Làm cách nào để thiết kế giảm tiếng ồn cho truyền động bánh răng

Các loại và vật liệu bánh răng

1. Các loại bánh răng

Từ góc nhìn về truyền động êm và độ ồn thấp, bánh răng trụ xoắn có nhiều răng tiếp xúc đồng thời hơn, dẫn đến sự thay đổi ổn định hơn trong độ cứng ăn khớp tổng thể. Do đó, độ rung và tiếng ồn có thể thấp hơn so với bánh răng trụ thẳng, đôi khi thấp tới khoảng 12 dB. Đối với bánh răng chữ V, do yêu cầu về độ căn chỉnh nghiêm ngặt, ngay cả những sai số nhỏ hoặc mài mòn không đều cũng có thể ảnh hưởng đến phân bố tải và độ êm của truyền động. Vì vậy, trong các loại bánh răng trụ, bánh răng trụ xoắn là loại tốt nhất để giảm tiếng ồn. Từ năm 1969 đến 1987, Giáo sư A. Atfia của Đại học Ain-Shams tại Cairo, Ai Cập, đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm trên bánh răng xoắn dạng involut, bánh răng cung tròn đơn và bánh răng cung tròn kép. Ông đã so sánh mức tiếng ồn của ba dạng răng này dưới các tải và tốc độ khác nhau. Nghiên cứu cho thấy trong ba dạng răng nói trên, bánh răng xoắn dạng involut có tiếng ồn thấp nhất và ít bị ảnh hưởng nhất bởi tải truyền và tốc độ vận hành, tiếp theo là bánh răng cung tròn đơn, còn bánh răng cung tròn kép là kém nhất.

2. Vật liệu bánh răng

Xử lý nhiệt và phương pháp bôi trơn: Những yếu tố này đều ảnh hưởng đến độ ồn của hệ thống. Nói chung, sử dụng các vật liệu có tính damping tốt để chế tạo bánh răng có thể giảm tiếng ồn. Tuy nhiên, vật liệu có tính damping tốt thường có độ bền thấp và không thể sử dụng trong mọi trường hợp. Ví dụ, nhựa phenolic và nylon thường chỉ được dùng để chế tạo bánh răng chịu tải nhẹ cho các máy công nghiệp nhẹ như máy may. Để giảm tiếng ồn, có thể lưu hóa hoặc mạ đồng lên bề mặt răng của các bánh răng thép chịu tải. Mục đích của việc lưu hóa bề mặt răng là để giảm hệ số ma sát. Mạ đồng đã được sử dụng trên bánh răng tuabin để cải thiện độ chính xác tiếp xúc giữa các bánh răng. Xử lý nhiệt của bánh răng cũng ảnh hưởng đến tiếng ồn. Ví dụ, sau khi tôi, tính damping của bánh răng bị suy giảm và tiếng ồn tăng thêm 3-4 dB. Do đó, các bánh răng có yêu cầu thấp về độ bền và khả năng chống mài mòn không cần phải tôi. Về ảnh hưởng của dầu bôi trơn và phương pháp đổ dầu, người ta thường cho rằng tiếng ồn giảm khi thể tích dầu và độ nhớt tăng. Điều này là do dầu bôi trơn có tác dụng giảm chấn, có thể ngăn ngừa tiếp xúc trực tiếp giữa các bề mặt răng ăn khớp. Khi sử dụng bôi trơn bằng cách ngâm dầu, tiếng ồn của bánh răng thay đổi tùy theo mức dầu; nghĩa là các hộp số khác nhau sẽ có mức dầu tối ưu khác nhau.

Thông số hình học của bánh răng

1. Mô-đun
Khi truyền tải tải lớn, kích thích động của sự ăn khớp bánh răng chủ yếu do biến dạng uốn của các răng bánh răng gây ra, và độ cứng chống uốn của răng bánh răng tỷ lệ thuận với mô-đun. Do đó, tăng mô-đun có thể giảm kích thích động của răng bánh răng, từ đó giảm tiếng ồn. Tuy nhiên, khi truyền tải tải nhỏ hoặc không tải, tình hình lại khác. Lúc này, ảnh hưởng của sai số răng bánh răng sẽ lớn hơn nhiều so với biến dạng răng. Chúng ta cần xem xét ảnh hưởng của kích thước mô-đun đối với tiếng ồn dưới góc nhìn của sai số gia công bánh răng. Ví dụ, sai số bước răng ΔP có thể được tính theo công thức sau:
δP＝C1 +C2M+C3 (1)
ở đâu
do——đường kính vòng chia của bánh răng
M——mô-đun
C1, C2, C3——các hằng số liên quan
Và sai số biên dạng răng Δf có thể được tính theo công thức sau:
δf＝C4M+C5 (2)
trong đó C4 và C5 là các hằng số liên quan.
Có thể thấy từ các công thức (1) và (2) rằng hai sai số trên có liên quan trực tiếp đến mô-đun, và mô-đun càng lớn thì sai lệch biên dạng răng càng lớn và tiếng ồn càng cao. Do đó, khi truyền tải tải trọng nhỏ hoặc không tải, mô-đun nên được chọn nhỏ nhất có thể, với điều kiện đảm bảo độ bền của bánh răng.

