Причины шума коробки передач и предлагаемые решения

Традиционно три основных фактора для оценки производительности редуктора — это грузоподъёмность, ресурс по усталости и эксплуатационная точность, при этом шум передачи зачастую игнорируется. С последовательным введением стандартов ISO 14000 и ISO 18000 важность контроля шума редукторов стала всё более очевидной. Развитие промышленности и возрастающие требования предъявляют более строгие условия к погрешностям передачи редукторов и повышают требования к контролю шума.

В настоящее время факторы, способствующие шуму редуктора, можно проанализировать с нескольких аспектов, включая проектирование, изготовление, монтаж, эксплуатацию и обслуживание внутренних и внешних зубчатых передач.

Причины, связанные с проектированием, и меры по их устранению

1. Класс точности зубчатых колёс внутри редуктора

При проектировании редукторов конструкторы часто учитывают экономические факторы и определяют степень точности зубчатых колес с максимально возможной экономией, упуская из виду, что степень точности является показателем уровня шума и люфта передачи. Ассоциация производителей зубчатых передач США (GMA) на основе обширных исследований установила, что высокоточные зубчатые колеса создают значительно меньше шума по сравнению с низкоточными. Поэтому, когда позволяют условия, степень точности зубчатых колес следует повышать настолько, насколько это возможно, чтобы уменьшить как ошибки передачи, так и уровень шума.

2. Ширина зубчатого колеса внутри редуктора

Если конструкция редуктора позволяет, увеличение ширины зубчатого венца может снизить удельную нагрузку при постоянном крутящем моменте. Это уменьшает прогиб зубьев, снижает уровень шумового возбуждения и, следовательно, уменьшает шум передачи. Исследования Х. Опаза в Германии показывают, что при постоянном крутящем моменте более узкий зубец приводит к более высокому градиенту шумовой характеристики по сравнению с более широким. Увеличение ширины зубчатого венца также повышает несущую способность шестерни и улучшает передаваемый момент редуктора.

3. Шаг зуба и угол давления внутри редуктора

Меньший шаг зуба обеспечивает одновременное контакт большего числа зубьев, увеличивая коэффициент перекрытия, уменьшая прогиб отдельных зубьев, снижая уровень шума передачи и повышая точность передачи. Меньший угол давления, обусловленный большим углом контакта и коэффициентом бокового перекрытия, приводит к более низкому уровню шума при работе и более высокой точности.

4. Выбор коэффициента коррекции зубчатого колеса внутри редуктора

Правильный и обоснованный выбор коэффициента смещения позволяет не только отрегулировать межосевое расстояние, избежать подрезания зубьев, обеспечить соосность, улучшить передаточные характеристики зубчатой передачи, повысить нагрузочную способность и продлить срок службы зубчатых колес, но и эффективно контролировать люфт, повышение температуры и шум. В закрытых зубчатых передачах основной вид разрушения для колёс с закалёнными поверхностями зубьев (твердость: 350 HBS) — усталостный излом в области корня зуба. Расчёт таких передач обычно выполняется по пределу выносливости при изгибе; при выборе коэффициента смещения необходимо обеспечить равенство прочности при изгибе сопряжённых зубьев. Для колёс с мягкими поверхностями зубьев (твердость <350 HBS) основным видом разрушения является усталостное выкрашивание. Расчёт таких передач, как правило, ведётся по контактной выносливости; при выборе коэффициента смещения следует стремиться к достижению максимально возможной контактной выносливости и долговечности.

Ограничения при обоснованном выборе коэффициента смещения следующие:

(1) Обеспечить, чтобы нарезаемое зубчатое колесо не имело подрезания;

(2) Обеспечить плавность передачи вращения; коэффициент перекрытия должен быть больше 1, как правило, больше 1,2;

(3) Обеспечить определённую толщину зуба на вершине;

(4) Когда пара зубчатых колёс находится в зацеплении, если эвольвента вершины зуба одного колеса взаимодействует с переходной кривой у основания зуба другого колеса, поскольку переходная кривая не является эвольвентой, общая нормаль к профилям зубьев в точке контакта не будет проходить через неподвижный полюс, что приведёт к изменению передаточного отношения и может вызвать заклинивание обоих колёс. Такое "вмешательство переходной кривой" необходимо избегать при выборе коэффициента смещения.

5. Коррекция профиля зубьев (срезка на краю и у основания) и фаска на вершине зуба внутри редуктора

Профиль зуба на вершине зуба выполнен в виде слегка выпуклой формы по сравнению с правильной эвольвентной кривой. Когда поверхность зуба деформируется под действием внешней силы, это позволяет избежать помех при зацеплении с сопряженным зубом, уменьшить шум и продлить срок службы зубчатой передачи. Важно отметить, что чрезмерную подрезку следует избегать, поскольку она увеличивает погрешность профиля зуба и оказывает негативное влияние на зацепление.

