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泰興減速機(jī):為從設(shè)計(jì)角度出發(fā)降低齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲,我們就應(yīng)首先來分析一下齒輪系統(tǒng)噪聲的種類和發(fā)生機(jī)理。
在齒輪系統(tǒng)中,根據(jù)機(jī)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,在齒輪輪齒嚙合時(shí),由于沖擊而使齒輪產(chǎn)生很大的加速度并會引起周圍介質(zhì)擾動(dòng),由這種擾動(dòng)產(chǎn)生的聲輻射稱為齒輪的加速度噪聲。另一方面,在齒輪動(dòng)態(tài)嚙合力作用下,系統(tǒng)的各零部件會產(chǎn)生振動(dòng),這些振動(dòng)所產(chǎn)生的聲輻射稱為自鳴噪聲。
對于開式齒輪傳動(dòng),加速度噪聲由輪齒沖擊處直接輻射出來,自鳴噪聲則由輪體、傳動(dòng)軸等處輻射出來。對于閉式齒輪傳動(dòng),加速度噪聲先輻射到齒輪箱內(nèi)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(dòng)通過傳動(dòng)軸引起支座振動(dòng),從而通過齒輪箱箱壁的振動(dòng)而輻射出來。一般說來,自鳴噪聲是閉式齒輪傳動(dòng)的主要聲源。因此,齒輪系統(tǒng)的噪聲強(qiáng)度不僅與輪齒嚙合的動(dòng)態(tài)激勵(lì)力有關(guān),而且還與輪體、傳動(dòng)軸、軸承及箱體等的結(jié)構(gòu)形式、動(dòng)態(tài)特性以及動(dòng)態(tài)嚙合力在它們之間的傳遞特性有關(guān)。
一般來說,齒輪系統(tǒng)噪聲發(fā)生的原因主要有以下幾個(gè)方面:
齒輪設(shè)計(jì)方面:參數(shù)選擇不當(dāng),重合度過小,齒廓修形不當(dāng)或沒有修形,齒輪箱結(jié)構(gòu)不合理
等。
齒輪加工方面:基節(jié)誤差和齒形誤差過大,齒側(cè)間隙過大,表面粗糙度過大等。
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,
軸承的回轉(zhuǎn)精度不高及間隙不當(dāng)?shù)取?nbsp;
其他方面輸入扭矩。負(fù)載扭矩的波動(dòng),軸系的扭振,電動(dòng)機(jī)及其它傳動(dòng)副的平衡情況等。
基于以上分析,本文將重點(diǎn)從齒輪設(shè)計(jì)、齒輪加工以及輪系及齒輪箱三個(gè)方面展開詳細(xì)討論。
1齒輪的類型和材料
1、齒輪的類型
從傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲低的角度出發(fā),斜齒圓柱齒輪同時(shí)接觸的齒對多.嚙合綜合剛度的變化比較平穩(wěn)。因此振動(dòng)噪聲可能比同樣的直齒圓柱齒輪低,有時(shí)可低到大約12dB。 對于人字齒輪,由于要求嚴(yán)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(dòng)平穩(wěn)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(xué)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,他比較了這三種齒形的齒輪在不同載荷和不同轉(zhuǎn)速時(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)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
熱處理和潤滑方式等均會對系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生影響。 一般說來,用衰減性能好的材料制造齒輪,可使噪聲降低.但衰減性能好的材料強(qiáng)度均不高,并非在任何場合均能采用。例如,酚醛樹脂與尼龍等則往往僅能用來制造縫紉機(jī)等輕工機(jī)械用輕載齒輪。 為了降低噪聲,可在承載的鋼質(zhì)齒輪齒面滲硫或鍍銅。齒面滲硫的目的是減小齒面磨擦系數(shù)。齒面鍍銅已被用在透平機(jī)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,齒輪淬火后衰減性能變壞,噪聲會增加3-4dB,因此強(qiáng)度和磨損性能要求不高的齒輪不必淬火。 至于潤滑油和加油方法的影響,一般認(rèn)為,噪聲隨油量和油的粘度增大而變小,這是因?yàn)闈櫥陀凶枘嶙饔?,可防止嚙合齒面直接接觸。采用油浴潤滑時(shí),因油面高度不同,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(shù)
1、模數(shù)
當(dāng)傳遞較大載荷時(shí),由于輪齒嚙合的動(dòng)態(tài)激勵(lì)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(shù)成正比,因此增大模數(shù)可減小輪齒的動(dòng)態(tài)激勵(lì),從而降低噪聲。 但是在傳遞載荷較小或空載時(shí),情況就有所不同了。此時(shí)輪齒誤差的影響會遠(yuǎn)大于輪齒變形,我們就應(yīng)從齒乾加工誤差的角度來考慮模數(shù)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(jié)圓直徑
M ——模數(shù)
C1、C2、C3——有關(guān)常數(shù)算
而齒形誤差△f則可由下式計(jì):
△f=C4M+C5 (2)
式中C4,C5為有關(guān)常數(shù)。
由(1)(2)兩式可以看出,上述兩項(xiàng)誤差直接與模數(shù)有關(guān),并且模數(shù)大,齒形誤差大.噪聲也大。因此,在傳遞載荷較小或空載時(shí),在齒輪強(qiáng)度允許的情況下,應(yīng)盡可能取小模數(shù)。
2、齒數(shù)
