锥齿轮设计与噪音

admin

锥齿轮设计与噪音
[摘要]本文通过对齿轮参数、齿轮安装系、齿轮润滑等方面分析了驱动桥弧齿锥齿轮噪音的主要控制点，并提出了一些笔者的见解
[关键词] 弧齿锥齿轮 设计 噪音 齿轮参数 润滑
1、前言
目前客车驱动桥基本上采用货车用驱动桥，主要存在车速低、噪音较大、扭距不足的缺点。因此开发客车专用低噪音、大扭距齿轮已经成为当前改善客车整体性能的重要一环。
引起驱动桥齿轮噪音的主要原因是齿轮在在运转中的震动，齿轮参数的选取，齿轮的安装方式以及润滑等，以下就此分别进行分析。
2、齿轮参数对齿轮传动噪音的影响
齿轮参数的选择是决定齿轮工作性能和噪音的首要问题。
2.1模数和齿数
齿轮的模数越大，强度越高，在传动中齿形变形越小。从理论上说，所引起的齿轮角速度会小一些，引起的震动和噪音也会小一点，但事实上模数越大，加工误差的绝对值也会增大，在传动中会增大动载荷，增大震动和噪音；同时，由声学理论上来说，旋转体的端面面积越大，相同角速度时产生的噪音也越大。当齿数一定时，增大模数，就增大了端面面积，增大了噪音的发射能力。另一方面，齿轮噪音也与齿轮节圆的线速度有关，线速度越大，运转噪音也越大，相关试验反映，齿轮线速度增加一倍，齿轮噪音增加6分贝。
当模数一定时，减少齿轮的齿数，就减少了噪音，就减少了噪音的辐射面积，同时也减少了齿轮的圆周速度，这些都有利于降低齿轮噪音。但减少齿数受到以下两方面的限制：一是齿数太少，用范成法加工齿轮时会出现根切现象；另一方面，当压力角一定时，主被动的齿数和太小，会降低重叠系数，影响平稳性和传递载荷的能力。
综合上述分析，从降低齿轮噪音方面来说，应该在满足强度的前提下，选用较小的模数；在保证单个齿轮不根切，主被动齿轮的接触比在1.75-2.0的前提下选用较少的齿数，以便得到较小的齿轮直径。
另外，在齿轮传动中，要求主被动齿轮的齿数应互为质数，这样可以分散齿接触误差对传动平稳性的影响，在传动中就不会出现某些周期性的重复啮合现象，这就消除了这种误差引起齿轮传动中的周期性的强迫震动所引起的噪音。
2.2、接触比和主动锥齿轮螺旋角
主被动齿轮的接触比一般被认为是评定齿轮传动平稳性和承载性的重要指标，增大接触比可以减少主被动齿轮结合和分离时的冲击力，就会减少震动和噪音。但当修正接触比超过2.3时，就不能保证相应应力下的耐久寿命，特别是齿轮的抗冲击力减弱。加大主动锥齿轮的螺旋角可以增大主被动齿轮的接触比，因次应在保证主动齿轮强度的基础上选择略大的螺旋角，使传动平稳并提高齿轮寿命。
2.3、从动轮齿面宽
从理论上说，增加齿宽可以提高齿轮的强度和刚度，减少齿轮齿在啮合中的变形，减少噪音。在试验中发现齿宽变化对噪音的影响有限，齿轮噪音几乎没有太大的变化，因此，在设计中一般按Gleason推荐的取外锥距的30%到33%。
2.4、齿两侧平均压力角
增大压力角，可以提高齿轮的强度，但在主被动齿轮齿数不变时，增大压力角将降低接触比。更重要的是增大压力角，会增大轴承的径向负荷和轴的弯曲变形，这将影响主被动齿轮的正常啮合，引起震动和噪音。因此提高为了提高齿轮的承载能力，采用大的压力角的齿轮是弊大于利。日产柴现在两侧的平均压力角为22.5°。
2.5、齿侧间隙
Gleason推荐的齿侧间隙如下，
模数 齿侧间隙（mm）
25.4 0.50-0.75
12.7 0.30-0.40
8.47 0.20-0.28
6.35 0.15-0.20
4.23 0.1-0.15
2.54 0.05-0.10
