齒輪—Rattle噪聲及嘯叫噪聲的來源


齒輪Rattle噪聲及嘯叫噪聲的來源


第一篇文章我介紹了齒輪的基本概念,重點需要區分節圓、分度圓、分度圓壓力角和嚙合角的區別,今天接著上次的內容,進一步給大家帶來齒輪——噪聲方面的相關知識。

在上一篇文章的結尾處我說明了當改變齒輪中心距時,節圓和節圓壓力角也會隨之改變,但是傳動比不變。事實上在改變中心距時,還會改變另一個非常重要的參數——齒側間隙(Backlash)。齒側間隙(簡稱齒隙)表示相嚙合的兩個齒輪沿節圓周向的間隙,增大中心距齒隙也隨之增大,反之亦然。

齒輪—Rattle噪聲及嘯叫噪聲的來源的圖1

齒輪—Rattle噪聲及嘯叫噪聲的來源的圖2


為什么要存在齒隙?首先由于存在加工誤差,不能保證所有輪齒的尺寸都一致,并且工作溫度升高還容易引起齒輪熱膨脹變形,因此傳動過程必須保證有間隙才不會讓齒輪卡死;另外,傳動系統是需要潤滑油輔助潤滑的,因此必須要留有齒隙存放潤滑油??梢哉f齒隙是齒輪平滑旋轉所必需的間隙,齒輪要避免在無齒隙的狀態下使用,但另一方面,齒隙的存在,也間接使得傳動過程中產生了噪聲。

大家都知道產生噪聲的實質是空氣振動,齒輪噪聲的本質也就是齒輪振動。在傳動過程中,如果扭矩(外部激勵)頻繁波動,如加減速或者調整方向,由于齒隙的存在,會使得輪齒的接觸面也不斷變化,輪齒需要先越過齒隙才會與另一個齒面接觸,這就產生了齒間沖擊,這種沖擊、碰撞除了增大應力之外,還會伴隨著明顯的噪聲和振動,而在齒輪傳遞的力較小且轉速較高的情況下,可能會出現輪齒間接觸、脫離、再接觸、再脫離這樣的反復沖擊,從而引發齒輪系統的非線性振動,這就是Rattle噪聲的來源。當然,在高速運動中,齒隙帶來的影響不僅僅是噪音,甚至可能對系統造成不可逆的破壞,比如在伺服機構中,由于控制系統無法糾正齒隙引起的相對位移(或者叫回程誤差),因此驅動側在小范圍內的調整無法直接傳遞到負載末端,從而導致機械驅動系統報廢,在這些應用中就需要避免齒隙的存在。
齒輪—Rattle噪聲及嘯叫噪聲的來源的圖3

現在我們知道了Rattle噪聲是由于外部激勵加上齒隙產生的,接下來介紹齒輪另一種由內部激勵產生噪聲的來源,但在那之前有必要先給大家對重合度的概念做個基本介紹。

重合度可以表示為同時參與嚙合的輪齒對數的平均值,為實際嚙合線段與齒輪的基圓齒距之比:

齒輪—Rattle噪聲及嘯叫噪聲的來源的圖4



齒輪—Rattle噪聲及嘯叫噪聲的來源的圖5

作為衡量齒輪承載能力和傳動平穩性的指標,重合度越大,表明參與嚙合的齒對數越多,每對齒所擔負的載荷就越小,載荷波動也越小,從而使得傳動越平穩;而要保持兩齒輪在傳動過程中平穩連續,就必須保證在前一對齒廓嚙合結束前,后一對齒廓已經進入嚙合,因此應該要使重合度>1。重合度=2表明齒輪在旋轉時會始終保持雙齒嚙合,而一般齒輪的重合度都在1-2之間(直齒輪在1.4-2.0),那就說明是單齒和雙齒交替嚙合的,這帶來的最直接的影響就是輪齒嚙合剛度的變化。

嚙合剛度指齒輪嚙合時輪齒抵抗變形的能力,它被定義為:沒有誤差的一對直齒輪齒在節點上均勻接觸時, 將每單位齒寬的齒面法向載荷和每個輪齒齒面法向變形量的總和的比值。在齒輪嚙合過程中,倘若重合度不是整數,那就意味著參與嚙合的齒對數在嚙合過程中會隨時間周期變化,因而嚙合剛度也會隨著單齒和雙齒交替嚙合而呈現周期性變化(這里僅考慮嚙合綜合剛度)。

