螺旋锥齿轮副不同载荷下啮合噪音随转速变化的变化规律研究

1、螺旋锥齿轮副不同载荷下啮合噪音随转速变化的变化规律研究（东莞金洲齿轮机械有限公司，东莞523992）摘要：基于现场研齿试验，分别在空载、轻载、重载的情况下，进行各转速状态下螺旋锥齿轮副的正、反转试验，测量各转速状态下的噪音。根据美国齿轮协会AGMA的齿轮噪音手册中的校正公式，对测得的噪音进行校正处理，除去环境噪音、机床运转噪音、发动运转噪音等外来噪音的干扰，计算出齿轮副真正的啮合噪音，探讨不同载荷下，啮合噪音随转速变化的变化规律。关键词：螺旋锥齿轮 空载 轻载 重载 转速 啮合噪音 1. 前言螺旋锥齿轮包括弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮两种，是汽车和工程机械传动系统的重要组成部分，其工作性能对整个传

2、动系统有着至关重要的影响。齿轮副的动态性能主要通过啮合振动及啮合噪声来衡量。齿轮传动是靠轮齿间相互交替作用而传递动力的。在轮齿啮合处齿与齿之间发生连续的冲击以及齿面间的磨擦，从而产生齿轮振动而辐射噪声。啮合噪音的大小是齿轮副工作性能好坏的一个重要体现。啮合噪音小的齿轮副，动态性能好，啮合时产生的齿轮振动小，动力传动效率高，节能环保。我国汽车螺旋锥齿轮的啮合噪声普遍比国外产品严重。螺旋锥齿轮的噪音问题制约着我国汽车工业的发展，是我国汽车工业亟待解决的问题之一。本文围绕啮合噪音与转速、载荷之间的关系，进行试验，探讨不同载荷下，啮合噪音随转速变化的变化规律，用以指导低噪音螺旋锥齿轮的生产，提高低噪音

3、螺旋锥齿轮的生产工艺水平。2. 试验步骤2.1试件试验产品名称速比模数（mm）东风EQ1539：3711.7322.2试验装置如图1所示：图1：试验装置示意图注：按照中国齿轮协会CGMA的标准，噪音计测量点离齿轮副啮合中心300mm处进行测量。2.3试验过程（1）设定转速。汽车用螺旋锥齿轮副的工作转速一般在3000rpm以下，而研齿转速一般在10001500rpm之间，因此在此范围内，本试验我们设定720、1008、1250、1441、1970rpm这5个转速。（2）把齿轮副安装在研齿机上但未啮合进行空转时，测定此时的齿轮机件噪音，在各设定的转速下各测量一次。（3）分别在空载、轻载、重载的情况

4、下，进行各设定转速状态下螺旋锥齿轮副的正、反转试验，测量各状态下的噪音，探讨不同载荷下，噪音随转速变化的变化规律。轻载大概为20N·m，重载大概为60 N·m。3. 啮合噪音校正处理我们通常不能直接测量啮合噪音，因为齿轮副啮合时测量的噪音，包含环境噪音、发动机运转产生的噪音、机床运转产生的噪音等外来噪音，此时测定得到的噪音声级实际上是啮合噪音与外来噪音的总声级。美国齿轮协会AGMA的噪音手册中提到总声级与啮合噪音声级、外来噪音声级的关系如下式（1）所示1，我们可以在已知总声级与外来噪音声级的情况下通过计算，计算出啮合噪音声级。Lp=10 log 10 （0.1ai） （1）

5、其中ai为来源于单个声源的声级，N为单个声源的数目。在本试验中我们把环境噪音、发动机运转噪音、机床运转噪音等外来噪音合为一个声源产生的噪音，合称未啮合空转时的齿轮机件噪音，是指把产品装夹在机床上但未啮合进行空转时，测定此时的齿轮机件噪音，在各个设定的转速下各测量一次（试验过程中的2），是各设定的转速下的发动机运转噪音、机床运转噪音及环境噪音的总和；齿轮的啮合噪音为另外一个声源。因此N=2。Lp为啮合噪音与外来噪音的总声级（试验过程中的3）。公式转化如下所示：等式两边同时除以10：0.1 Lp总声级 = log 10（10 0.1未啮合噪音+10 0.1ai啮合噪音） （2）等式左边等量转化为以

