齿轮传动噪声的优化设计
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摘 要： 齿轮噪声是齿轮传动中的有害声音且极易造成噪声污染，阐述了齿轮噪声产生的机理，分析了其产生的因素，从选材、参数选择、工艺设计实现齿轮传动噪声的优化设计，并对齿轮传动的噪声进行了PROE和ADAMS软件仿真，从而实现齿轮的降噪，使其符合噪声指标和加工精度方面的要求。
关键词： 齿轮传动;噪声;优化设计
中图分类号： TH132.41 文献标识码： A
doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.10.008
A Optimization Design of the Gear Transmission Noise
Ren Fenglan，Zhou Xiaochen
（1.Changde vocational technical college，Changde 415000， China;2.Hunan Applied Technology University，
Changde 415000， China）
Abstract： A noise pollution is easily caused by the gear noise in gear drive that is a harmful sound . The mechanism of gear noise generation is described， and the optimum design of gear transmission noise is realized from material selection， parameter selection and process design. The noise of gear transmission is simulated by PROE and ADAMS software. Thus， the noise reduction of gears can be realized to meet the requirements of noise index and processing accuracy.
Keywords： gear transmission; noise; optimization design
0 引言
齿轮传动是机械传动的重要形式，它具有工作可靠、寿命长、结构紧凑、传动比准确、传动效率高、速度和功率的适用范围较广等优点。而齿轮传动产生的噪声是机械类所产生噪声的主要因素，因此，研究齿轮的优化降噪具有重要的意义。
1 齿轮传动噪声产生的机理
齿轮啮合传动时，啮齿面上存在相对运动，因此齿轮啮合处将产生滑动摩擦力，相对滑动速度方向反向时，摩擦力大小、方向的改变导致啮合点间产生“节点脉冲”现象，此现象也是齿轮在理论啮合条件下存在的齿轮噪声源，而且随着齿轮传动效率增大、转速提高，其表面精度降低，噪声变大。
此外，在齿轮的受力过程中，会产生一定程度的弹性变形，使齿轮运转不匀，产生转角误差，导致对齿轮系的冲击激励，形成“啮合齿轮力”，因此“节点脉冲”和“啮合冲擊力”都是齿轮传动中噪声的产生源。
2 齿轮噪声的产生因素
齿轮噪声的产生因素有许多，在齿轮传动噪声产生的原因当中，组装占15%、设计占35%、制造占30%、使用占20%，如图1所示。
3 降低齿轮传动噪声的优化方案
3.1 材料的选择
齿轮的材料最常用的是钢，其次是铸铁，还有有色金属、非金属等，但某些恶劣工作条件下的齿轮，用中碳钢或中碳低合金钢也不能保证使用性能，这时应选用合金碳钢（20CrMnTi、20CrMnMo），如表1所示，对于重载荷、有冲击的齿轴及齿轮，优先选用20CrMnMo用于制造大齿轮。同时，随着非金属材料制造的零件强度和精度的提高，非金属的弹性模量小，传动时的噪声小。所以，一对啮合的齿轮，小齿轮用非金属材料，大齿轮用金属材料可降低传动的噪声，而在非金属材料的选择上，应考虑到非金属材料的导热性和耐热性较差，可选择导热性好、硬度高的石墨烯材料。
3.2 齿轮参数的选择
3.2.1 降低模数
当分度圆直径一定时，有效的降低模数，不仅能减小齿面的滑动速度，减小磨损及胶合的危险性，降低噪音，而且降低了加工成本。
3.2.2 齿轮机构选择
如降低模数无法满足时，可考虑采用斜齿圆柱齿轮传动，其传动时，两啮合齿面的接触线与轴线方向成一螺旋角，因为螺旋角的作用从而改变了其啮合方式，这样不但延长了每对轮齿的啮合时间，增加了重合度，从而减少了轮齿传动的冲击、振动及噪声，提高了传动的平稳性。在实际应用中，采用斜齿圆柱齿轮并增加螺旋角，可有效降低噪声。
3.3 加工工艺方面
3.3.1 齿形修缘
一对啮合的齿轮，将齿顶部分的一小部分渐开线齿廓向齿体内部作修缘切深，也就是使其局部的压力角经过修正比之前压力角的角度大，因此，修缘部分较为圆滑，与另一齿相啮合，其平稳性增大，动载荷减小，从而降低噪声。
3.3.2 增加结构阻尼
在齿轮表面涂上一层内阻尼材料，如减振剂、油漆因子等，齿轮涂装阻尼后，振动幅度衰减，产生弹性滞后效应，用以吸收振动能量转化为热能，从而达到减振降噪目的。
4 基于PROE和ADAMS的齿轮传动噪声仿真
4.1 齿轮传动噪声仿真
以PROE和ADAMS软件为基础，对齿轮的啮合进行仿真，如图2和图3所示。
4.2 仿真结果
通过PROE和ADAMS程序进行数据仿真，加入新材料后的齿轮噪声值如表2所示。
5 结语
齿轮传动噪声的优化设计是一项系统工程，要从选材、参数选择、工艺设计等方面对齿轮进行优化设计，从而减弱和消除齿轮产生的噪声，它们之间相互影响，相互联系，若任何一个环节未得到有效控制，都将引起降噪失败的连锁反应，所以需要我们积累大量的经验，不断研究齿轮噪声产生的因素，从而实现齿轮的降噪，使其符合噪声指标和加工精度方面的要求。
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