引言

在齒輪系統(tǒng)傳動(dòng)的過(guò)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(dòng),最終產(chǎn)生噪聲,如圖1所示。

圖1齒輪體嚙合過(guò)程

人們生活在充滿聲音的世界里,有些聲音動(dòng)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(dòng)過(guò)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(dòng)中所發(fā)出的噪聲已成為大勢(shì)所趨,它不僅可以提高齒輪傳動(dòng)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(wèn)題進(jìn)行探討。

1齒輪傳動(dòng)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(duì)于剛性較差的齒輪而言,本身的固有振動(dòng)頻率必須與相互嚙合齒輪的振動(dòng)頻率相同,我們把這種具有相同振動(dòng)頻率的現(xiàn)象稱為"共振現(xiàn)象"。因?yàn)楣舱瘳F(xiàn)象存在的特殊性,一旦齒輪的振動(dòng)頻率有所增加,就會(huì)產(chǎn)生較高的振動(dòng)噪聲,要想解決共振現(xiàn)象的噪聲問(wèn)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(dòng)中出現(xiàn)共振現(xiàn)象,對(duì)噪聲的產(chǎn)生影響極大。

1.2阻尼材料的影響

齒輪傳動(dòng)中產(chǎn)生噪聲,一方面是齒輪的脈動(dòng)作用,另一方面是齒輪的嚙合沖擊,二者的結(jié)合最終會(huì)引發(fā)振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲。因此,采用阻尼材料來(lái)降低噪聲,實(shí)際上是減小齒輪傳動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)。

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(guò)程中所做的功,大于材料在卸載過(guò)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(jìn)而消耗部分能量。簡(jiǎn)而言之,在振動(dòng)過(guò)程中,阻尼材料可以消耗和吸收振動(dòng)的能量,使瞬態(tài)振動(dòng)迅速衰減,減少受迫振動(dòng)的產(chǎn)生,降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)的能量,最終達(dá)到降低噪聲的目的。因此,采用阻尼材料來(lái)降低噪聲,具有簡(jiǎn)單方便、經(jīng)濟(jì)成本低、性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì),在機(jī)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(duì)齒輪正確進(jìn)行嚙合時(shí),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(huì)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(guò)彈性變形的回彈,又恢復(fù)至原來(lái)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(duì)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(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性,在裝配過(guò)程中要對(duì)齒輪的裝配質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。在齒輪裝配過(guò)程中,嚙合間隙過(guò)大或者過(guò)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(guò)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(wèn)題:著色印痕不理想,就可能導(dǎo)致齒輪在工作過(guò)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(duì)解決故障問(wèn)題,預(yù)防故障再現(xiàn)有很大的幫助。

2降低齒輪傳動(dòng)噪聲的措施

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

2.1減小振動(dòng)

齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在安裝時(shí)有許多地方值得注意,但最應(yīng)該注意的是避免機(jī)身與基礎(chǔ)支撐和連接部分之間發(fā)生共振,因?yàn)橐坏┕舱?會(huì)引發(fā)很大的噪聲。當(dāng)然,在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中,除設(shè)計(jì)本身的原因之外,還與安裝時(shí)沒(méi)有經(jīng)過(guò)"空試"而找出共振位置有關(guān)。那么如何來(lái)避免共振,減少噪聲的產(chǎn)生呢?

直齒輪在變速箱中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),產(chǎn)生的振動(dòng)非常大,噪聲也非常響。而斜齒輪具有傳動(dòng)平穩(wěn)、嚙合沖擊力小的優(yōu)點(diǎn),不易產(chǎn)生共振現(xiàn)象。若將直齒輪改為斜齒輪傳動(dòng),齒輪箱中的噪聲會(huì)降低很多。所以,將直齒輪傳動(dòng)改為斜齒輪傳動(dòng)是減小振動(dòng)、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(dòng)時(shí),阻尼材料受徑向振動(dòng)、周向振動(dòng)、軸向振動(dòng)的約束,會(huì)產(chǎn)生很大的變形。為此,必須消耗振動(dòng)的能量,使齒輪傳動(dòng)的振動(dòng)減小,這樣才能達(dá)到明顯的降低噪聲的效果。值得注意的是,無(wú)論粘貼的形式如何,均可降低齒輪傳動(dòng)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(shí),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(lái)降低齒輪傳動(dòng)的噪聲要比只提高齒輪精度來(lái)降低噪聲方便、簡(jiǎn)單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)得多。因此,在以后的齒輪傳動(dòng)中,可廣泛采用該方法來(lái)降低噪聲,其能節(jié)省大量的經(jīng)濟(jì)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(dòng)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(lái)減小輪齒的動(dòng)態(tài)激勵(lì)。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(huì)增大,因而噪聲也會(huì)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(duì)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(qiáng)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(dòng)中假如載荷較大,則采取增大齒輪模數(shù)的方法來(lái)降低噪聲:假如載荷較小,則采取減小齒輪模數(shù)的方法來(lái)降低噪聲。調(diào)整齒輪模數(shù)的大小,是降低齒輪傳動(dòng)噪聲的關(guān)鍵之舉。

2.4提高裝配精度

齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在安裝時(shí),假如裝配精度沒(méi)有達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值,就會(huì)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(lái)降低噪聲。在安裝齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí),盡量避免兩個(gè)接觸件之間發(fā)生共振,如:機(jī)身與基礎(chǔ)或機(jī)身與連接件。對(duì)于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中的零部件(軸承、軸承座、齒輪軸和箱體等),噪聲的級(jí)別與這些零部件的安裝精度息息相關(guān),因此在裝配過(guò)程中必須嚴(yán)格執(zhí)行裝配工藝規(guī)程,在裝配時(shí)及時(shí)檢測(cè)裝配精度。

在裝配過(guò)程中,一旦存在個(gè)別零部件出現(xiàn)松動(dòng)這樣的現(xiàn)象,立馬就會(huì)導(dǎo)致齒輪系統(tǒng)的定位不準(zhǔn)確,造成齒輪嚙合在非正常位置上,軸系產(chǎn)生移動(dòng),進(jìn)而產(chǎn)生噪聲。所以,在安裝過(guò)程中一定要保證齒輪的裝配精度,若因?yàn)椴僮鞑划?dāng)而損壞了個(gè)別零部件,為了避免引起系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)失穩(wěn),必要時(shí)可以將這些損壞件直接更換掉。

3結(jié)語(yǔ)

總而言之,齒輪傳動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的噪聲,會(huì)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(lái)更多的收益。隨著1so14000、1so18000這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的相繼頒布,控制齒輪傳動(dòng)噪聲已經(jīng)成為當(dāng)下最為重要的一項(xiàng)舉措,影響齒輪傳動(dòng)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(gè)方面著手,介紹了其對(duì)齒輪傳動(dòng)噪聲的影響,并討論了在這幾個(gè)方面如何采取有效手段來(lái)降低噪聲。

當(dāng)然,減小齒輪傳動(dòng)的噪聲是需要研究人員不斷深入研究與探討的一個(gè)課題,筆者只是單純地從四小點(diǎn)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(wèn)題,以保障齒輪傳動(dòng)的工作質(zhì)量。