齿轮传动噪声的成因及破解之法

传统衡量齿轮传动性能的两个主要因素是：负载能力和疲劳寿命，往往将传动噪音与传动精度忽略掉。随着ISO14000、ISO18000两项标准的相继颁布，控制齿轮传动噪音这一因素的重要性日趋明显，工业发展与需求对高精密设备的传动误差的要求也越来越严格（齿轮传动侧隙）。目前已知的齿轮噪音形成因素，大致可从设计、制造、安装、使用维护等几个方面分析。

设计原因及对策

1．齿轮精度等级

齿轮传动系统设计时，设计者往往从经济因素考虑，尽可能比较经济的确定齿轮精度等级，殊不知精度等级是齿轮产生噪声等级与侧隙的标记。美国齿轮制造协会曾通过大量的齿轮研究，确定高精度等级齿轮比低精度等级齿轮产生的噪声要小的多。因此，在条件允许的情况下，应尽可能提高齿轮的精度等级，来减小齿轮噪声，减少传动误差。

2．齿轮宽度

在齿轮传动系统允许时，增加齿宽，可以减少恒定扭矩下的单位负荷。降低轮齿挠曲，减少噪声激励，从而降低传动噪声。德国H奥帕兹的研究表明，扭矩恒定时，小齿宽比大齿宽噪声曲线梯度高。同时增长齿宽能加大齿轮的承载能力。

3．齿距和压力角

小齿距能保证有较多的轮齿同时接触，齿轮重叠增多，减少单个齿轮挠曲，降低传动噪声，提高传动精度。较小的压力角由于齿轮接触角和横向重叠比都比较大，因此运转噪声小、精度高。

4．运转速度

根据德国H奥帕兹的试验研究表明，随着齿轮运转速度增加，噪声等级升高。

5．齿轮箱结构

试验研究表明，采用圆筒形箱体对减震有利，在其他条件相同的情况下，普通结构齿轮箱体的噪声级比圆筒形箱体噪声级平均高6dB。对齿轮箱体进行共振测试，找出共振位置，增加适当的筋条（板），可以明显地减少振动，降低噪声。多级齿轮传动时要求瞬时传动比的变化尽量小，已保证传动平稳，冲击及振动小，噪声低。

6．齿轮声辐射特征分析

在选择用不同结构形式的齿轮时，对其特定结构建立声辐射模型，进行动力学分析，对齿轮传动系统噪声进行预先评估。以便根据使用者的不同要求（使用场所，是否无人操作，是否在城区内，地上、地下建筑物有无特定要求，是否有噪声防护，或无其他特定要求）去满足。

制造原因及对策

1．误差影响

制造过程齿形误差、齿距误差、齿向误差是导致传动噪声的主要误差。也是齿轮传动精度难以保证的一个问题点。

齿形误差小、齿面粗糙度小的齿轮，在相同试验条件下，其噪声比普通齿轮要小10dB。齿距误差小的齿轮，在相同试验条件下，其噪声级比普通齿轮要小6～12dB。但如果有齿距误差存在，负载对齿轮噪声的影响将会减少。

齿向误差将导致传动功率不是全齿宽传递，接触区转向齿的这端面或那个端面，因局部受力增大轮齿挠曲，导致噪声级提高。但在高负载时，齿变形可以部分弥补齿向误差。

齿轮噪声的产生与传动精度有很直接的关系。

2．装配同心度和动平衡

装配不同心将导致轴系运转的不平衡，且由于齿论啮合半边松半边紧，共同导致噪声加剧。高精度齿轮传动装配时的不平衡将严重影响传动系统精度。

3．齿面硬度

随着齿轮硬齿面技术的发展，其承载能力大、体积小、重量轻、传动精度高等特点使其应用领域日趋广泛。但为获得硬齿面采用的渗碳淬硬使齿轮产生变形，导致齿轮传动噪声增大，寿命缩短。为减少噪声，需对齿面进行精加工。目前除采用传统的磨齿方法外，又发展出一种硬齿面刮削方法，通过修正齿顶和齿根，或把主被动轮的齿形都调小，来减少齿轮啮入与啮出冲击，从而减少齿轮传动噪音。

