齿轮齿形与齿轮传动噪声

一、齿轮传动噪声的影响因素

齿轮噪声更准确地称为齿轮传动噪声,其声源为齿轮啮合传动中的相互撞击。齿轮传动中的撞击主要由齿轮啮合刚性的周期性变化以及齿轮传动误差和安装误差引起。

1.齿轮啮合刚性的周期性变化对传动噪声的影响

啮合刚性的变化是指齿轮传动中因同时啮合齿数不同而引起啮合轮齿承受载荷的变化,并由此引起轮齿变形量的变化。在直齿轮传动中,啮合线上的同时啮合齿数在1~2对之间变化,而其传动的扭矩近似恒定。因此,当一对轮齿啮合时,全部载荷均作用于该对轮齿,其变形量较大;当两对轮齿啮合时,载荷由两对轮齿共同承担,每对轮齿的负荷减半,此时轮齿变形量较小。这一结果使齿轮的实际啮合点并非总是处于啮合线的理论啮合位置,由此产生的传动误差使输出轴的运动滞后于输入轴的运动。主、被动齿轮在啮合线外进入啮合时,其速度的瞬时差异造成在被动齿轮齿顶处产生撞击。在不同载荷下齿轮传动产生的噪声程度不同,原因在于不同载荷下轮齿产生的变形量不同,造成的撞击程度不同。

2.齿轮传动误差和安装误差对传动噪声的影响

齿轮传动装置空载运行时,传动噪声的影响因素主要是齿轮的加工误差和安装误差,包括齿形误差、齿距误差、齿圈跳动、安装后齿轮的轴线度、平行度及中心距误差等。当然这些误差对传动装置在负载下运行的传动噪声也有影响。①齿形误差会引起与啮合频率相同的传动误差及噪声,是引起啮合频率上噪声分量的主要原因。中凹齿形是不能接受的,加工中应尽量避免。②齿距误差为随机误差,产生的噪声频率与啮合频率不同,不会提高啮合频率上的噪声幅度,但会加宽齿轮噪声音频的带宽。
    3.轴线在节平面上投影的不平行、齿向误差以及轴在传动负载下的变形会使轮齿在齿宽方向上的接触长度缩短,造成啮合刚性下降,由此产生的传动误差及齿轮传动啮合刚性的周期性变化是产生噪声的另一原因,其对斜齿轮传动影响更大。

二、控制齿轮噪声的有效途径———齿轮修形

试验证明,当轮齿在进入啮合和脱离啮合区时,由于轮齿误差和受载变形引起角速度的脉动变化而产生冲击和噪声,这种现象的产生,即使是制造精度很高的齿轮也很难避免。过去人们总是力求使轮齿的精度尽可能地接近理论齿形,实践证明,在高速大功率传动时,符合理论齿形的轮齿反而不能满足要求。采用齿顶和齿根修缘、齿向修形后,有效改善轮齿的啮合性能,降低齿轮噪声。齿轮传动中的撞击是产生噪声的主要原因,因此,消除或减小齿轮传动中的撞击是降低噪声的有效途径。采用齿轮修形能有效减小齿轮传动中的撞击,从而控制齿轮传动噪声,因此该方法在齿轮传动设计中得到了广泛应用。齿轮修形在某些场合下比提高齿轮精度更为有效。虽然提高齿轮精度可以减小齿轮传动误差,降低齿轮传动噪声(尤其是空载状态下的噪声),但在负载下可能会因轮齿变形而产生传动误差,且随着载荷增加,传动误差及噪声随之增大,而采用齿轮修形却能有效改善这一现象。