齒輪噪聲

齒輪噪聲準確地應稱為齒輪傳動噪音，是指齧合的齒輪對或齒輪組在傳動時，由於相互的碰撞或摩擦激起齒輪體振動而輻射出來的噪聲 ^[1]  。

為從設計角度出發降低齒輪傳動系統的噪聲，我們就應首先來分析一下齒輪系統噪聲的種類和發生機理。

在齒輪系統中，根據機理的不同，可將噪聲分成加速度噪聲和自鳴噪聲兩種。一方面，在齒輪輪齒齧合時，由於衝擊而使齒輪產生很大的加速度並會引起周圍介質擾動，由這種擾動產生的聲輻射稱為齒輪的加速度噪聲。另一方面，在齒輪動態齧合力作用下，系統的各零部件會產生振動，這些振動所產生的聲輻射稱為自鳴噪聲。

對於開式齒輪傳動，加速度噪聲由輪齒衝擊處直接輻射出來，自鳴噪聲則由輪體、傳動軸等處輻射出來。對於閉式齒輪傳動，加速度噪聲先輻射到齒輪箱內的空氣和潤滑油中，再通過齒輪箱輻射出來。自鳴噪聲則由齒輪體的振動通過傳動軸引起支座振動，從而通過齒輪箱箱壁的振動而輻射出來。一般説來，自鳴噪聲是閉式齒輪傳動的主要聲源。因此，齒輪系統的噪聲強度不僅與輪齒齧合的動態激勵力有關，而且還與輪體、傳動軸．軸承及箱體等的結構形式、動態特性以及動態齧合力在它們之間的傳遞特性有關 ^[2]  。

齒輪設計方面。參數選擇不當，重合度過小，齒廓修形不當或沒有修形，齒輪箱結構不合理等。齒輪加工方面 基節誤差和齒形誤差過大，齒側間隙過大，表面粗糙度過大等。齒輪系及齒輪箱方面。裝配偏心，接觸精度低，軸的平行度差，軸，軸承、支承的剛度不足，軸承的迴轉精度不高及間隙不當等。其他方面輸入扭矩。負載扭矩的波動，軸系的扭振，電動機及其它傳動副的平衡情況等。

基於降低能耗和保護環境的理念，經過多年的努力和不斷的探索，成功引進了世界先進的麥特雷Blu-Goo超級密封潤滑劑，它是一種極好的齒輪箱添加劑，可以在部件上形成一種惰性材料薄膜，從而降低摩擦、齒輪噪音以及泄露。該產品已經成功應用於冶金冶煉、船舶修造、化工化學、造紙工業、鋼鐵建材、汽車製造、礦業開採、電力、物業等領域，為企業實現連續高負荷運行及節能降耗提供了有力保障，其社會價值和經濟價值也得到了有力體現。超級潤滑劑是一種有多種用途的特殊惰性材料，主要用於降低金屬間接觸。作為一種螺紋密封複合物，該產品在外螺紋和內螺紋間形成一個接觸面，可以保護接頭免受摩擦和磨損影響，同時可以承受1407公斤/釐米的壓力，甚至是磨損，腐蝕或錯誤機加工的螺紋面。該產品也是一種極好的齒輪箱添加劑，可以在內部件上形成以一層薄膜。從而降低摩擦，齒輪噪音以及泄露。它也明顯降低力矩應力，滿足動力減壓需求。它可以用於墊圈面或作為一種填料補充，通過密封以防止流體泄露。可以在316°C的温度下應用。可以在不鏽鋼，鋁，鐵，鋇，玻璃纖維，塑料施工，不會被酸，鹼或普通溶劑影響 ^[2]  。

基於以上分析重點從齒輪設計、齒輪加工以及輪系及齒輪箱三個方面詳細討論。

一、齒輪設計方面

1、 齒輪的類型和材料

(1) 齒輪的類型：

從傳動平穩、噪聲低的角度出發，斜齒圓柱齒輪同時接觸的齒對多．齧合綜合剛度的變化比較平穩。因此振動噪聲可能比同樣的直齒圓柱齒輪低，有時可低到大約12dB。 對於人字齒輪，由於要求嚴格對中，微小的誤差或磨損不均都可能影響人字齒輪的均載和傳動平穩性，因此在圓柱齒輪中，斜齒圓柱齒輪是降低噪聲最佳的齒輪類型． 從1969—1987年，埃及開羅Ain-Shams大學丸A.Y．Atfia教授對漸開線斜齒輪，單圓弧齒輪和雙圓弧齒輪進行了實驗研究，他比較了這三種齒形的齒輪在不同載荷和不同轉速時的噪聲．研究表明，在這三種齒形中，漸開線斜齒輪的噪聲最低且受所傳遞的載荷和運轉速度的影響最小，單圓弧齒輪次之，雙圓弧齒輪最差。

