引言

在齒輪系統(tǒng)傳動的過程中,由于相互嚙合的齒輪體之間互相碰撞或摩擦而引起振動,最終產(chǎn)生噪聲,如圖1所示。

圖1齒輪體嚙合過程

人們生活在充滿聲音的世界里,有些聲音動聽悅耳,讓人沉醉讓人回味:有些聲音混亂嘈雜,讓人煩躁讓人厭惡。齒輪在傳動過程中所發(fā)出的聲音,常常讓操作者深感煩躁,甚至苦不堪言,所以,減小齒輪傳動中所發(fā)出的噪聲已成為大勢所趨,它不僅可以提高齒輪傳動系統(tǒng)的工作效率,更是可以滿足操作者的身心健康需求。齒輪形成噪聲的原因有很多,下面就這一問題進行探討。

1齒輪傳動產(chǎn)生噪聲的原因

1.1共振現(xiàn)象的影響

齒輪產(chǎn)生噪聲的原因有很多種,其中最為重要的原因之一就是產(chǎn)生共振現(xiàn)象。所謂"共振現(xiàn)象",是指對于剛性較差的齒輪而言,本身的固有振動頻率必須與相互嚙合齒輪的振動頻率相同,我們把這種具有相同振動頻率的現(xiàn)象稱為"共振現(xiàn)象"。因為共振現(xiàn)象存在的特殊性,一旦齒輪的振動頻率有所增加,就會產(chǎn)生較高的振動噪聲,要想解決共振現(xiàn)象的噪聲問題,唯有提高齒輪的剛性。齒輪的剛性提高,共振現(xiàn)象就可以得到解決,噪聲就可以削弱?？傊?在齒輪傳動中出現(xiàn)共振現(xiàn)象,對噪聲的產(chǎn)生影響極大。

1.2阻尼材料的影響

齒輪傳動中產(chǎn)生噪聲,一方面是齒輪的脈動作用,另一方面是齒輪的嚙合沖擊,二者的結(jié)合最終會引發(fā)振動而產(chǎn)生噪聲。因此,采用阻尼材料來降低噪聲,實際上是減小齒輪傳動過程中的振動。

在阻尼材料的應(yīng)力-應(yīng)變滯后線的應(yīng)力循環(huán)中,外界在材料加載過程中所做的功,大于材料在卸載過程中所釋放的能量,其原因是材料把一部分能量轉(zhuǎn)換成熱量,進而消耗部分能量。簡而言之,在振動過程中,阻尼材料可以消耗和吸收振動的能量,使瞬態(tài)振動迅速衰減,減少受迫振動的產(chǎn)生,降低結(jié)構(gòu)振動的能量,最終達到降低噪聲的目的。因此,采用阻尼材料來降低噪聲,具有簡單方便、經(jīng)濟成本低、性價比高的優(yōu)勢,在機械工程領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

1.3模數(shù)大小的影響

在直齒圓柱齒輪的相關(guān)參數(shù)中,有齒數(shù)、模數(shù)、齒槽寬、齒距、齒厚、分度圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑等,其中模數(shù)是齒輪最主要的參數(shù)。當(dāng)一對齒輪正確進行嚙合時,除模數(shù)必須要相等之外,兩齒輪分度圓上的齒形角也必須相等,而相互嚙合的齒輪之間的彎曲作用應(yīng)力會導(dǎo)致齒輪的齒形產(chǎn)生彎曲彈性變形,齒輪在脫離嚙合之后,齒形經(jīng)過彈性變形的回彈,又恢復(fù)至原來的齒形狀態(tài),從而產(chǎn)生噪聲。輪齒的彎曲剛度與模數(shù)成正比,所以模數(shù)的大小對漸開線直齒圓柱齒輪噪聲的產(chǎn)生有著重要的影響。

1.4裝配精度的影響

為了保證齒輪的裝配質(zhì)量,提高發(fā)動機運行的可靠性和安全性,在裝配過程中要對齒輪的裝配質(zhì)量進行檢測。在齒輪裝配過程中,嚙合間隙過大或者過小、嚙合間隙處在極限位置,齒輪著色都可能出現(xiàn)接觸位置、大小、形狀不好的情況。齒輪的裝配精度直接影響齒輪加工的質(zhì)量。如果在裝配過程中齒輪的嚙合間隙不符合技術(shù)要求,就可能產(chǎn)生齒輪軸向裂紋、載荷分布不均勻等相關(guān)問題:著色印痕不理想,就可能導(dǎo)致齒輪在工作過程中產(chǎn)生磨損、剝落,甚至出現(xiàn)裂紋。因此,保證齒輪的裝配質(zhì)量,提高齒輪的裝配精度,對解決故障問題,預(yù)防故障再現(xiàn)有很大的幫助。

2降低齒輪傳動噪聲的措施

根據(jù)齒輪傳動中產(chǎn)生噪聲的原因,在機械設(shè)備大修中,應(yīng)如何來降低或消除噪聲呢?

2.1減小振動

齒輪傳動系統(tǒng)在安裝時有許多地方值得注意,但最應(yīng)該注意的是避免機身與基礎(chǔ)支撐和連接部分之間發(fā)生共振,因為一旦共振,會引發(fā)很大的噪聲。當(dāng)然,在齒輪傳動系統(tǒng)中,除設(shè)計本身的原因之外,還與安裝時沒有經(jīng)過"空試"而找出共振位置有關(guān)。那么如何來避免共振,減少噪聲的產(chǎn)生呢?

