在齿轮系统中轮齿啮合时,由于冲击而使齿轮产生很大的振动加速度并引起周围介质扰动而产生的声辐射称为齿轮的加速度噪声;另一方面,在齿轮动态啮合力激励下,由于齿轮系统的各零部件的振动所产生的声辐射称为自鸣噪声。
对于开式齿轮传动,加速度噪声由轮齿冲击处直接辐射出来,自鸣噪声则由轮体、传动轴等处辐射出来。对于闭式齿轮传动,加速度噪声先辐射到齿轮箱内的空气和润滑油中,再通过齿轮箱辐射出来。自鸣噪声则由齿轮体的振动通过传动轴引起支座振动,从而通过齿轮箱箱壁的振动而辐射出来。一般说来,自鸣噪声是闭式齿轮传动的主要声源。因此,齿轮系统的噪声强度不仅与轮齿啮合的动态激励力有关,而且还与轮体、传动轴、轴承及箱体等的结构形式、动态特性,以及动态啮合力在它们之间的传递特性有关。
引起齿轮噪声的因素很多:在齿轮设计方面,参数选择不当、重合度过小、齿廓修形不当或没有进行修形、齿轮箱结构不合理等;在齿轮加工方面,齿轮基节误差和齿形误差过大、齿侧间隙过大、表面粗糙度过大等;在齿轮系及齿轮箱装配方面,转轴与轴承的刚度不足、轴承的回转精度不高及间隙不当、装配偏心、接触精度低、轴的平行度差等;其他方面,输入扭矩及负载扭矩的波动、轴系的扭振、电动机及其他传动副的平衡情况等。
齿轮噪声主要从齿轮设计、齿轮材料、齿轮加工、轮系及齿轮箱的结构等方面加以控制。
在齿轮设计方面,可采取以下方法对噪声进行控制:①齿轮的类型。斜齿圆柱齿轮同时接触的齿对多,啮合综合刚度的变化比较平稳,因此振动噪声比同样的直齿圆柱齿轮低。②齿轮的模数确定。当传递较大载荷时,由于轮齿啮合的动态激励主要是轮齿的弯曲变形引起的,而轮齿的弯曲刚度又与模数成正比,因此增大模数有利于减小轮齿的动态激励,从而降低噪声;在传递载荷较小或空载时,轮齿误差的影响会远大于轮齿变形,在齿轮强度允许的情况下,应尽可能取小模数。③齿轮的齿数确定。若模数不变,改变齿数则齿轮直径和齿轮表面积也随着改变,也即噪声的辐射面积发生变化,因此,设计齿轮时,应尽可能减小齿轮直径。另外,齿宽大的齿轮衰减性能好,从而噪声也低。④齿轮的重合度。增大重合度可以减小齿轮传动的噪声。首先,增大重合度可以减小单对轮齿的负荷,从而可以减小啮入和啮出的负荷冲击,降低齿轮噪声。其次,随着接触齿对的增加,单对轮齿的传动误差被均化,从而减小了轮齿的动态激励。此外,几乎所有的对齿轮噪声有影响的轮齿参数,实际上都是由于他们对重合度的影响而起作用的。例如,对于重合度为1~3的圆柱齿轮,降低齿轮的压力角,减小模数,使齿顶高有较小的增加,均是由于增大了重合度而使齿轮噪声降低的。当然,压力角减小,增加了轮齿的柔性,也降低了动态激励,从而有利于噪声的降低。⑤斜齿轮的螺旋角。由于斜齿轮是从齿的一端逐渐进入啮合,因此啮合冲击小,噪声低。一般说来,随着螺旋角的增大,重合度增大,噪声降低。但是,当螺旋角较大时其降噪效果较螺旋角较小时要差。这是因为螺旋角大时,加工、安装困难,影响了实际的重合度。⑥轮齿的修形、整形和变位。在齿轮的实际工作状态下,由于轮齿、传动轴和箱体的变形会使轮齿在啮入和啮出时产生干涉和冲击,引起强烈的振动和噪声。为此,可采用进行修形、整形和变位的方式对啮合变形进行补偿达到降低振动和噪声的目的。
在齿轮加工方面,可采取以下方法对噪声进行控制:①加工精度方面。提高加工精度有助于降低齿轮系统的噪声。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显。在各单项轮齿误差中,齿形误差对噪声的影响最大。齿形误差大,则齿轮噪声大,但两者间并非简单的线性关系。因为噪声的大小,不仅取决于齿形误差的大小,更主要的是取决于齿形形状。实验证明,略带鼓形的齿形形状,有利于降低噪声。于齿轮轮齿侧隙对噪声的影响,如果侧隙过小,噪声会急剧增大,而侧隙稍大些对噪声的影响并不大。②加工方法方面。齿轮加工的方法有多种,加工方法与齿轮噪声没有十分固定的关系,因为还要受到加工技术的影响。通常,不同的加工方法将产生不同的齿面粗糙度,改善齿面粗糙度有利于降低噪声。
在轮系及齿轮箱方面,可采取以下方法对噪声进行控制:①齿轮轮体结构方面。减少齿轮体噪声辐射,噪声的大小除与振源能量有关外,主要决定于辐射面积,因此减小齿轮的表面积,可以减小噪声的辐射面积,从而降低辐射噪声。此外,齿轮的形状与噪声大小也有一定关系,例如齿坯越厚、直径越小,噪声也越小;减小齿轮体振动的传递,可以采用一些复合结构,或在齿轮体中间填入振动衰减材料来增大齿轮的阻尼效应,从而减小振动的传递,来降低噪声。②轴系结构方面。防止传动轴的偏斜,井通过轴系的设计,控制多级齿轮传动中各啮合激励的相位关系,来达到降低噪声的目的。③箱体结构方面。齿轮箱体是一个典型的弹性结构系统,它在轴承动载荷作用下产生振动,辐射噪声,因此合理设计箱体的结构和振动特性,将有助于降低齿轮系统的噪声。例如,设计时以箱体薄壁的振动最小为目的,以频率约束、应力约束、几何约束等为约束条件,使箱壁振动在动态激励作用下最小,达到降低噪声辐射的目的。此外,在箱体结构设计中,应注意使轴承支承座与箱体支点间的结构联系具有足够的刚度,以减少系统的振动。对于较大面积的薄壁,应设置加强筋,以减少振动噪声的幅度。