传动系齿轮噪声及其控制探析
传动系齿轮噪声及其控制探析
摘要：传动系是发动机及其动力总成的一部分，其中的变速器、分动器、传动轴、差速器和轮边减速器等都产生噪声。齿轮传动被广泛应用在发动机正时齿轮、变速器和驱动桥的总成中。本文将探讨传动系齿轮噪声的特点及其控制方法。
关键词：齿轮噪声，控制，传动，频率
齿轮在运转过程中，由于受到节线冲力和啮合冲力的激励，一方面产生频率为啮合频率和它的高次谐振的受迫振动，另方面产生频率为固有频率的瞬态自由振动。当啮合频率和固有频率互为整数倍时，可能产生强烈的共振。因此，齿轮噪声有两种形式：一种是以啮合频率振动的噪声，另一种是整个齿轮以其固有频率振动的噪声[1]。
1齿轮噪声的特点
齿轮的制造误差、安装误差以及发动机曲轴的扭振使其所驱动的齿轮传动的正常啮合关系遭到破坏，都会使齿轮产生振动并发出噪声。轮齿在啮合和脱离过程中产生的周期性冲击噪声的基频即为齿轮的啮合频率。
式中，n为转速（r/min）；z为齿轮频数。
以哪种形式为主，则取决于齿轮的结构和精度、传递载荷等多方面的因素。齿轮频谱中各个频率的峰值，一般均随着齿轮转速的升高而加大。因为冲击力的数值取决于其随时间变化的规律，即力的变化时间越短，其数值越大。所以当齿轮转速升高时，激励力加大了，从而使振幅增大，引起辐射的噪声级升高。齿轮噪声产生的原因，除了齿轮本身的原因之外，还有轴、轴承、箱体，以及驱动系统和工作机等方面的原因。
2影响齿轮噪声的主要因素
影响齿轮噪声的因素很多。例如，齿轮的设计参数、加工精度、工作参数等都将影响啮合齿轮的节线冲击和啮合冲击。
2.1齿轮的类型
齿轮轮齿的啮合状态与齿轮类型有关，如果不存在齿向误差时，直齿轮的轮齿在接触瞬间是整个齿宽的接触线。而斜齿轮虽然也为线接触，但它是由齿顶的一端渐渐地进入啮合，其接触线开始时逐渐由短变长，以后又逐渐缩短，直到脱开啮合为止。另外，斜齿轮传动的实际啮合线较直齿轮传动要大些，所以斜齿轮不论从传动的平稳性还是承载能力的大小来说一般都比直齿轮高[2]。
2.2齿轮的模数
齿轮的模数是设计齿轮的一个基本参数。模数大，即轮齿尺寸大，所能承受载荷也就大。轮齿的弯曲变形和模数成反比，所以增大模数也即提高了轮齿的刚度，这样啮合传动时轮齿弹性变形小，降低了轮齿产生的冲击力，从而降低了噪声。从这意义上来说模数宜取大，但齿轮的加工误差也和模数有很大关系，模数越大，则齿距误差与齿形误差也就增大，导致齿轮啮合时产生较大的噪声。因此，宜根据具体条件来选取模数。例如，对传递功率较大的齿轮，由于考虑到齿轮弯曲变形是主要因素，为了提高齿轮的刚度取大的模数较为合理。
2.3齿轮的齿数和直径
在模数已定的条件下，改变齿轮齿数也就改变了齿轮的直径，这也将引起轮齿的弹性刚度及弯曲量的变化。虽然改变齿轮直径对齿轮的加工精度影响不大，但随着齿轮直径的增大轮齿噪声辐射的表面积亦增加。如果将齿轮近似地看成为一个圆板，则在激励力恒定时，辐射的声功率大体与圆板半径的平方成正比。因而增大齿轮直径对降低噪声不利，所以设计时应尽可能地缩小齿轮的直径。
3传动系齿轮噪声的控制
3.1齿轮参数和结构形式
增大齿轮的模数会增加制造难度，使得齿轮的制造误差变大，并造成工作时的噪声增加。此外齿轮压力角的增加也会造成啮合过程的径向力增加而增大噪声。一般在强度允许的条件下适当降低模数和压力角。齿轮设计时增加重叠系数，经验表明重叠系数为2时噪声水平比较低，相反在过大的重叠系数，齿轮精度不高的场合，多对轮齿同时啮合反而会加剧振动、增大噪声。对于圆柱齿轮来说，直齿齿轮噪声最高，斜齿次之，人字形齿最低；对于圆锥齿轮来说，按噪声大小排列的顺序为：直齿、螺旋齿、双曲线齿。因此，从降低噪声的角度出发，宜优先选择低噪声的齿轮结构[3]。
3.2齿轮的制造和工艺
齿轮的精度是影响齿轮工作时振动和噪声的关键，因此尽可能提高齿轮精度是必要的。通常在齿轮粗加工和热处理以后，应进行剃齿或磨齿等精加工。为减少齿轮在承载后的弹性变形和制造误差(主要是基节误差和齿形误差)造成的齿轮啮合时，齿顶和齿根处的干涉，在齿轮加工时通常将干涉部分削去，称为齿形修缘。齿形修缘可以降低齿轮工作时的噪声。
3.3材料和结构
采用高分子材料取代传统的金属材料齿轮可以大大降低齿轮噪声。另外对金属齿轮进行阻尼处理，例如，在齿轮两边涂上阻尼材料，在金属齿轮体内填充大阻尼橡胶等，形成阻尼结构，达到减振降噪目的。此外，适当的润滑和合理的安装也能降低齿轮噪声。
结论
啮合频率是齿轮的旋转速度(转/秒)与齿数的乘积，常会遇到旋转频率的啮合谐振，有时也会遇到二个或更多个干扰力的频率的复合振幅。齿面铣出波纹时可能出现高于啮合频率多倍的噪声，称为“类啮合频率”。滚齿与磨齿工艺有时会在理论齿廓外范成一个“伪形”时就会出现这情况。因为加工出的实际节圆对其旋转轴线总会有些偏心(在允差范围内)。齿轮也不可能绝对平衡，所以常常发现齿轮的接触频率是其旋转数的倍数。通过对噪声的频谱分析，能判断某些主要成分是哪些因素所组成，便可研究解决措施。
参考文献
[1] 刘小琴. 齿轮传动噪声的控制措施研究[J]. 山西师范大学学报(自然科学版). 2010(02)：102-103.
[2] 同济大学等编，汪信远主编.机械设计基础[M]. 高等教育出版社，2002：90.
[3]刘国华，王小雨. 齿轮噪声产生的原因及治理方法[J]. 黑龙江科技信息，2012.04：125-126.
姓名：崔林娟
学校：扬州邗江中等专业学校
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