直齒輪在變速箱中運轉(zhuǎn)時,產(chǎn)生的振動非常大,噪聲也非常響。而斜齒輪具有傳動平穩(wěn)、嚙合沖擊力小的優(yōu)點,不易產(chǎn)生共振現(xiàn)象。若將直齒輪改為斜齒輪傳動,齒輪箱中的噪聲會降低很多。所以,將直齒輪傳動改為斜齒輪傳動是減小振動、降低噪聲的有效之舉。

2.2粘貼阻尼材料

假如在齒輪的端面上粘貼一層阻尼材料,那么在齒輪振動時,阻尼材料受徑向振動、周向振動、軸向振動的約束,會產(chǎn)生很大的變形。為此,必須消耗振動的能量,使齒輪傳動的振動減小,這樣才能達到明顯的降低噪聲的效果。值得注意的是,無論粘貼的形式如何,均可降低齒輪傳動的噪聲。只是材料不同,降低噪聲的效果也不同。在齒輪高速旋轉(zhuǎn)時,降低噪聲的效果尤為明顯,可降低噪聲2~4dB。

采取粘貼阻尼材料的方法來降低齒輪傳動的噪聲要比只提高齒輪精度來降低噪聲方便、簡單、實用、經(jīng)濟得多。因此,在以后的齒輪傳動中,可廣泛采用該方法來降低噪聲,其能節(jié)省大量的經(jīng)濟開支,提高生產(chǎn)效益,且易于加工。

2.3調(diào)整模數(shù)大小

如齒輪傳動的載荷較大,為了避免因輪齒變形引起噪聲變大,可以選擇增大模數(shù)的方法,來減小輪齒的動態(tài)激勵。假如在載荷較小的情況下,隨著齒輪模數(shù)的增加,輪齒的誤差也會增大,因而噪聲也會增大。因此,在比較齒距誤差與輪齒變形的前提下,可從齒輪加工誤差角度出發(fā)衡量模數(shù)大小對噪聲的影響。假設(shè)齒距誤差為AP=C1＋C2·m＋C3,齒形誤差為AF=C4·m＋C5,其中,m是模數(shù),C1、C2、C3、C4、C5為有關(guān)常數(shù),得出相關(guān)結(jié)論:荷載較小的情況下,在保證齒輪強度的前提下,應(yīng)盡可能使齒輪的模數(shù)小一些。

因此,我們可以看出,在齒輪傳動中假如載荷較大,則采取增大齒輪模數(shù)的方法來降低噪聲:假如載荷較小,則采取減小齒輪模數(shù)的方法來降低噪聲。調(diào)整齒輪模數(shù)的大小,是降低齒輪傳動噪聲的關(guān)鍵之舉。

2.4提高裝配精度

齒輪傳動系統(tǒng)在安裝時,假如裝配精度沒有達到規(guī)定的標準值,就會發(fā)生共振,從而引發(fā)噪聲,這就需要提高裝配精度,以此來降低噪聲。在安裝齒輪傳動系統(tǒng)時,盡量避免兩個接觸件之間發(fā)生共振,如:機身與基礎(chǔ)或機身與連接件。對于齒輪傳動系統(tǒng)中的零部件(軸承、軸承座、齒輪軸和箱體等),噪聲的級別與這些零部件的安裝精度息息相關(guān),因此在裝配過程中必須嚴格執(zhí)行裝配工藝規(guī)程,在裝配時及時檢測裝配精度。

在裝配過程中,一旦存在個別零部件出現(xiàn)松動這樣的現(xiàn)象,立馬就會導(dǎo)致齒輪系統(tǒng)的定位不準確,造成齒輪嚙合在非正常位置上,軸系產(chǎn)生移動,進而產(chǎn)生噪聲。所以,在安裝過程中一定要保證齒輪的裝配精度,若因為操作不當(dāng)而損壞了個別零部件,為了避免引起系統(tǒng)運動失穩(wěn),必要時可以將這些損壞件直接更換掉。

3結(jié)語

總而言之,齒輪傳動過程中所產(chǎn)生的噪聲,會導(dǎo)致操作者有不良的情緒反應(yīng),唯有減小噪聲,才可以讓操作者更加愉悅地工作,更加用心地投入生產(chǎn),從而為企業(yè)帶來更多的收益。隨著1so14000、1so18000這兩項標準的相繼頒布,控制齒輪傳動噪聲已經(jīng)成為當(dāng)下最為重要的一項舉措,影響齒輪傳動噪聲的因素有很多,本文從共振現(xiàn)象、阻尼材料、模數(shù)大小、裝配精度四個方面著手,介紹了其對齒輪傳動噪聲的影響,并討論了在這幾個方面如何采取有效手段來降低噪聲。

當(dāng)然,減小齒輪傳動的噪聲是需要研究人員不斷深入研究與探討的一個課題,筆者只是單純地從四小點入手,淺談了產(chǎn)生噪聲的原因及解決措施,在后續(xù)的工作中,我們還需繼續(xù)努力,研究如何消除齒輪應(yīng)用中的各種問題,以保障齒輪傳動的工作質(zhì)量。