浅谈如何降低齿轮传动噪音

李晓道

摘要：齿轮箱在电机中应用广泛，既可以改变传动方向和速度，也可以起到离合与分配动力的作用，是机械传动中最重要的部件之一。齿轮啮合时是否产生噪音是衡量齿轮传动性能的重要因素，文章分析了齿轮传动噪音产生的原因，并提出了降低齿轮传动噪音的相应对策。

关键词：齿轮传动噪音；啮合系数；加工精度；齿轮设计；模数设计

中图分类号：TH132 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）15-0073-02

齿轮传动的工作原理是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动，具有传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大等优点，是机械领域广泛应用的传动方式。齿轮传动的主要缺点之一是噪音问题，因而降低齿轮传动噪声是进一步提升齿轮品质的重要研究方向。本文分析了齿轮传动噪音产生的原因，并提出了相应对策。

1齿轮传动噪音发生的原因

1.1内因

这里的内因主要是指齿轮的设计参数带来的噪音问题，主要有齿数比、模数、齿宽、螺旋角、压力角、啮合系数、及加工质量等。

1.1.1齿数比

齿数比是齿轮传动时相啮合的大齿轮齿数与小齿轮齿数之比，齿数比的设计依据齿轮的载荷性质和齿面硬度而定，如设计不当则会增大噪音。

1.1.2模数

齿轮的承载如果不是很大，在强度允许的条件下尽量选择较小的模数。而动力传动齿轮，为避免其齿根出现弯曲变形应选择选大模数，以降低噪音。

1.1.3齿宽

一般来说，齿宽越大噪音越小，但齿宽应限制在一定范围内以免造成接触不良，在加大齿轮外径时应选择较小直径。

1.1.4螺旋角

在保证齿轮表面光洁的前提下，随着螺旋角的增加，振动与噪声均会减小。

1.1.5压力角

相同条件下，压力角越大其重合度越小，齿轮传动过程中冲击间隙越大，因而噪音越大。

1.1.6啮合系数

齿轮啮合时会产生啮合冲击而发生与齿轮啮合频率相对应的噪声，因而啮合系数越大，噪音越小。

1.1.7加工精度

加工的精确程度直接关系到噪音的产生情况，如果存在误差会引起啮合冲击产生杂音，或者是边缘磨损容易产生哨声。

1.2外因

除了齿轮本身的问题，产生噪音的重要因素还有轴系的弯曲与扭转，轴承、轴承座及齿轮箱等。

1.2.1轴系

齿轮通过键、销、螺钉等零件安装在轴上，这需要高精度的轴与之相配合，否则再好的齿轮也会因轴的弯曲、挠动、扭转而增加振动与噪声。滚动轴承本身就是一个振动源。就轴承本身而言，内外滚道特别是滚动体的圆度是影响噪声的最重要因素。

1.2.2轴承与轴承座

轴承是影响轴系精度、振动与噪声的重要元件，在震动过程中，轴承和轴承座会有冲击，轴承座受到脉动循环变应力，不仅产生噪音，对轴承和轴承座损伤也很大。

1.2.3齿轮箱箱体质量及装配质量对噪声的影响

箱体上箱壁与其罩、盖是机床振动部分与空气接触面积最大的振动体，是噪声的主要辐射体，它们的振动越大，噪声也越大。箱体刚性好，振动速度低，传声就小。

除以上分析，在机床的液压、气动装置中,一般都存在噪声问题，这是因为流体以一定的压力和速度流经缝隙时，造成能量损失，这部分能量以振动与噪声的形式消耗掉。

2降低齿轮传动噪音的对策

2.1齿轮原材料的选择

提高齿轮品质是减少噪音的重要方法，高品质离不开好的原材料。制造齿轮的材料主要有钢材和非金属材料两种。如果对齿轮要求不高，为了降低噪声，则建议使用非金属材料。制造齿轮的材料衰减性能要优良，但衰减性能优良的原材料一般有强度较低的缺点，因此一定要特别注意齿轮的使用环境，例如轻工机械就可以选用酚醛树脂等材料。而重工机械宜选用40Cr和45钢制造齿轮，也可采用高分子材料及粉末冶金材料代替钢材，以增加阻尼及吸振作用。此外，在一对啮合齿轮中，小齿轮可以可以采用非金属材料，大齿轮仍采用金属材料，以降低齿轮传动噪音。另外要重视原材料的检验工作，主要包括化学成分检验、晶粒度测定和纯洁度评定，对于原材料的把关要严格。