6. Анализ характеристик звукового излучения зубчатых колес

При выборе зубчатых колес с различными конструктивными формами для конкретной конструкции создается модель звукового излучения и выполняется динамический анализ для предварительной оценки уровня шума системы зубчатой передачи. Это позволяет осуществлять выбор в зависимости от различных требований пользователей (место эксплуатации, работа в автоматическом режиме или с обслуживанием, эксплуатация в городской черте или за ее пределами, специфические требования к наземным или подземным сооружениям, требования по защите от шума или отсутствие иных специфических требований).

7. Скорость вращения источника мощности редуктора

Испытания редуктора в различных режимах скорости показывают, что уровень шума возрастает с увеличением частоты вращения на входе редуктора.

8. Конструкция корпуса коробки передач

Экспериментальные исследования показывают, что использование цилиндрического корпуса способствует снижению вибрации. При одинаковых условиях цилиндрический корпус имеет средний уровень шума на 5 дБ ниже, чем другие типы корпусов. Проводится тестирование резонанса корпуса редуктора для определения участков резонанса. Добавление соответствующих ребер (пластин) может повысить жесткость корпуса, уменьшить вибрацию и обеспечить снижение шума. Для многоступенчатых передач необходимо минимизировать изменение мгновенного передаточного отношения, чтобы обеспечить плавную передачу, низкий уровень ударных нагрузок и вибрации, а также низкий уровень шума.

Причины, связанные с производством, и меры по их устранению

1. Влияние погрешностей внутренних зубчатых колес в редукторе

Ошибки при изготовлении зубчатых колес, включая погрешность профиля зуба, отклонение шага по основной окружности, погрешность направления зуба и радиальное биение зубчатого венца, являются основными причинами шума в планетарных редукторах. Эти же факторы играют ключевую роль в обеспечении передаточного КПД планетарных редукторов. Ниже кратко рассмотрим погрешность профиля зуба и погрешность направления зуба.

Зубчатые колеса с малыми погрешностями профиля зуба и низкой шероховатостью поверхности зубьев создают уровень шума на 10 дБ ниже, чем обычные зубчатые колеса, при одинаковых условиях испытаний. Зубчатые колеса с малыми погрешностями шага зубьев имеют уровень шума на 6–12 дБ ниже, чем обычные зубчатые колеса, при одинаковых условиях испытаний. Однако, если присутствует погрешность шага зубьев, влияние нагрузки на шум передачи снижается.

Ошибка направления зуба приведет к тому, что передаваемая мощность не будет передаваться по всей ширине зуба. Контактная зона будет смещена к одной из боковых сторон зуба. Из-за повышенных локальных напряжений зуб будет деформироваться, что приведет к увеличению уровня шума. Однако при высоких нагрузках деформация зуба может частично компенсировать ошибку направления зуба.

2. Соосность сборки и динамический баланс

Несоосность при сборке приведет к дисбалансу в системе вала и неравномерному зацеплению шестерен (с одной стороны свободно, с другой — туго), что дополнительно усугубит шум. Несбалансированность при сборке прецизионных зубчатых передач серьезно влияет на точность трансмиссионной системы.

3. Твердость поверхности шестерни внутри редуктора

С развитием технологий закалки зубчатые колеса с высокой нагрузочной способностью, малыми габаритами, небольшим весом и высокой точностью передачи получили всё более широкое применение. Однако процесс цементации и закалки, используемый для получения твёрдых поверхностей зубьев, вызывает деформацию зубчатых колёс, что приводит к увеличению шума при передаче вращения и сокращению срока службы. Для снижения уровня шума требуется прецизионная обработка поверхности зубьев. В настоящее время, помимо традиционных методов шлифования зубчатых колёс, был разработан метод фрезерования закалённой поверхности зубьев. Данный метод снижает ударные нагрузки при вхождении и выходе зубьев из зацепления за счёт коррекции головки и ножки зуба или уменьшения профиля зубьев как ведущих, так и ведомых шестерён, тем самым снижая шум при передаче вращения.

4. Проверка производительности системы коробки передач

Точность обработки компонентов и метод выбора компонентов перед сборкой (полная взаимозаменяемость, групповой подбор, подбор поштучно и т.д.) влияют на уровень точности собранной системы, а также оказывают влияние на уровень шума. Поэтому проверка (или калибровка) различных показателей системы после сборки имеет решающее значение для контроля уровня шума.

