与连接件。对于齿轮传动系统中的零部件(轴承、轴承座、齿轮轴和箱体等),噪声的级别与这些零部件的安装精度息息相关,因此在装配过程中必须严格执行装配工艺规程,在装配时及时检测装配精度。

在装配过程中,一旦存在个别零部件出现松动这样的现象,立马就会导致齿轮系统的定位不准确,造成齿轮啮合在非正常位置上,轴系产生移动,进而产生噪声。所以,在安装过程中一定要保证齿轮的装配精度,若因为操作不当而损坏了个别零部件,为了避免引起系统运动失稳,必要时可以将这些损坏件直接更换掉。

3结语

总而言之,齿轮传动过程中所产生的噪声,会导致操作者有不良的情绪反应,唯有减小噪声,才可以让操作者更加愉悦地工作,更加用心地投入生产,从而为企业带来更多的收益。随着1so14000、1so18000这两项标准的相继颁布,控制齿轮传动噪声已经成为当下最为重要的一项举措,影响齿轮传动噪声的因素有很多,本文从共振现象、阻尼材料、模数大小、装配精度四个方面着手,介绍了其对齿轮传动噪声的影响,并讨论了在这几个方面如何采取有效手段来降低噪声。

当然,减小齿轮传动的噪声是需要研究人员不断深入研究与探讨的一个课题,笔者只是单纯地从四小点入手,浅谈了产生噪声的原因及解决措施,在后续的工作中,我们还需继续努力,研究如何消除齿轮应用中的各种问题,以保障齿轮传动的工作质量。