2.2模数和齿数的设计

2.2.1模数的设计

如果齿轮传动的载荷较大，为了避免因轮齿变形导致噪音增大，可以选择增大模数以减小轮齿的动态激励。而在载荷较小的情况下，随着模数的增大，轮齿的误差也会增大，从而会增大噪音。因此需要比较齿距误差与轮齿变形的程度，从齿轮加工误差的角度来衡量模数大小对噪声的影响。假设齿距误差为△P，△P=C1+C2M+C3，齿形误差△F= C4M+C5，其中，M是模数，C1、C2、C3、C4、C5为有关常数。结论是在荷载较小时，在保证齿轮强度的前提下，尽可能取小的模数。

2.2.2齿数的设计

模数不变的情况下，如改变齿数，改变齿轮的直径和表面积也发生了改变。假设声功率是W，则W=0.06pW2R2/ΠC3（6+0.85RP）2×F2，其中，F是按正弦规律变化的激振力的有效值，R是圆板直径，P是空气密度，C是常数。结论：圆板直径增大，噪声将增大，因此在齿轮设计中，应尽可能减小齿轮的直径。

2.3提高加工精度

2.3.1保证齿轮的精度

按照相关标准规定，齿轮线速度需高于20m/s，精度要达到GB10995-88 7～8级，齿轮，齿距极限偏差、齿圈径向跳动公差、齿向公差要达到7级精度，而且需要达到稳定。

2.3.2控制齿坯的精度

齿轮孔的尺寸的精度要求在孔的偏差值的中间差左右分布，定在±0.003～±0.005mm；如果超差而又在孔的设计要求范围内，必须分类，分别转入切齿工序。齿坯的端面跳动及径向跳动为6级，定在0.01～0.02mm。

2.4防止热处理变形

齿坯在粗加工后成精锻件需要进行正火或调质处理，以达到如下目的：（1）消除残余应力；（2）软化钢件以便进行切削加工；（3）细化晶粒，改善组织以提高钢的机械性能。应注意的是，在正火或调质处理中，一定要保持炉膛温度均匀，以及采用工位器具，使工件均匀地加热及冷却，严禁堆放在一起。需钻孔减轻重量的齿轮，应将钻孔序安排在热处理后进行。齿轮的最终热处理采用使零件变形较小的齿面高频淬火；高频淬火后得到的齿面具有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限，而心部仍保持足够的塑性和韧性。为减少变形，齿面高频淬火应采用较低的淬火温度和较短的加热时间、均匀加热、缓慢冷却。

2.5使用超级润滑剂

为降低金属间接触，降低噪音，还可以使用超级润滑剂，它是一种特殊惰性材料，主要作用是降低金属间直接摩擦。它的作用机理是在外螺纹和内螺纹间形成一个接触面，保护接头免受摩擦和磨损影响，它可以承受1407kg/cm2的压力。超级润滑剂也是一种极好的齿轮箱添加剂，可以在内部件上形成以一层薄膜，从而降低摩擦，齿轮噪音以及泄露。它还具有降低力矩应力，满足动力减压需求的功能。

3结语

上文论述了齿轮传动中噪音产生的原因，并结合笔者实际经验提出了若干对策。如何减小齿轮噪音是需要齿轮制造届和学术界持续研究的课题，还需要相关工作人员在实践中不断总结和探索，消除齿轮应用中的各种问题，提高齿轮质量。

参考文献

[1]钟国欣．齿轮设备噪音的产生原理[J]．一重技术，2008，（2）．

[2]金钟敬，王斌．齿轮噪音技术攻关[J]．机械科学与技术，1992，（5）．

[3]陶发荀．传动系三大问题探索系列——轴承损伤及解决方案 [J]．汽车零部件，2010，（6）．

（责任编辑：赵秀娟）