（2）齒輪的材料

齒輪的材料。熱處理和潤滑方式等均會對系統噪聲產生影響。一般説來，用衰減性能好的材料製造齒輪，可使噪聲降低．但衰減性能好的材料強度均不高，並非在任何場合均能採用。例如．酚醛樹脂與尼龍等則往往僅能用來製造縫紉機等輕工機械用輕載齒輪。為了降低噪聲，可在承載的鋼質齒輪齒面滲硫或鍍銅．齒面滲硫的目的是減小齒面磨擦係數．齒面鍍銅已被用在透平機齒輪上，用以提高齒輪的接觸精度。 齒輪熱處理對噪聲也有影響．例如，齒輪淬火後衰減性能變壞，噪聲會增加3-4dB，因此強度和磨損性能要求不高的齒輪不必淬火。 至於潤滑油和加油方法的影響，一般認為，噪聲隨油量和油的粘度增大而變小，這是因為潤滑油有阻尼作用，可防止齧合齒面直接接觸。採用油浴潤滑時，因油麪高度不同，齒輪噪聲也不同，即不同的齒輪箱有不同的最佳油位。

2、齒輪幾何參數

（1）模數

當傳遞較大載荷時，由於輪齒齧合的動態激勵主要是輪齒的彎曲變形引起的，而輪齒的彎曲剛度又與模數成正比，因此增大模數可減小輪齒的動態激勵，從而降低噪聲。 但是在傳遞載荷較小或空載時，情況就有所不同了。此時輪齒誤差的影響會遠大於輪齒變形，我們就應從齒乾加工誤差的角度來考慮模數大小對噪聲的影響．例如，齒距誤差△P可按下式求得：△P=C1 +C2M+C3 (1)

式中do——齒輪節圓直徑

M ——模數

C1、C2、C3——有關常數算

而齒形誤差△f則可由下式計:

△f=C4M+C5 (2)

式中C4，C5為有關常數。

由(1)(2)兩式可以看出，上述兩項誤差直接與模數有關，並且模數大，齒形誤差大．噪聲也大。因此，在傳遞載荷較小或空載時，在齒輪強度允許的情況下，應儘可能取小模數。

（2）齒數

若模數不變，改變齒數則齒輪直徑和齒輪表面積也隨着改變．這樣，由於齒輪噪聲輻射面積的改變引起了噪聲的變化。一般説來，噪聲的大小主要不決定於振源的能量而決定於噪聲的輻射面積。按聲學原理，若把齒輪作為圓板，它向空中輻射的聲功率WR，可按下式計算：WR=O.06pWR/πC3(6+0.85RP)xF (3)

式中: F——按正弦規律變化的激振力的有效值

R——圓板直徑

o --面密度

p——空氣密度

ω——角頻率

C——常數

由(3)式可知，隨着圓板直徑的增大，噪聲將急劇增加。因此，設計齒輪時，應儘可能減小齒輪直徑。此外，由式(1)，(2)可以看出，齒距誤差與齒輪直徑有關，而齒形誤差與直徑無關，因此減小直徑不會增加達到齒輪加工精度的難度。

（3）齒寬齒寬變化引起噪聲改變的原因在於能量衰減的不同。因此齒寬大的齒輪衰減性能好，從而噪聲也低。

（4）重合度

增大重合度可以減小齒輪傳動的噪聲。首先，增大重合度可以減小單對輪齒的負荷．從而可以減小齧入和齧出的負荷衝擊，降低齒輪噪聲。其次，隨着接觸齒對的增加，單對輪齒的傳動誤差被均化，從而減小了輪齒的動態激勵。此外，幾乎所有的對齒輪噪聲有影響的輪齒參數，實際上都是由於他們對重合度的影響而起作用的。例如，對於重合度為1—3的圓柱齒輪，降低齒輪的壓力角，減小模數，使齒頂高有較小的增加，均是由於增大了重合度而使齒輪噪聲降低的。當然，壓力角減小，增加了輪齒的柔性，也降低了動態激勵，從而有利於噪聲的降低。