4．系统指标检定

在装配前零部件的加工精度及对零部件的选配方法（完全互换，分组选配，单件选配等），将会影响到系统装配后的精度等级，其噪声等级也在影响范围之内，因此，装配后对系统各项指标进行检定（或标定），对控制系统噪声是很关键的。

安装原因及对策

1．减振和阻断措施

对齿轮传动系统在安装时应尽量避免机身与基础支撑及连接件之间发生共振，产生噪声。齿轮传动系统常常会发生一只或几只齿轮在某些速度范围内产生共振，除设计原因外，与安装时未经空试揪出共振位置。并采取相应减振或阻断措施有直接关系。某些要求低传动噪声和振动的齿轮传动系统（如检测仪器），应选用高韧性，高阻尼的基础材料（如冶金设计研究院研制的环氧树脂砂浆基础材料）来减少噪声和振动的发生。

2．几何精度调整

由于安装时几何精度未达到标准规定的要求，导致传动系统发生共振，从而产生噪声，这就应该在改善安装工艺，增加工装，保证装配人员的整体素质有直接关系。

3．零部件松动

在安装时由于个别零部件的松动（如轴承预紧机构，轴系定位机构，拨叉限位机构等），导致系统定位不准，非正常位置啮合，轴系移动，产生振动和噪声。这一系列需从设计结构出发，尽量保证各机构的联接稳定，采用多种联接方式。

4．传动部件损坏

在安装时由于不当操作损伤传动部件，导致系统运动不准确或运动失稳；高速运动部件由于受损导致油膜振动；人为造成运动件动不平衡；都产生振动和噪声。这些原因在安装过程中都是必须注意和尽量避免的。对无法修复的损伤零部件，必须予以更换，以保证系统获得稳定的噪声等级。

使用维护原因及对策

对齿轮传动系统正确的使用维护虽不能降低系统噪声等级，保证传递精度，但却能防止其指标劣化，增大使用寿命。

1．传动系统内部清洁

传动系统内部的清洁是保证齿轮正常运转的基本条件，任何杂质污物的进入都将影响并损伤齿轮传动系统，最终导致噪声的产生，损坏传动系统。

2．系统正常工作的工作温度

保证传动系统正常的工作温度，防止系统因过大的温升产生变形，导致非正常啮合，可以防止噪声的增大。

3．及时的润滑和正确使用油品

不认真的润滑和错误的使用润滑油脂都将对系统产生不可估量的损害。保证系统得到及时正确的润滑，可使系统保持在一定的噪声等级范围内，延缓劣化趋势。高速运转的齿轮，齿面摩擦会产生大量的热能，润滑不当，将会导致轮齿的损伤，影响精度，噪声亦会增大。设计时要求齿轮副有适当的间隙（啮合轮齿的非工作面间的间隙，以补偿热变形与贮存润滑油脂）。对润滑油脂的正确使用和选择，可保证系统安全有效运行，稳定噪声等级。

4．对齿轮运动系统的正确使用

按照系统正常操作顺序使用它，可以最大限度地避免系统的损伤及损坏，保证稳定的噪声等级。在系统的正常负载范围使用系统，因为齿轮传动系统传动噪声随负载的增加而增大。

5．定期维护与保养

定期的维护保养（换油，更换已磨损零部件，紧固件松动部件，清除系统内部杂物，调整各部间隙至标准规定值，检定各项几何精度等。）可以提高系统抵抗噪声等级劣化能力，维持系统状态稳定。

结论

齿轮传动噪声控制是一个系统工程，它涉及了齿轮传动设计，制造，安装，使用维护直至更新的全过程，它不仅对设计者，生产制造者，也对安装使用维护保养者提出了诸多要求，上述任何环节未受到有效控制，齿轮传动噪声控制都将归与失效。

