齿轮传动振动产生的原因及解决办法

齿轮传动振动产生的原因及解决办法

于君波 耿 波 王铁成

(齐重数控装备股份有限公司 黑龙江 161005）

摘 要：在具有齿轮传动的机床中，齿轮常常是机床的一个重要振源，齿轮振动所产生的噪声也是机床噪声的一个重要噪声源。只有找到齿轮产生振动的原因，才能找到好的办法更好的解决齿轮振动，从而提高齿轮传动精度，减小噪音。 关键词：齿轮 振动 频率 啮合刚度

Abstract：With the machine in gear，Gear is often an important tool Source，Gear vibration noise generated by the noise machine is an important noise source。Only to find the causes of vibration generated gear，Good way to find a better solution gear vibration，So as to enhance the precision gear drive and reduce the noise. Key words：Gear Vibration Frequency Mesh stiffness

一、 引起齿轮振动的原因

齿轮加工和装配误差，是引起齿轮振动的主要原因之一。例如，齿圈径向跳动以齿轮一转为一个周期，使齿轮的周节和齿侧间隙周期性的变化， 从而导致被啮合齿轮超前或滞后的旋转，同时还产生不平衡的离心惯性力，相当于齿轮每转激振齿轮一次，引起频率与转速一致的振动，又如，齿形和齿距误差使齿轮产生振动载荷，在有误差的地方，齿轮角速度急剧变化，造成齿轮啮合时发生碰撞和冲击，使齿轮产生频率为啮合频率的振动，总之，齿轮的制造误差使齿轮不能正常地进、出啮合过程，引起齿与齿间的连续冲击，形成齿轮受迫振动的激振力。显然，制造误差越大，形成的激振力越大，引起的振动也越大。

齿轮啮合时，轮齿刚度的周期性变化，是引起齿轮振动的另一个主要原因。例如重合系数为1～2的齿轮传动，有时只有一对齿啮合，有时有两对齿啮合，齿的啮合对数随时在变化。两对齿啮合时轮齿啮合刚度，相当于两个弹簧并联，当然要比一对啮合时的刚度大，从而使齿轮的啮合刚度产生周期性的大幅度变化，见图，

在一对啮合区与两对齿啮合区之间有一个大的阶梯差。轮齿啮合刚度的变化使齿的弯曲变形随之变化，造成齿在进、出啮合时发生相互碰撞，而使齿轮产生频率为啮合频率的振动。同时，在这种持续的激振作用下，还使齿轮产生频率为其固有频率的瞬态受迫振动，尤其是当啮合频率等于固有频率，或者两者互为整数倍时，将由于共振而产生很大的振动。这种起因于轮齿啮合刚度变化的振动，即使在齿轮完全没有误差的情况下也会产生。

以齿轮的制造误差和变化的轮齿啮合刚度为激振因素，是齿轮产生圆周方向、径向和轴向的振动。这些振动不仅影响机床传动链的精度，播出噪声，而且通过轴和轴承成为机床其他零、部件的振源。

二、齿轮的振动频率

根据上述分析，由齿轮本身的原因产生的齿轮振动，其频率主要是回转频率、啮合频率、固有频率以及他们的高次谐波。在齿轮设计时，不仅要防止外界干扰频率与这些频率接近，也要防止固有频率与回转频率、啮合频率接近或是他们的整数倍，已避免由于共振而产生而较大的振动。这些频率的计算公式如下：

齿轮的回转频率 f=n/60(Hz)

齿轮的啮合频率 f=nz/60(Hz)

式中n为齿轮的转速（rpm），z为齿轮的齿数。

齿轮的固有频率对于形状比较简单且直径大于厚度五倍的圆柱齿轮，可近似看作中心固定的自由圆板，按弹性体振动理论推导出的公式计算，对于形状复杂的齿轮， 其固有频率目前尚无简便而又准确的计算式，常采用实测的方法确定。

三、减小齿轮振动的措施

为减小齿轮运转时的附加动载荷和角速度的波动，一方面应适当地提高齿轮的加工和装配精度，另一方面可采用齿顶根修缘，非整数的齿轮传动比及较大的齿侧间隙等方法减小齿轮副制造误差的影响。

为减小轮齿啮合刚度的变化，应选择合适的重合系数。重合系数表示齿轮处于啮合中的齿的平均对数，重合系数取为整数，轮齿啮合刚度的变化最小。对于重合系数不能选为整数的齿轮传动，取较大的重合系数，可使齿轮啮合刚度的变化相对减小。但是，对于精度不高的齿轮，则不宜采用大的重合系数，因为齿轮的误差会使下一对齿进入啮合时引起前一对齿的强烈振动。对于齿形角为20度的常用正齿轮，其重合系数到不了2，可采用变位齿轮或斜齿轮在增大重合系数。对于正齿轮还可采用一种被故意减小齿顶宽的所谓整形齿轮，这种齿轮运转时，由于齿顶宽小，使两对啮合区的合成刚度减小，从而减小了与一对齿啮合区的刚度之差，是一种收获较大而且简便的方法。

为提高齿轮的抗振能力，是它具有较好的频率特性，首先应调整齿轮的各种振动频率，

防止共振的产生。其次可采用各种方法提高齿轮的刚度和阻尼，例如，采用变位齿轮提高齿轮的刚度，选用阻尼较大的高分子，粉末冶金等材料，以及在齿轮端面喷涂阻尼材料，在轮缘上压入阻尼环，在轮辐上装橡皮圈，在端面上开槽灌胶等方法，以增大齿轮的阻尼。必要时可在齿轮轮体上安装各种合适的减振装置，在齿轮与其相接触的零件之间采取隔振措施。

参考文献

１、机械振动，清华大学，机械工业出版社，1980。

２、机床动力学，M.M.萨迪克,华中工学院,1980。

３、现代实用机床设计手册，陈心昭，机械工业出版社，2006。

作者简介：于君波 性别：男 出生日期：1982年4月12日 职务：设计员 职称：助理工程师 工作单位：齐重数控装备股份有限公司 技术中心

通讯地址：齐齐哈尔市安顺路89号齐重数控装备股份有限公司技术中心

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