2. Số răng của bánh răng
Nếu mô-đun không đổi, việc thay đổi số răng sẽ làm thay đổi đường kính bánh răng và diện tích bề mặt răng. Như vậy, sự thay đổi diện tích bức xạ tiếng ồn của bánh răng sẽ gây ra sự thay đổi về mức độ ồn. Nói chung, mức độ tiếng ồn chủ yếu được xác định bởi diện tích bức xạ tiếng ồn hơn là năng lượng của nguồn rung động. Theo nguyên lý âm học, nếu coi bánh răng như một tấm tròn phẳng, thì công suất âm thanh WR phát ra không khí có thể được tính theo
công thức sau:
(3) Trong đó: F——giá trị hiệu dụng của lực kích thích biến thiên theo quy luật sin
R——đường kính tấm tròn
o——mật độ bề mặt
p——mật độ không khí
ω——tần số góc
C——hằng số
Từ công thức (3), có thể thấy rằng khi đường kính của tấm tròn tăng, tiếng ồn sẽ tăng mạnh. Do đó, khi thiết kế bánh răng, cần giảm thiểu đường kính bánh răng càng nhiều càng tốt. Ngoài ra, từ các công thức (1) và (2) có thể thấy rằng sai lệch bước răng liên quan đến đường kính bánh răng, trong khi sai lệch biên dạng răng không liên quan đến đường kính. Vì vậy, việc giảm đường kính sẽ không làm tăng độ khó trong đạt được độ chính xác gia công bánh răng.

3. Chiều rộng răng
Lý do mà sự thay đổi chiều rộng răng dẫn đến sự thay đổi tiếng ồn nằm ở sự suy giảm năng lượng khác nhau. Do đó, bánh răng có chiều rộng răng lớn hơn sẽ có khả năng suy giảm tốt hơn, dẫn đến tiếng ồn thấp hơn.

4. Tỷ số tiếp xúc
Tăng tỷ số tiếp xúc: Tỷ số tiếp xúc có thể làm giảm tiếng ồn của truyền động bánh răng. Thứ nhất, tăng tỷ số tiếp xúc sẽ giảm tải trọng trên một cặp răng duy nhất. Điều này làm giảm tác động tải khi các răng ăn khớp và tách ra, từ đó hạ thấp tiếng ồn của bánh răng. Thứ hai, khi số lượng răng tiếp xúc tăng lên, sai số truyền động của một cặp răng đơn lẻ được trung bình hóa, do đó làm giảm kích thích động lực của các răng. Ngoài ra, hầu hết các thông số bánh răng ảnh hưởng đến tiếng ồn đều thực chất là do ảnh hưởng của chúng lên tỷ số tiếp xúc. Ví dụ, đối với bánh răng trụ có tỷ số tiếp xúc từ 1-3, giảm góc áp lực, giảm mô-đun và hơi tăng chiều cao đầu răng đều làm giảm tiếng ồn bánh răng nhờ tăng tỷ số tiếp xúc. Tất nhiên, giảm góc áp lực làm tăng độ linh hoạt của răng và cũng làm giảm kích thích động lực, điều có lợi cho việc giảm tiếng ồn.

5. Góc xoắn
Vì bánh răng xoắn ăn khớp dần từ một đầu của răng, nên tác động ăn khớp nhỏ và tiếng ồn thấp. Nói chung, khi góc xoắn tăng, tỷ số ăn khớp tăng và tiếng ồn giảm. Tuy nhiên, hiệu quả giảm tiếng ồn lại kém hơn khi góc xoắn lớn hơn so với khi góc xoắn nhỏ hơn. Điều này là do góc xoắn lớn hơn làm việc gia công và lắp ráp trở nên khó khăn hơn, ảnh hưởng đến độ chồng phủ thực tế.

6. Chỉnh sửa răng, tạo hình và dịch chỉnh
Trong trạng thái làm việc thực tế của bánh răng, biến dạng của răng, trục truyền động và hộp số sẽ gây ra hiện tượng chèn và va đập trong quá trình ăn khớp, dẫn đến rung động và tiếng ồn mạnh. Do đó, có thể sử dụng chỉnh sửa, tạo hình và dịch chỉnh để bù đắp biến dạng ăn khớp, từ đó giảm rung động và tiếng ồn.