二、齿轮的工作特点

（一）

齿轮的接触型式及摩擦特点：（见表）

齿轮的接触型式及摩擦特点：（见表）

齿轮类型 接触形式 主要摩擦特点

正齿轮 线 滑动及滚动

人字齿轮 线 滑动及滚动

圆锥齿轮 线 滚动及滑动

直齿 线 滚动及滑动

曲齿 线 滚动及滑动

蜗轮蜗杆 点 滑动

双曲线齿轮 线 滑动及滚动

螺旋齿轮 点 滑动



（二）齿轮的工作特点：

不同类型的齿轮有着不同的工作特性，如：正齿轮传动时，齿面接触线是一条与轴线平行的直线，其轮齿的啮合是沿整个齿宽同时接触，或同时分开，所以容易引起冲击和噪音。为了克服这种缺点，产生了斜齿、螺旋齿、曲齿、圆锥曲齿、双曲线齿等传动以达到传动平稳、减少冲击和噪音等目的。同时这些齿轮在啮合区内，接触线的总长要比直齿轮长，且在同一时间内，有几个齿同时啮合，啮合的部分比直齿多，从而使齿面上的比压降低，提高了齿轮传动的承载能力，增长了使用寿命。

（三）齿轮的工作条件

随着现代工业的高速发展，特种、重型、高速、强载设备的出现，齿轮的传动条件越加苛刻，特别是汽车工业、航空工业等表现突出，其他一般工业齿轮装置的减速箱、传动箱工作条件较为缓和。总之齿轮在不同运转工作条件下，齿轮的齿面啮合压力、齿轮的圆周速度以及在工作时油的温度等有较大的差异，其齿面啮合承载的压力为0.8～4Gpa，齿轮的圆周速度为5～100m/s，其工作运转时的油温在40～200℃之间。

三、齿轮的损坏状况

（一）

齿轮损坏的形式

齿轮损坏的形式可分为四种类型：黏着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、和腐蚀磨损。以上四种类型的磨损表现在不同的工作条件下（扭矩及速度等）

（二）

损坏的主要原因

当摩擦副在运转过程中，其一是润滑油因粘度小，速度太低，负荷太大，不能建立油膜；其二是圆周速度过大，负荷过重，产生滑动滚动、润滑油的质量等级差，粘度不合适、缺油等造成的不同程度黏着磨损；其三是润滑系统内混进外部的尘埃等微粒以及内部磨屑、胶质等杂质造成微粒磨损；其四，在周期循环接触应力的反复作用下，使齿轮产生疲劳磨损，使表面材料产生点蚀、剥落以及断裂；其五，润滑系统内混进水、金属微粒、化学污染物、以及润滑油的化学作用和氧的参予下等造成腐蚀磨损等。

齿轮的损坏是齿轮在运转过程中产生滑动、滚动、冲击以及润滑材料等介质与摩擦副的相互作用下引起的擦伤、点蚀、断裂等损坏。

四、齿轮的润滑

（一）

对齿轮润滑油的主要质量性能要求：

1、适当的粘度和良好的粘温性能；粘度不能太低，不能形成足够厚的油膜，但粘度也不能太大，以免在较低气温下不易启动。

2、良好的极压性能：对双曲线齿轮、曲线圆锥齿轮及螺旋齿轮、蜗轮传动齿轮，它们呈线、点接触，承受很大的负荷及很高的转速，并且既有滑动也有滚动，工作十分苛刻，所以说必须有良好的极压性能。

3、良好的抗氧化安定性：齿轮在强载高速运转过程中，油的工作温度很高，易氧化变质，所以齿轮油在高温下应该有良好的抗氧化安定性能。

4、具有较好的防腐性能：齿轮在运转过程中，由于氧化和添加剂的作用，而使齿面腐蚀、在有水和氧的参与下齿轮易锈蚀，因此齿轮油应具有良好的防腐蚀防锈性能等。

齿轮精密锻造技术的发展

摘要：研究和试验了圆柱直齿轮、圆柱斜齿轮和同步齿轮等3 种汽车用齿轮。制造工艺采用温锻加冷处理，用有限元模拟来分析锻造过程和设计模具，从而保证齿轮的精度。经过3 年的研究，已掌握其基本技术，下一步将进行工厂现场试验。

