螺旋錐齒輪副不同載荷下嚙合噪音隨轉(zhuǎn)速變化的變化規(guī)律研究

1、螺旋錐齒輪副不同載荷下嚙合噪音隨轉(zhuǎn)速變化的變化規(guī)律研究（東莞金洲齒輪機(jī)械有限公司，東莞523992）摘要：基于現(xiàn)場研齒試驗(yàn)，分別在空載、輕載、重載的情況下，進(jìn)行各轉(zhuǎn)速狀態(tài)下螺旋錐齒輪副的正、反轉(zhuǎn)試驗(yàn)，測量各轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的噪音。根據(jù)美國齒輪協(xié)會(huì)AGMA的齒輪噪音手冊(cè)中的校正公式，對(duì)測得的噪音進(jìn)行校正處理，除去環(huán)境噪音、機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)噪音、發(fā)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)噪音等外來噪音的干擾，計(jì)算出齒輪副真正的嚙合噪音，探討不同載荷下，嚙合噪音隨轉(zhuǎn)速變化的變化規(guī)律。關(guān)鍵詞：螺旋錐齒輪 空載 輕載 重載 轉(zhuǎn)速 嚙合噪音 1. 前言螺旋錐齒輪包括弧齒錐齒輪和準(zhǔn)雙曲面齒輪兩種，是汽車和工程機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，其工作性能對(duì)整個(gè)傳

2、動(dòng)系統(tǒng)有著至關(guān)重要的影響。齒輪副的動(dòng)態(tài)性能主要通過嚙合振動(dòng)及嚙合噪聲來衡量。齒輪傳動(dòng)是靠輪齒間相互交替作用而傳遞動(dòng)力的。在輪齒嚙合處齒與齒之間發(fā)生連續(xù)的沖擊以及齒面間的磨擦，從而產(chǎn)生齒輪振動(dòng)而輻射噪聲。嚙合噪音的大小是齒輪副工作性能好壞的一個(gè)重要體現(xiàn)。嚙合噪音小的齒輪副，動(dòng)態(tài)性能好，嚙合時(shí)產(chǎn)生的齒輪振動(dòng)小，動(dòng)力傳動(dòng)效率高，節(jié)能環(huán)保。我國汽車螺旋錐齒輪的嚙合噪聲普遍比國外產(chǎn)品嚴(yán)重。螺旋錐齒輪的噪音問題制約著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，是我國汽車工業(yè)亟待解決的問題之一。本文圍繞嚙合噪音與轉(zhuǎn)速、載荷之間的關(guān)系，進(jìn)行試驗(yàn)，探討不同載荷下，嚙合噪音隨轉(zhuǎn)速變化的變化規(guī)律，用以指導(dǎo)低噪音螺旋錐齒輪的生產(chǎn)，提高低噪音

3、螺旋錐齒輪的生產(chǎn)工藝水平。2. 試驗(yàn)步驟2.1試件試驗(yàn)產(chǎn)品名稱速比模數(shù)（mm）東風(fēng)EQ1539：3711.7322.2試驗(yàn)裝置如圖1所示：圖1：試驗(yàn)裝置示意圖注：按照中國齒輪協(xié)會(huì)CGMA的標(biāo)準(zhǔn)，噪音計(jì)測量點(diǎn)離齒輪副嚙合中心300mm處進(jìn)行測量。2.3試驗(yàn)過程（1）設(shè)定轉(zhuǎn)速。汽車用螺旋錐齒輪副的工作轉(zhuǎn)速一般在3000rpm以下，而研齒轉(zhuǎn)速一般在10001500rpm之間，因此在此范圍內(nèi)，本試驗(yàn)我們?cè)O(shè)定720、1008、1250、1441、1970rpm這5個(gè)轉(zhuǎn)速。（2）把齒輪副安裝在研齒機(jī)上但未嚙合進(jìn)行空轉(zhuǎn)時(shí)，測定此時(shí)的齒輪機(jī)件噪音，在各設(shè)定的轉(zhuǎn)速下各測量一次。（3）分別在空載、輕載、重載的情況