若模數(shù)不變,改變齒數(shù)則齒輪直徑和齒輪表面積也隨著改變。這樣,由于齒輪噪聲輻射面積的改變引起了噪聲的變化。 一般說來,噪聲的大小主要不決定于振源的能量而決定于噪聲的輻射面積。按聲學(xué)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(jì)算:
(3)
式中: F——按正弦規(guī)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(shù)
由(3)式可知,隨著圓板直徑的增大,噪聲將急劇增加。因此,設(shè)計(jì)齒輪時(shí),應(yīng)盡可能減小齒輪直徑。 此外,由式(1),(2)可以看出,齒距誤差與齒輪直徑有關(guān),而齒形誤差與直徑無關(guān),因此減小直徑不會增加達(dá)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于能量衰減的不同。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(dòng)的噪聲。 首先,增大重合度可以減小單對輪齒的負(fù)荷。從而可以減小嚙入和嚙出的負(fù)荷沖擊,降低齒輪噪聲。其次,隨著接觸齒對的增加,單對輪齒的傳動(dòng)誤差被均化,從而減小了輪齒的動(dòng)態(tài)激勵(lì)。此外,幾乎所有的對齒輪噪聲有影響的輪齒參數(shù),實(shí)際上都是由于他們對重合度的影響而起作用的。例如,對于重合度為1—3的圓柱齒輪,降低齒輪的壓力角,減小模數(shù),使齒頂高有較小的增加,均是由于增大了重合度而使齒輪噪聲降低的。當(dāng)然,壓力角減小,增加了輪齒的柔性,也降低了動(dòng)態(tài)激勵(lì),從而有利于噪聲的降低。
5、螺旋角
由于斜齒輪是從齒的一端逐漸進(jìn)入嚙合,因此嚙合沖擊小,噪聲低。一般說來,隨著螺旋角的增大,重合度增大,噪聲降低。但是,當(dāng)螺旋角較大時(shí)其降噪效果較螺旋角較小時(shí)要差。這是因?yàn)槁菪谴髸r(shí),加工、安裝困難,影響了實(shí)際的重合度。
6、齒的修形、整形和變位
在齒輪的實(shí)際工作狀態(tài)下,由于輪齒、傳動(dòng)軸和箱體的變形會使輪齒在嚙入和嚙出時(shí)產(chǎn)生干涉和沖擊,引起強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲.為此,可采用進(jìn)行修形、整形和變位的方式對嚙合變形進(jìn)行補(bǔ)償達(dá)到降低振動(dòng)和噪聲的目的。
1齒輪精度方面
齒輪的加工精度對齒輪系統(tǒng)噪聲有著重要的影響。一般來說,提高加 工精度有助于降低齒輪系統(tǒng)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(xiàng)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,但兩者間并非簡單的線性關(guān)系。因?yàn)樵肼暤拇笮?,不僅取決于齒形誤差的大小,更主要的是取決于齒形形狀。實(shí)驗(yàn)證明,略帶鼓形的齒形形狀,有利于降低噪聲。
關(guān)于齒輪輪齒側(cè)隙對噪聲的影響,一般說來,如果側(cè)隙過小,噪聲會急劇增大,而側(cè)隙稍大些對噪聲的影響并不大。
2加工方法方面
齒輪加工的方法有多種,一般說來,加工方法與齒輪噪聲沒有十分固定的關(guān)系,因?yàn)檫€要受到加工技術(shù)的影響。通常,不同的加工方法將產(chǎn)生不同的齒面粗糙度,改善齒面粗糙度有利于降低噪聲。
1齒輪輪體結(jié)構(gòu)方面
齒輪輪體的結(jié)構(gòu)對齒輪系統(tǒng)的噪聲有重要影響。
首先,在輪齒動(dòng)態(tài)激勵(lì)力作用下,輪體作為一個(gè)彈性體會產(chǎn)生振動(dòng)并輻射噪聲。其次,作用在輪齒上的動(dòng)態(tài)激勵(lì)力會通過輪體傳給傳動(dòng)軸,并進(jìn)而傳至軸承和箱體。再則,輪體的結(jié)構(gòu)還會影響輪齒嚙合過程的傳遞誤差,反過來又會影響動(dòng)態(tài)激勵(lì)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(dòng)的傳遞兩方面來降低噪聲。
減少齒輪體噪聲輻射
一般說來,噪聲的大小除與振源能量有關(guān)外,主要決定于輻射面積.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(guān)系,例如齒坯越厚、直徑越小,噪聲也越小。
減小齒輪體振動(dòng)的傳遞
對此,我們可以采用一些復(fù)合結(jié)構(gòu),或在齒輪體中間填入振動(dòng)衰減材料來增大齒輪的阻尼效應(yīng),從而減小振動(dòng)的傳遞,來降低噪聲。
2軸系結(jié)構(gòu)方面
可以防止傳動(dòng)軸的偏斜,井通過軸系的設(shè)計(jì),控制多級齒輪傳動(dòng)中各嚙合激勵(lì)的相位關(guān)系,來達(dá)到降低噪聲的目的。
3箱體結(jié)構(gòu)方面
齒輪箱體是一個(gè)典型的彈性結(jié)構(gòu)系統(tǒng),它在軸承動(dòng)載荷作用下產(chǎn)生振動(dòng),輻射噪聲,因此合理設(shè)計(jì)箱體的結(jié)構(gòu)和振動(dòng)特性,將有助于降低齒輪系統(tǒng)的噪聲。 例如,設(shè)計(jì)時(shí)以箱體薄壁的振動(dòng)最小為目的,以頻率約束、應(yīng)力約束、幾何約束等為約束條件,使箱壁振動(dòng)在動(dòng)態(tài)激勵(lì)作用下最小,達(dá)到降低噪聲輻射的目的。
此外,在箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,應(yīng)注意使軸承支承座與箱體支點(diǎn)間的結(jié)構(gòu)聯(lián)系具有足夠的剛度,以減少系統(tǒng)的振動(dòng)。對于較大面積的薄壁,應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)筋,以減少振動(dòng)噪聲的幅度。
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