Причины, связанные с установкой, и меры по их устранению

1. Меры по снижению и блокировке вибраций

При установке коробки передач следует по возможности избегать резонанса между корпусом коробки передач и опорой фундамента, а также соединительными деталями, чтобы предотвратить возникновение шума. Резонанс часто возникает в одной или нескольких шестернях внутри коробки передач в определённых диапазонах скоростей. Помимо причин, связанных с конструкцией, это напрямую связано с тем, что место резонанса не было выявлено при испытании без нагрузки, и не были приняты соответствующие меры по уменьшению или изоляции вибраций. Для некоторых коробок передач, требующих низкого уровня шума и вибраций при передаче, следует выбирать основание из материалов с высокой прочностью и высокой демпфирующей способностью, чтобы уменьшить шум и вибрацию.

2. Регулировка геометрической точности компонентов

Если во время установки геометрическая точность не соответствует стандартным требованиям, может возникнуть резонанс компонентов коробки передач, приводящий к шуму. Это напрямую связано с улучшением процесса установки, использованием дополнительной оснастки и обеспечением общей квалификации персонала по сборке.

3. Ослабленные компоненты

Во время установки ослабление отдельных компонентов (таких как механизмы предварительной нагрузки подшипников, механизмы позиционирования вала и т.д.) может привести к неточному позиционированию системы, неправильному зацеплению, смещению вала, а также к вибрации и шуму. Для этого требуется конструктивный подход, обеспечивающий стабильные соединения между механизмами и использование нескольких методов соединения.

4. Поврежденные компоненты трансмиссии

Неправильная эксплуатация во время установки может привести к повреждению компонентов трансмиссии, что вызывает неточное или нестабильное движение системы; повреждение быстро движущихся деталей может вызвать вибрацию масляной пленки; ошибки оператора могут привести к динамическому дисбалансу движущихся частей; все это создает вибрацию и шум. Эти причины необходимо тщательно учитывать и избегать их во время установки. Поврежденные компоненты, которые невозможно отремонтировать, должны быть заменены для обеспечения стабильного уровня шума системы.

Причины и меры по устранению при эксплуатации и обслуживании
Хотя правильное использование и обслуживание редуктора не может снизить уровень шума системы или гарантировать точность передачи, это может предотвратить ухудшение производительности и продлить срок службы.

1. Внутренняя очистка

Чистота внутренних деталей редуктора имеет первостепенное значение для его нормальной работы. Попадание любых примесей или загрязнений будет влиять на трансмиссионную систему и повреждать её, вызывая возникновение шума.

2. Рабочая температура

Обеспечьте работу редуктора при нормальной температуре, чтобы предотвратить деформацию компонентов из-за чрезмерного повышения температуры, обеспечить правильное зацепление шестерён и, таким образом, избежать увеличения шума.

3. Своевременная смазка и правильное использование масла

Неправильная смазка и несоответствующее использование смазочного grease вызовут непоправимый ущерб редуктору. На высоких скоростях трение поверхностей зубьев шестерен создает большое количество тепла. Недостаточная смазка приведет к повреждению зубьев шестерен, что скажется на точности и увеличит уровень шума. Конструкция требует наличия определенного зазора в паре шестерен (зазор между нерабочими поверхностями зацепляющихся зубьев для компенсации тепловых деформаций и размещения смазочного grease). Правильное использование и выбор смазочного grease обеспечивают безопасную и эффективную работу системы, замедляют износ и стабилизируют уровень шума.

4. Правильное использование редуктора

Правильное использование редуктора позволяет свести к минимуму повреждение компонентов и поддерживать стабильный уровень шума. Уровень шума редуктора возрастает с увеличением нагрузки, поэтому его следует эксплуатировать в пределах нормальной нагрузки.

5. Регулярное техническое обслуживание и уход

Регулярное техническое обслуживание (замена масла, замена изношенных деталей, подтяжка крепежа, удаление внутреннего мусора, регулировка зазоров компонентов до стандартных значений и проверка геометрической точности и т.д.) может повысить устойчивость редуктора к увеличению уровня шума и поддерживать стабильные условия эксплуатации.

Контроль шума передачи редуктора представляет собой комплексный проект, включающий весь процесс проектирования, изготовления, монтажа, эксплуатации, технического обслуживания и даже замены системы передачи (зубчатых колес, корпуса, соединительных деталей, подшипников и т.д.). Это предъявляет высокие требования не только к проектировщикам и производителям, но также к монтажникам, пользователям и персоналу, выполняющему техническое обслуживание. Если какой-либо из этих аспектов не будет эффективно контролироваться, контроль шума зубчатой передачи окажется неэффективным.