Как спроектировать снижение шума для зубчатых передач

Типы и материалы шестерен

1. Типы шестерен

С точки зрения плавности передачи и низкого уровня шума, косозубые цилиндрические передачи имеют большее количество зубьев, находящихся в одновременном зацеплении, что обеспечивает более стабильное изменение общей жесткости зацепления. Следовательно, вибрация и шум могут быть ниже, чем у прямозубых цилиндрических передач, иногда на величину до приблизительно 12 дБ. Что касается шевронных передач, то из-за необходимости строгого выравнивания даже небольшие погрешности или неравномерный износ могут влиять на распределение нагрузки и плавность передачи. Поэтому среди цилиндрических передач косозубые цилиндрические передачи являются наиболее подходящим типом для снижения уровня шума. С 1969 по 1987 год профессор А. Атфия из университета Айн-Шамс в Каире, Египет, проводил экспериментальные исследования эвольвентных косозубых передач, передач с одинарной круговой дугой и передач с двойной круговой дугой. Он сравнил уровень шума этих трех форм зубьев при различных нагрузках и скоростях. Исследование показало, что из этих трех форм зубьев наименьший уровень шума имели эвольвентные косозубые передачи, которые в наименьшей степени подвержены влиянию передаваемой нагрузки и рабочей скорости, за ними следовали передачи с одинарной круговой дугой, а передачи с двойной круговой дугой показали наихудшие результаты.

2. Материалы шестерен

Термообработка и методы смазки: Все эти факторы влияют на уровень шума системы. В целом, использование материалов с хорошими демпфирующими свойствами для изготовления зубчатых колес позволяет снизить шум. Однако материалы с хорошими демпфирующими свойствами, как правило, обладают низкой прочностью и не могут применяться во всех случаях. Например, фенолформальдегидные смолы и нейлон часто используются только для изготовления зубчатых колес, работающих при малой нагрузке, в легких промышленных механизмах, таких как швейные машинки. Для снижения шума на боковые поверхности зубьев стальных нагруженных шестерён может применяться сернение или меднение. Цель сернения поверхностей зубьев — уменьшение коэффициента трения. Меднение использовалось на шестернях турбин для повышения точности контакта между зубьями. Термообработка зубчатых колёс также влияет на шум. Например, после закалки демпфирующие свойства шестерён ухудшаются, а уровень шума возрастает на 3–4 дБ. Поэтому шестерни, к которым предъявляются невысокие требования по прочности и износостойкости, не нужно подвергать закалке. Что касается влияния смазочного масла и способа его подачи, то общепринято считать, что шум уменьшается с увеличением объёма и вязкости масла. Это связано с тем, что смазочное масло оказывает демпфирующее действие, предотвращая прямой контакт между сопряжёнными поверхностями зубьев. При использовании картерной смазки уровень шума шестерён зависит от уровня масла; то есть для разных редукторов оптимальный уровень масла может различаться.

Геометрические параметры зубчатых колес

1. Модуль
При передаче большой нагрузки динамическое возбуждение зацепления зубчатых колес в основном вызывается изгибной деформацией зубьев, а жесткость зубьев на изгиб пропорциональна модулю. Следовательно, увеличение модуля может снизить динамическое возбуждение зубьев, тем самым уменьшая шум. Однако при передаче малой нагрузки или отсутствии нагрузки ситуация иная. В этом случае влияние погрешности зубьев будет значительно больше, чем влияние деформации зубьев. Влияние размера модуля на уровень шума следует рассматривать с точки зрения погрешности обработки зубчатых колес. Например, погрешность шага ΔP может быть определена по следующей формуле:
δP＝C1 +C2M+C3 (1)
где
do——диаметр делительной окружности зубчатого колеса
M——модуль
C1, C2, C3——соответствующие константы
А погрешность профиля зуба Δf может быть рассчитана по следующей формуле:
δf＝C4M+C5 (2)
где C4 и C5 — соответствующие константы.
Из формул (1) и (2) видно, что обе указанные погрешности напрямую связаны с модулем, и чем больше модуль, тем больше погрешность профиля зуба и выше уровень шума. Следовательно, при передаче малых нагрузок или без нагрузки, модуль должен быть минимально возможным при условии, что прочность зубчатого колеса позволяет.

2. Число зубьев шестерни
Если модуль остаётся неизменным, изменение числа зубьев приведёт к изменению диаметра и площади поверхности зубчатого колеса. Таким образом, изменение площади излучения шума от шестерни вызовет изменение уровня шума. Как правило, величина шума определяется в основном площадью излучения, а не энергией источника вибрации. Согласно акустическим принципам, если рассматривать шестерню как круглую пластину, излучаемую в воздух звуковую мощность WR можно рассчитать по
следующей формуле:
(3) Где: F——действующее значение возбуждающей силы, изменяющейся по синусоидальному закону
R——диаметр круглой пластины
o——плотность поверхности
p——плотность воздуха
ω——угловая частота
C——постоянная
Из формулы (3) видно, что по мере увеличения диаметра круглой пластины шум будет резко возрастать. Поэтому при проектировании зубчатых колёс их диаметр следует максимально уменьшать. Кроме того, из формул (1) и (2) следует, что погрешность шага зубьев связана с диаметром зубчатого колеса, тогда как погрешность профиля зуба не зависит от диаметра. Следовательно, уменьшение диаметра не приведёт к усложнению достижения требуемой точности обработки зубчатого колеса.

3. Ширина зуба
Причина того, что изменение ширины зуба вызывает изменение уровня шума, заключается в различной степени затухания энергии. Таким образом, у зубчатых колёс с большей шириной зубьев лучше выражены свойства затухания, что приводит к меньшему уровню шума.

4. Коэффициент перекрытия
Увеличение коэффициента перекрытия: коэффициент перекрытия может снизить уровень шума передачи зубчатых колёс. Во-первых, увеличение коэффициента перекрытия уменьшает нагрузку на одну пару зубьев. Это снижает ударную нагрузку при зацеплении и расцеплении, тем самым понижая шум зубчатых колёс. Во-вторых, по мере увеличения количества контактирующих зубьев передаточная ошибка одной пары зубьев усредняется, что снижает динамическое возбуждение зубьев. Кроме того, почти все параметры зубчатых колёс, влияющие на шум, фактически обусловлены их влиянием на коэффициент перекрытия. Например, для цилиндрических зубчатых колёс с коэффициентом перекрытия 1–3 уменьшение угла давления, уменьшение модуля и незначительное увеличение высоты головки зуба снишают шум зубчатых колёс вследствие увеличения коэффициента перекрытия. Конечно, уменьшение угла давления увеличивает гибкость зубьев и также снижает динамическое возбуждение, что благоприятно сказывается на снишении шума.

5. Угол наклона зуба
Поскольку косозубые шестерни постепенно входят в зацепление с одного конца зуба, удар при зацеплении небольшой, а шум — низкий. Как правило, по мере увеличения угла наклона винтовой линии коэффициент перекрытия возрастает, а уровень шума снижается. Однако эффект снижения шума хуже при большем угле наклона по сравнению с меньшим углом. Это связано с тем, что больший угол наклона усложняет обработку и монтаж, что влияет на фактическое перекрытие.

6. Корригирование, профилирование и смещение зубьев
В реальном рабочем состоянии передач деформация зубьев, ведущего вала и коробки передач может вызывать помехи и удары при зацеплении, приводящие к сильной вибрации и шуму. Поэтому для компенсации деформации зацепления и уменьшения вибрации и шума могут применяться коррекция, профилирование и смещение.