摘要：本文通过减小啮入冲击，尽量避免节圆冲击，在齿轮设计中运用变性创造法，突破变位系数|χ|≤1、齿顶高系数h_a^*只可取1或0.8的常规约束，拓宽设计参数的取值范围，最终设计出低噪声齿轮。
关键词：噪声  冲击速度  齿轮设计
 
0 引言
现代机械工业对齿轮的性能要求越来越高，低噪声、低震动是高质量齿轮传动的重要性能指标。很多文献提出不同的措施与设计方法来减小齿轮的噪声。提出降低噪声的方法有：(1)减小压力角与减小齿距、增大齿宽、增大重合度等,使降低噪声激励，但是由于刚度与运行空间的要求，在某些情况下难以实现。(2)修形方法，使其动载荷及速度波动减小，以达到低噪声的目的，但是工艺上需要修形设备，中、小型工厂往往无法实施。(3)提高精度，使齿距偏差、节圆偏差、与啮角的偏差与齿轮周期内重合度的变化减小，以减小齿轮啮合时激起的震动。此方法是最为广泛的降低噪声的方法，但是提高齿轮的制造精度需要增加投入，加大了产品的成本，因而缺乏市场竞争力。因此，在齿轮加工制造工艺不变，即生产管理模式不变，避免增加投入，利用现有的设备制造低噪声、低震动的齿轮，齿轮设计是关键^[1][2]。
 
1 齿轮噪声的影响因素与产生机理 
影响齿轮噪声的因素很多，不仅有质量等级与制造误差引起的噪声，也有载荷情况与驱动系统的不同而引入的外部激励，还有因个别零部件的松动导致系统定位不准、非正常啮合、轴系移位等产生的震动与噪声。除了齿轮本身重合度、齿宽、齿距、压力角等自身原因外，还有轴、轴承、箱体以及执行机构等方面的原因。图1所示的是齿轮噪声产生原因的调查资料。调查的对象是汽车、机床、通用机械、减速器等动力传动齿轮装置（此类齿轮模数m≤6,分度圆直径d≤400mm,齿轮精度相当于GB10095—88中的8级精度以上）。从图中可以看出，在产生噪声的全部原因中，组装占15%，使用占20%，制造占30%，设计占35%。

1.齿轮精度2.组装精度3.齿面粗糙度4.齿轮箱形状5.齿轮润滑情况6.轴承7.材质8.齿轮的设计
9.原动机与负载的变化10.运行条件11.轴、轴系12.齿轮形状13.齿轮磨损14.碰伤和毛刺15.其它
图1  齿轮噪声产生的原因
可见设计是影响齿轮噪声的主要因素^[3][4]。
在齿轮啮合过程中，由于轮齿受力必将产生一定程度的弹性变形，因此每当一对轮齿啮合时，原来啮合轮齿的载荷就会相对减小，它们就会立即向着载荷位置恢复变形，从而给齿轮体一个切向加速度，再加上原有啮合轮齿在受载下的弯曲变形，使新啮合的齿轮不能得到设计齿廓的平滑接触而发生碰撞，形成所谓：“啮合冲击力”。此外，由于齿轮的几何参数、制造、安装误差的存在，及轮齿啮合对数、啮合点位置及瞬时传动比不断变化，使得轮齿刚度不断变化，轮齿在啮合中不断互相冲击而激发齿轮震动。齿轮在激振力的作用下，也将激发起齿轮的周向震动、径向震动、轴向震动，从而产生出噪声并通过空气及固体媒介传播出去。因此齿轮啮合过程中所产生的啮合冲击力使齿轮产生震动，从而辐射出噪声。因此设计过程中应着重改善齿轮啮合时的冲击力。
 