6、10为底的对数函数格式：log 10 （ 100.1 Lp总声级）= log 10（10 0.1未啮合噪音+10 0.1啮合噪音） （3）100.1 Lp总声级 = 10 0.1未啮合噪音+10 0.1啮合噪音 （4）10 0.1啮合噪音 = 100.1 Lp总声级 10 0.1未啮合噪音 （5）等式两边同时取对数（以10为底）：log 10（10 0.1啮合噪音）= log 10（100.1 Lp总声级 10 0.1未啮合噪音） （6）0.1啮合噪音 = log 10（100.1 Lp总声级 10 0.1未啮合噪音） （7）等式两边同时乘以10：啮合噪音=10 log 10（100.1 Lp

7、总声级 10 0.1未啮合噪音） （8）试验过程中第3步测量得到的噪音声级全部按式（8）进行校正处理，得到除去环境噪音、发动机运转噪音、机床运转噪音等外来噪音的影响后，齿轮副真正的啮合噪音。4. 试验结果4.1试验数据试验数据如下表1所示：表1：试验数据表主齿转速（r/min）测定距离(mm)未啮合噪音(dB)产品噪音(dB) 空载荷轻载荷重载荷正 转总声级正转计算得到的啮合噪音反 转总声级反转计算得到的啮合噪音正 转总声级正转计算得到的啮合噪音反 转总声级反转计算得到的啮合噪音正 转总声级正转计算得到的啮合噪音反 转总声级反转计算得到的啮合噪音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图表 根据计算得到的校正后的啮合噪音数据编制图表，探讨不同载荷下，噪音随转速变化的变化规律，见图2、图3。图2：

9、同一齿轮不同载荷下噪音随转速变化的变化情况图（正转）图3：同一齿轮不同载荷下噪音随转速变化的变化情况图（反转）5. 结论与分析5.1从图表中可以看出，螺旋锥齿轮副无论在空载，或是轻载，或是重载的情况下正转与反转，齿轮副的啮合噪音都随转速的增大而增大。转速是影响齿轮副啮合噪音的一个重要因素。5.2转速在7201970rpm的范围内，东风EQ153螺旋锥齿轮副在空载的情况下正转，啮合噪音随转速变化的变化规律基本满足y = -8×10-6x2 + 0.0324x + 47.484 这一函数式，R2 = 0.9918；齿轮副在空载的情况下反转，啮合噪音随转速变化的变化规律基本满足y = -7

10、×10-6x2 + 0.0297x + 49.149这一函数式，R2 = 0.9849；齿轮副在重载的情况下正转，啮合噪音随转速变化的变化规律基本满足y = -5×10-6x2 + 0.0237x + 59.336这一函数式，R2 = 0.9772；齿轮副在重载的情况下反转，啮合噪音随转速变化的变化规律基本满足y = -2×10-6x2+ 0.0142x + 66.327这一函数式，R2 = 0.9662。四种情况下，R2的值均大于0.9，表明转速在7201970rpm的范围内，啮合噪音随转速变化的变化规律基本满足函数式的关系，R2越接近1，噪音随转速变化的变化规

11、律越接近函数式。四个函数式表明，啮合噪音y与转速x2 的关系不是单纯的正比例关系，因为齿轮啮合时，主动轮运转的动能，既要转化为产生噪音的声能，又要转化为轮齿相对滑动的动能、轮齿摩擦产生的热能、使齿轮位置转移的势能。轻载时，啮合噪音随转速变化出现跳动性的变化情况，得到的函数式的R2值均小于0.9，无法列出符合其变化规律的函数式。5.3从图2、图3可以看出，无论正转，还是反转的情况下，空载的图线都在重载的图线下面，空载各个转速状态下的啮合噪音都比重载相应转速下的啮合噪音小至少5dB。噪音随负载的增加而增加。轻载时，啮合噪音随转速的变化出现跳动性的变化情况，转速为1008rpm时，轻载的噪音与空载的噪音几乎相等，并没随负载的增加而增加，但总体来说轻载时的噪音还是比空载时的噪音要大。瑞士Oerlikon奥利康公司资料Bevel and Hypoid Gears中的文章显示：“当齿轮处于轻载时，运动曲