4、下，進(jìn)行各設(shè)定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下螺旋錐齒輪副的正、反轉(zhuǎn)試驗(yàn)，測量各狀態(tài)下的噪音，探討不同載荷下，噪音隨轉(zhuǎn)速變化的變化規(guī)律。輕載大概為20N·m，重載大概為60 N·m。3. 嚙合噪音校正處理我們通常不能直接測量嚙合噪音，因?yàn)辇X輪副嚙合時(shí)測量的噪音，包含環(huán)境噪音、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪音、機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪音等外來噪音，此時(shí)測定得到的噪音聲級(jí)實(shí)際上是嚙合噪音與外來噪音的總聲級(jí)。美國齒輪協(xié)會(huì)AGMA的噪音手冊(cè)中提到總聲級(jí)與嚙合噪音聲級(jí)、外來噪音聲級(jí)的關(guān)系如下式（1）所示1，我們可以在已知總聲級(jí)與外來噪音聲級(jí)的情況下通過計(jì)算，計(jì)算出嚙合噪音聲級(jí)。Lp=10 log 10 （0.1ai） （1）

5、其中ai為來源于單個(gè)聲源的聲級(jí)，N為單個(gè)聲源的數(shù)目。在本試驗(yàn)中我們把環(huán)境噪音、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪音、機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)噪音等外來噪音合為一個(gè)聲源產(chǎn)生的噪音，合稱未嚙合空轉(zhuǎn)時(shí)的齒輪機(jī)件噪音，是指把產(chǎn)品裝夾在機(jī)床上但未嚙合進(jìn)行空轉(zhuǎn)時(shí)，測定此時(shí)的齒輪機(jī)件噪音，在各個(gè)設(shè)定的轉(zhuǎn)速下各測量一次（試驗(yàn)過程中的2），是各設(shè)定的轉(zhuǎn)速下的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪音、機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)噪音及環(huán)境噪音的總和；齒輪的嚙合噪音為另外一個(gè)聲源。因此N=2。Lp為嚙合噪音與外來噪音的總聲級(jí)（試驗(yàn)過程中的3）。公式轉(zhuǎn)化如下所示：等式兩邊同時(shí)除以10：0.1 Lp總聲級(jí) = log 10（10 0.1未嚙合噪音+10 0.1ai嚙合噪音） （2）等式左邊等量轉(zhuǎn)化為以

6、10為底的對(duì)數(shù)函數(shù)格式：log 10 （ 100.1 Lp總聲級(jí)）= log 10（10 0.1未嚙合噪音+10 0.1嚙合噪音） （3）100.1 Lp總聲級(jí) = 10 0.1未嚙合噪音+10 0.1嚙合噪音 （4）10 0.1嚙合噪音 = 100.1 Lp總聲級(jí) 10 0.1未嚙合噪音 （5）等式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)（以10為底）：log 10（10 0.1嚙合噪音）= log 10（100.1 Lp總聲級(jí) 10 0.1未嚙合噪音） （6）0.1嚙合噪音 = log 10（100.1 Lp總聲級(jí) 10 0.1未嚙合噪音） （7）等式兩邊同時(shí)乘以10：嚙合噪音=10 log 10（100.1 Lp

7、總聲級(jí) 10 0.1未嚙合噪音） （8）試驗(yàn)過程中第3步測量得到的噪音聲級(jí)全部按式（8）進(jìn)行校正處理，得到除去環(huán)境噪音、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪音、機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)噪音等外來噪音的影響后，齒輪副真正的嚙合噪音。4. 試驗(yàn)結(jié)果4.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表1所示：表1：試驗(yàn)數(shù)據(jù)表主齒轉(zhuǎn)速（r/min）測定距離(mm)未嚙合噪音(dB)產(chǎn)品噪音(dB) 空載荷輕載荷重載荷正 轉(zhuǎn)總聲級(jí)正轉(zhuǎn)計(jì)算得到的嚙合噪音反 轉(zhuǎn)總聲級(jí)反轉(zhuǎn)計(jì)算得到的嚙合噪音正 轉(zhuǎn)總聲級(jí)正轉(zhuǎn)計(jì)算得到的嚙合噪音反 轉(zhuǎn)總聲級(jí)反轉(zhuǎn)計(jì)算得到的嚙合噪音正 轉(zhuǎn)總聲級(jí)正轉(zhuǎn)計(jì)算得到的嚙合噪音反 轉(zhuǎn)總聲級(jí)反轉(zhuǎn)計(jì)算得到的嚙合噪音7203005666.666.266.966.5