2 低噪声齿轮的设计要点
低噪声齿轮设计的要点是减小啮入冲击，尽力避免节圆冲击，突破思维定势：变位系数|χ|≤1、齿顶高系数h_a^*只可取1或0.8的约束^[5]。拓宽设计参数的取值范围。要点如下：
2.1确定线外啮入点的位置和冲击速度
    图2所示为线外啮入点位置及冲击速度计算示意图。图中S点是无变形和误差时的齿廓啮合理论起点，在该点进入啮合的齿廓沿接触线方向速度相等，无冲击。实际上由于受载变形和加工误差e_r的存在，实际啮合起点在Sˊ点。在该点，沿接触线方向主从动轮的接触速度不一样，因此啮合时存在冲击，Sˊ点的位置及相应的速度大小可根据齿轮啮合原理得出的数学模型由数值方法求出^[6]。
2.2确定线外啮出点的位置和冲击速度
图3所示为线外啮出点位置及冲击速度计算示意图。图中1、2两齿廓理论上应在E点退出啮合，而后下一对齿轮3、4开始进入啮合接触。实际上由于齿轮受载变形和制造误差e影响，1、2两齿廓一直啮合到D点才分离，这时3、4齿廓才进入接触。由于接触时3、4两齿廓沿接触线的接触速度不一样，因而导致冲击发生，D点的位置及3、4齿廓接触时的冲击速度大小也可定量求出。     
图2 e_r>0时啮入冲         图3 线外啮出点位置          图4啮入节圆冲击
击示意图              和冲击速度示意图              计算示意图
 
2.3根据加工工艺、刀具参数、制造装配精度、工作条件要求确定设计约束条件
现有的齿轮设计方法未能考虑加工工艺、刀具实际参数、制造装配精度、传动时的实际干涉对传动性能的影响，有时尽管提高了齿轮的制造精度，但噪声、震动还是不理想，其原因是只顾及制造精度一个因素对性能的影响，未能站在系统的角度综合考虑从加工到装配各环节、多因素对性能的影响。为了设计、制造低噪声的齿轮传动，需要在设计阶段综合考虑加工工艺、刀具实际参数、制造装配精度等工艺条件和传动时的实际干涉对传动性能的影响，把它们作为设计的约束条件。
2.4降低啮入冲击速度，尽量避免节圆冲击，使啮入啮出冲击速度比值处于某一数值范围之内
研究表明，啮入冲击是影响噪声的主要因素，啮出冲击是次要因素，但后者在一定的数值时对噪声也有较大影响。实验数据表明，啮出与啮入冲击速度比值处于1.8~2.3范围之内时传动噪声最低。由于节点两侧摩擦力方向不同而引起节圆冲击，设计时应尽量减少冲击，即保证图4中实际啮合起点Sˊ与理论啮合起点S位于中心线同一侧。
把上述设计要点数字化，以变位系数、齿顶高系数、分度圆压力角、中心距为设计变量，啮入冲击速度为目标函数，强度条件、加工工艺、刀具、制造装配精度、重合度、啮合运动时的干涉、齿顶变尖、啮出冲击、节圆冲击等为约束条件，借助计算机程序语言和优化设计方法可设计出低噪声的齿轮传动参数（模数、齿数不变）。
如下表所示是噪声对比的试验数据。实验数据在α=20°，中心距相同， z₁/z₂=42/58,m=3mm,6级精度的条件下得出的。由表可以看出，同样工艺下，新方法设计的齿轮降噪效果明显。
 
齿面无罩噪声对比试验结果

主动轮转速(r/min)	噪声dB	原设计		新方法
		正转	反转	正转	反转
500	声压	64.5	65	61	61.5
	声级(A)	63	63.5	58.5	59
750	声压	65.5	66	62	62.5
	声级(A)	64.5	65	60.5	61
1000	声压	67	67.5	63.5	63.5
	声级(A)	66.5	66.5	62.5	63
1500	声压	69	70.5	66	66.5
	声级(A)	68	69.5	63	64

 
3 结束语
齿轮设计技术是控制齿轮噪声的关键。控制啮出与啮入冲击速度在一定的比值范围内，在传统的制造设备下，同时把加工工艺作为设计的约束条件，突破思维定势的影响、现有参数取值范围的禁锢，利用创新的方法对齿轮进行优化设计，以达到低噪声的目的。
 
 
参考文献
[1]黄纯颖,高志. 机械创新设计. 高等教育出版社,1999
[2]雷光. 齿轮设计手册. 机械工业出版社,1998
[3]何培兴、王斌.卧式车床低噪声齿轮的设计及制造技术，机械设计与制造工程，2000，29（2）：68-69
[4]田国富，张国忠，孙书会.人工神经网络在齿轮设计中的应用，机械设计与制造，2002，2：33-34
[5]强增，原思聪.齿轮设计专家系统的研究与开发，机械工程师，2003，6：13-16
[6]张继红、高佑芳、韩星. 降低齿轮噪声的创新设计原理. 机床与液压，2004，            32（12）：47-49