（5）螺旋角由於斜齒輪是從齒的一端逐漸進入齧合，因此齧合衝擊小，噪聲低。一般説來，隨着螺旋角的增大，重合度增大，噪聲降低。但是，當螺旋角較大時其降噪效果較螺旋角較小時要差。這是因為螺旋角大時，加工、安裝困難，影響了實際的重合度．

（6）齒的修形、整形和變位在齒輪的實際工作狀態下，由於輪齒、傳動軸和箱體的變形會使輪齒在齧入和齧出時產生干涉和衝擊，引起強烈的振動和噪聲．為此，可採用進行修形、整形和變位的方式對齧合變形進行補償達到降低振動和噪聲的目的 ^[1]  。

二、齒輪加工方面

(1)齒輪的加工精度對齒輪系統噪聲有着重要的影響。一般來説，提高加工精度有助於降低齒輪系統的噪聲。但提高加工精度要受加工成本的限制，且初始的加工精度越高，提高精度的降噪效果也越不明顯。

在各單項輪齒誤差中，齒形誤差對噪聲的影響最大。齒形誤差大，則齒輪噪聲大，但兩者間並非簡單的線性關係。因為噪聲的大小，不僅取決於齒形誤差的大小，更主要的是取決於齒形形狀。實驗證明，略帶鼓形的齒形形狀，有利於降低噪聲。

關於齒輪輪齒側隙對噪聲的影響，一般説來，如果側隙過小，噪聲會急劇增大，而側隙稍大些對噪聲的影響並不大。

(2)加工方法方面

齒輪加工的方法有多種，一般説來，加工方法與齒輪噪聲沒有十分固定的關係，因為還要受到加工技術的影響。通常，不同的加工方法將產生不同的齒面粗糙度，改善齒面粗糙度有利於降低噪聲。

三、輪系及齒輪箱方面

1、齒輪輪體結構方面齒輪輪體的結構對齒輪系統的噪聲有重要影響。

首先，在輪齒動態激勵力作用下，輪體作為一個彈性體會產生振動並輻射噪聲。其次，作用在輪齒上的動態激勵力會通過輪體傳給傳動軸，並進而傳至軸承和箱體。再則，輪體的結構還會影響輪齒齧合過程的傳遞誤差，反過來又會影響動態激勵力的大小。為此，我們可以從減少齒輪體噪聲輻射及減小齒輪體振動的傳遞兩方面來降低噪聲。

（1）減少齒輪體噪聲輻射

一般説來，噪聲的大小除與振源能量有關外，主要決定於輻射面積．因此減小齒輪的表面積，可以減小噪聲的輻射面積，從而降低輻射噪聲。此外，齒輪的形狀與噪聲大小也有一定關係，例如齒坯越厚、直徑越小，噪聲也越小。

（2）減小齒輪體振動的傳遞

對此，我們可以採用一些複合結構，或在齒輪體中間填入振動衰減材料來增大齒輪的阻尼效應，從而減小振動的傳遞，來降低噪聲。

2、軸系結構方面

可以防止傳動軸的偏斜，井通過軸系的設計，控制多級齒輪傳動中各齧合激勵的相位關係，來達到降低噪聲的目的。

3、箱體結構方面

齒輪箱體是一個典型的彈性結構系統，它在軸承動載荷作用下產生振動，輻射噪聲，因此合理設計箱體的結構和振動特性，將有助於降低齒輪系統的噪聲。例如，設計時以箱體薄壁的振動最小為目的，以頻率約束、應力約束、幾何約束等為約束條件，使箱壁振動在動態激勵作用下最小，達到降低噪聲輻射的目的． 此外，在箱體結構設計中，應注意使軸承支承座與箱體支點間的結構聯繫具有足夠的剛度，以減少系統的振動。對於較大面積的薄壁，應設置加強筋，以減少振動噪聲的幅度 ^[2]  。