8、73.273.175.375.27473.97676100830057.872.572.47372.97372.973.573.477.577.5787812503005975.275.175.875.77877.977.677.582.382.382.882.814413006476.776.576.976.779.879.779.579.482.582.482.982.819703006579.679.48180.983.583.483.683.586.786.78888 4.2圖表 根據(jù)計(jì)算得到的校正后的嚙合噪音數(shù)據(jù)編制圖表，探討不同載荷下，噪音隨轉(zhuǎn)速變化的變化規(guī)律，見圖2、圖3。圖2：

9、同一齒輪不同載荷下噪音隨轉(zhuǎn)速變化的變化情況圖（正轉(zhuǎn)）圖3：同一齒輪不同載荷下噪音隨轉(zhuǎn)速變化的變化情況圖（反轉(zhuǎn)）5. 結(jié)論與分析5.1從圖表中可以看出，螺旋錐齒輪副無論在空載，或是輕載，或是重載的情況下正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，齒輪副的嚙合噪音都隨轉(zhuǎn)速的增大而增大。轉(zhuǎn)速是影響齒輪副嚙合噪音的一個(gè)重要因素。5.2轉(zhuǎn)速在7201970rpm的范圍內(nèi)，東風(fēng)EQ153螺旋錐齒輪副在空載的情況下正轉(zhuǎn)，嚙合噪音隨轉(zhuǎn)速變化的變化規(guī)律基本滿足y = -8×10-6x2 + 0.0324x + 47.484 這一函數(shù)式，R2 = 0.9918；齒輪副在空載的情況下反轉(zhuǎn)，嚙合噪音隨轉(zhuǎn)速變化的變化規(guī)律基本滿足y = -7

10、×10-6x2 + 0.0297x + 49.149這一函數(shù)式，R2 = 0.9849；齒輪副在重載的情況下正轉(zhuǎn)，嚙合噪音隨轉(zhuǎn)速變化的變化規(guī)律基本滿足y = -5×10-6x2 + 0.0237x + 59.336這一函數(shù)式，R2 = 0.9772；齒輪副在重載的情況下反轉(zhuǎn)，嚙合噪音隨轉(zhuǎn)速變化的變化規(guī)律基本滿足y = -2×10-6x2+ 0.0142x + 66.327這一函數(shù)式，R2 = 0.9662。四種情況下，R2的值均大于0.9，表明轉(zhuǎn)速在7201970rpm的范圍內(nèi)，嚙合噪音隨轉(zhuǎn)速變化的變化規(guī)律基本滿足函數(shù)式的關(guān)系，R2越接近1，噪音隨轉(zhuǎn)速變化的變化規(guī)

11、律越接近函數(shù)式。四個(gè)函數(shù)式表明，嚙合噪音y與轉(zhuǎn)速x2 的關(guān)系不是單純的正比例關(guān)系，因?yàn)辇X輪嚙合時(shí)，主動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)能，既要轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生噪音的聲能，又要轉(zhuǎn)化為輪齒相對(duì)滑動(dòng)的動(dòng)能、輪齒摩擦產(chǎn)生的熱能、使齒輪位置轉(zhuǎn)移的勢能。輕載時(shí)，嚙合噪音隨轉(zhuǎn)速變化出現(xiàn)跳動(dòng)性的變化情況，得到的函數(shù)式的R2值均小于0.9，無法列出符合其變化規(guī)律的函數(shù)式。5.3從圖2、圖3可以看出，無論正轉(zhuǎn)，還是反轉(zhuǎn)的情況下，空載的圖線都在重載的圖線下面，空載各個(gè)轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的嚙合噪音都比重載相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的嚙合噪音小至少5dB。噪音隨負(fù)載的增加而增加。輕載時(shí)，嚙合噪音隨轉(zhuǎn)速的變化出現(xiàn)跳動(dòng)性的變化情況，轉(zhuǎn)速為1008rpm時(shí)，輕載的噪音與空載的噪音幾乎相等，并沒隨負(fù)載的增加而增加，但總體來說輕載時(shí)的噪音還是比空載時(shí)的噪音要大。瑞士Oerlikon奧利康公司資料Bevel and Hypoid Gears中的文章顯示：“當(dāng)齒輪處于輕載時(shí)，運(yùn)動(dòng)曲