双曲面齿轮加工具有一定的侧隙量，这个侧隙是根据齿距和工作条件而定的。如果齿侧间隙太小，就会增加齿间润滑油的压力，引起弹性震动，甚至破坏齿面的油膜，还可能引起齿侧的干涉。因此在Gleason推荐的范围内，选用偏大的齿侧间隙对降低齿轮噪音是有利的。
2.6、偏置距
双曲面齿轮的相对于螺旋锥齿轮来说，主、被动齿轮轴存在有向上或向下的偏移，这个偏移量既为双曲面齿轮的偏置距。偏置距增大可以增大主动锥齿轮的直径，使其具有好的强度和刚度，提高齿轮传动的负荷，同时可以选用较大的螺旋角，增加接触比，降低传动噪音。但太大的偏置距会产生根切，因此应在不产生根切的前提下增大偏置距。Gleason推荐的偏置距为平均锥距的20%以下。
2.7、齿廓修形
无疑，提高齿轮加工精度和装配精度是降低齿轮噪音的重要途径。在试验中，一对转速为1000转/分的齿轮仅将齿形误差从0.017mm降低到0.005mm时，测的噪音降低8分贝。因此，可以采取磨齿加工进行修形的方式来降低齿轮噪音。
2.8、材料及热处理
2.8.1、双曲面齿轮用的材料，应有足够的机械性能、低的成本及良好的工艺性能，目前汽车锥齿轮几乎全部采用渗碳钢。为了提高齿轮的精度，降低齿轮噪音，应选用变形小的材料，另外钢材的机械加工性在成批生产的齿轮中尤为重要，它对齿轮的光洁度、加工残余应力、切削效率及刀具寿命均有直接关系。建议选用20CrMoH、22CrMoH等材料。
2.8.2、热处理采用渗碳、淬火、回火工艺。渗碳层太薄时，容易产生表层剥落及压陷，影响齿轮的抗弯疲劳强度，层太厚时，渗碳层的表面残余应力减小，表层金相组织恶化，其深度应根据齿轮的模数或齿宽的大小、齿轮载荷的大小进行选取，一般层深取分度圆齿厚的1/5-1/6。参碳层的表面硬度通常取HRC58-63。齿轮的心部硬度较低时，受载后易产生心部过度层的塑性变形，使渗碳层过载，出现层深剥落及点蚀，并降低齿轮的抗弯强度，故应保证齿轮轮齿有足够的心部强度，通常，心部硬度取HRC33-48。
以上所提到的是在齿轮设计中常用到的一些设计参数。实际上，它们之间都是相互联系有是相互制约的，任何指标的多与少、高与低都是相对的、有限的。片面地、过高地追求某一个或几个高指标，不注意其它参数间的相互影响、相互关系，不仅不能实现降低齿轮噪音的目的，往往还会降低齿轮传动的性能，缩短齿轮的工作寿命或增加成本。只有在设计中对各种因数全面考虑、综合分析，才能设计出成本低廉，性能良好的产品。
3、双曲面齿轮副的安装对传动噪音的影响
3.1、主动锥齿轮的支撑形式
在壳体结构和轴承形式已定的情况下，主动齿轮的支撑形式及安装方式对支撑刚度影响很大，这是齿轮能否正确啮合并具有较高使用寿命的重要因数之一。主动锥齿轮的布置方式有两种，悬臂式和骑马式。悬臂式是指齿轮以其轮齿大端一侧的轴径悬臂式的支撑于一对轴承上；骑马式是指齿轮前、后两端的轴径均以轴承支撑，采用该结构支撑可使支撑刚度大为减小，约为悬臂式支撑的1/30，而主动锥齿轮后轴承的径向负荷比悬臂式的要减小至1/5-1/7。轴承承载能力可以提高10%左右。此外由于齿轮大端一侧前轴承及后轴承之间的距离很小，可以缩短主动锥齿轮轴的长度，使布置更紧凑，这有利于减小传动轴夹角及整车布置。因此对客车用驱动桥而言，尽量采用骑马式布置方式，提高齿轮刚度，降低传动噪音。
3.2、主、被齿轮安装精度
目前螺旋锥齿轮是成对制造和使用的。因此，在实际生产中，通常沿用成对齿轮检验的办法，及要求在滚动检验机上检验成对齿轮的齿面接触区及噪音，大轮转一周的侧隙变化量及齿侧隙的极限值。