齒輪—Rattle噪聲及嘯叫噪聲的來源的圖6

如圖所示,輪齒嚙合剛度變化大致可以分為三個階段,進入嚙合時剛度直線增加,嚙合過程中剛度先增大后減小,最后脫離嚙合直線減小;仔細對比不難發現,嚙合剛度實際上就是同時參與嚙合的單對齒剛度在一定重疊度下的疊加。除此之外,根據下圖亦可發現,重合度越高,嚙合剛度變化就越柔和,傳動就越平穩。


齒輪—Rattle噪聲及嘯叫噪聲的來源的圖7

講到這里大家應該清楚了,齒輪的重合度會對嚙合剛度產生影響,那嚙合剛度又是怎么對齒輪的噪聲產生影響的呢?大家可以將嚙合輪齒想象成沿嚙合線方向的時變彈簧,產生相應動態的輪齒嚙合力,嚙合剛度的周期性變化會讓齒輪嚙合力也發生周期性的變化,這種因嚙合綜合剛度的時變性產生動態嚙合力并對齒輪傳動系統進行動態激勵的現象,就是剛度激勵。當激勵頻率接近傳動系統的固有頻率時,可能會引發準共振或共振現象,而且,激振頻率與固有頻率的數值越接近,則激起的振動幅度越大,噪聲也越大。除此之外,嚙合剛度的變化還會影響到齒輪傳動的精確度,使得ω1R1≠ω2R2,存在傳遞損失,這就是所謂的傳遞誤差,嚙合剛度的不斷變化引起傳遞誤差的波動,從而導致齒輪受載接觸應力的波動,這種接觸應力的波動激起內部結構振動,振動再通過軸、軸承傳到殼體便輻射成嘯叫聲。


以上介紹的兩類齒輪噪聲問題現如今備受關注,如何解決更是成為了傳統汽車領域讓人頭疼的問題,為此FunctionBay已經新開發了名為 RecurDyn/DriveTrain的解決方案,針對傳動系統中的軸、軸承、齒輪和機殼進行精確仿真:

RecurDyn/Shaft利用RecurDyn的通用函數梁單元建立考慮彎曲和扭轉變形的軸模型。

RecurDyn/Bearing KS 可以在軸向載荷和施加在軸承上的徑向載荷的組合載荷下構建考慮軸承剛度的軸承模型。KISSsoft 模塊集成在此功能中。

RecurDyn/Gear KS可建立考慮齒輪齒變形和嚙合時齒數變化引起的嚙合剛度變化的齒輪模型。KISSsoft 模塊集成在此功能中,結合RecurDyn/DriveTrain和RecurDyn的柔性體功能,即使考慮殼體變形,也可以合理地模擬齒輪傳動系統的運動行為。

齒輪—Rattle噪聲及嘯叫噪聲的來源的圖8


借助RecurDyn/DriveTrain解決方案可對由齒輪、軸承和軸組成的系統的性能評估、對齒輪振動和軸變形的影響進行分析、通過Transmission Error(傳遞誤差)進行嘯叫噪聲分析以及由Backlash(齒側間隙)引起的Rattle噪聲分析等等,多體動力學適用于此類動態機械系統仿真,RecurDyn/DriveTrain使工程師能夠動態地開發考慮各種瞬態條件的齒輪傳動系統。如果對RecurDyn感興趣,可以點擊下面鏈接查看《RecurDyn在變速箱系統動力學仿真應用案例》

RecurDyn 應用:基于多體動力學的齒輪傳動系統動力學仿真 - 知乎 (zhihu.com)










講到這里今天的內容就差不多結束了,但是我只說明了齒輪噪聲產生機理的小部分內容,還有很多很多相關知識,例如壓力角、齒數、齒面粗糙度和潤滑方式等都會對齒輪產生不同程度的振動影響,繼而引發噪聲;除此之外,就連嚙合剛度的影響因素,也不光是重合度,齒數、模數、壓力角等參數也都會對其產生各種影響,還有影響傳遞誤差也不僅僅是嚙合剛度,還有制造誤差、裝配誤差、載荷變化、溫度變化等各種因素,大家感興趣也可以自己去研究一下,我們下期再見!



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