3.2.1、齿面接触区
齿面接触区是锥齿轮的主要质量指标之一。在实际生产中按JB180-60来确定安装区是否满足要求，若接触区位置不正确，将造成运转噪音的明显变化引起齿轮的不正常损坏。
3.2.2、噪音
齿轮噪音检验要求目前尚无统一的标准，东风公司QCT533-1999《汽车驱动桥　台架试验方法》可以大致的对齿轮噪音和主、被动齿轮的安装起到一定的控制作用。
3.3、轴承
在机械传动中，轴承也是引起噪音的一个重要环节，与滚动轴承相比，滑动轴承传动比较平稳，噪音比较低，但滑动轴承的润滑效果是个难题，目前它们的应用还受到一定的限制。
滚动轴承目前应用较广，类型很多，它自身的噪音一方面和自身的精度等级有关；另一方面也受到结构形式的影响。在滚道直径相同时，轴承中的钢球越多，轴承的钢度越好，震动和噪音越小。另外，轴承内外环间的间隙过大，也会引起轴承的震动，因此安装时应在轴向加一定的予紧载荷，并保证充分润滑。
4、润滑对齿轮传动噪音的影响
4.1、采用飞溅润滑时，润滑油的添加量
添加润滑油太少，油面过低，齿轮得不到充分润滑，右面过高，会引起过大的搅油损失，会增加噪音。一般而言，加润滑油至被动轮下齿面宽的1/3处，进行试验，根据试验中润滑油的温度、齿轮的传动噪音和磨损情况进行适量调整。
4.2、油品
润滑油的粘度也是影响齿轮噪音的重要因数。粘度大，阻尼大，齿轮发出的噪音低。但在飞溅润滑中粘度大，油的的阻力大，齿轮在油中运行引起的损耗大，容易引起油温升高，同时根据客车驱动后桥双曲线齿轮的使用环境一般采用85W/90重负荷车辆齿轮油（GL-5）。
总之，添加润滑油能减少对齿轮传动时齿轮间的磨损，延长齿轮寿命，降低传动噪音，同时冷却齿轮副，以减少齿轮的胶合。因此，设计者应根据齿轮的实际使用情况选用合适的润滑油和采取适当的润滑方式。
5、结论
5.1、在驱动桥齿轮设计中，采取的各种方案、措施均应从实际出发，尽量让各种因数相互影响、相互制约的特性，为设计所用。
5.2、对驱动桥齿轮噪音级别的要求，应从实际出发，要求太低，不能满足用户要求；要求过高，必然会增加成本，甚至难以实现，降低产品的竞争能力。
6、参考文献
《螺旋锥齿轮》 北京齿轮厂 科学出版社
《格利森锥齿轮技术资料》 北京齿轮厂译 机械工业出版社
《汽车理论》 余志生 机械工业出版社
《汽车设计》 刘维信 清华大学出版社
《滚动轴承的额定负荷与寿命》 刘泽九等 机械工业出版社
《日本机械学会论文集》 昭和39年 6月
《Machine design》 1978年





陈园园 湖北省十堰市东风汽车有限公司商用车研发中心客车部
Tel:0719-8218232 13872761051
Fax:0719-8224783
邮编：442000
E-mail:cyy5203344@tom.com

liusky

受益颇深，谢谢。

齿轮研究

噪音的根源在于齿轮加工和安装以及机箱的加工，还有加工原理即平面齿轮原理本身就是近似的，怎么可能没有啮合缺陷，噪声难免啊。

shanshui813

说的不错，学习了

梧桐夜雨

从理论上剖析的还好！！顶一下

用户名被屏蔽

很不错的文章。只是看得出来，作者有所保留，能够谈得更细致、更彻底些就更好了。

sxhzwl

如果能把接触区的热处理变化规律摸索讲解一下  就好了

haerbinhao

很好的文章，顶一顶！

pj1966

好文章，不过齿轮躁音最大根源是计算参数的偏差和机床的误差与调试不到位。

zhangjun

好文章，