关键词：齿轮；精密锻造；计算机模拟；模具设计与制造



1 引言

齿轮精密锻造在近几十年来有很大的发展，越来越多的制造厂家和用户重视用锻造的方法制造齿轮。普遍认为，用锻造的方法，可以提高材料的利用率，提高生产率，提高齿轮的机械性能，降低成本和增强市场竞争力。尤其对用于汽车工业的大规模生产，齿轮精密锻造具有更大的效益和潜力[1～3 ] 。

尽管齿轮精密锻造有诸多优点，并已用于锥齿轮的规模生产，但距应用于一定尺寸的圆柱直齿轮和斜齿轮的规模生产还有一段距离。特别是应用于汽车动力传动的齿轮，还需要建立一套实用和可靠的生产工艺流程，才能为厂家所接受。

齿轮精密锻造技术源于德国。早在50 年代，由于缺乏足够的齿轮加工机床，德国人开始用闭式热模锻的方法试制锥齿轮。其中的主要特征是使用了当时很新的电火花加工工艺来制造锻模的型腔。另外还对锻造工艺过程进行了严格地控制。在此基础上，齿轮锻造技术进一步应用到螺旋锥齿轮和圆柱齿轮的生产。但是在圆柱齿轮锻造中，由于金属材料的塑性流动方向与其受力方向垂直，所以其齿形比锥齿轮更难形成。60 年代开始圆柱齿轮的锻造研究，70 年代有较大的发展，这主要是受到来自汽车工业降低成本的压力。到80 年代，锻造技术更加成熟，能达到更高的精度和一致性，使锻造生产齿轮能在流水生产线上准确定位，适合于批量生产。

齿轮精密锻造的目的是直接生产出不需要后续切削加工的齿轮。如果能在室温下进行锻造，则齿轮的形状和尺寸较易控制，也可避免高温带来的误差。目前已有较多的锥齿轮和小尺寸的圆柱齿轮用这种方法制成。当整体尺寸适合时，还可以用冷挤压的工艺来制造圆柱直、斜齿轮。但大部分用于汽车传动的齿轮，其直径、高度比较大，不适合采用挤压工艺。如用闭式模锻，则需要很高的压力才能使金属材料流动并充满模具型腔，因而此类齿轮需要采用热锻或温锻工艺。而高温将带来材料的氧化，模具畸变，影响锻件的精度和表面质量。用附加的切削加工来修正这些误差难度较大，还要增加成本。特别是当使用后续磨削工艺来修正齿形上的误差，除增加成本和延长工时外，还存在磨削工艺中齿轮的定位问题。

目前，比较一致认同的工艺途径为热锻、温锻和冷锻的结合。热锻、温锻可实现高效能和材料的高利用率，冷锻过程则修正热、温锻过程的误差和提高表面质量。同时，冷处理工艺还能使轮齿表面获得残余压应力，提高齿轮的寿命。

笔者在伯明翰大学工作期间，所在的机械工程学院刚完成了一项由英国工程科学研究协会(EPSRC) 资助，与英国的7 家企业(齿轮制造，模具制造，齿轮用户，锻造厂以及钢铁公司) 合作的3 年研究课题：圆柱直齿轮和斜齿轮精密锻造。该项目在多年研究和实践的基础上，进一步探讨齿轮锻造的机理，利用现代的分析手段，如计算机模拟和设计技术，旨在开发一种生产和经济上可行的锻造加工技术，制造出在齿形上不再需要后续加工的精密齿轮。该项目研究和试验了圆柱直齿轮、圆柱斜齿轮和同步齿轮等3 种齿轮。考虑到整个过程的经济性，精密锻造只限于轮廓部分，而齿端和内孔等部分，则采用切削加工。制造工艺为温锻加冷处理，由温锻获得满足形状要求的齿轮，并在轮廓部分留有011mm 左右的余量。在冷处理过程中，把温锻后的齿轮挤压通过一精密设计和制造的模具，从而修正轮廓部分的误差，获得高精度的齿形表面。在研究过程中，有限元方法被用来分析锻造过程，设计模具，从而保证齿轮的精度。经过3 年的研究，已经掌握其基本技术，下一步将进行工厂现场试验。同时正在准备申报该项目的第二阶段研究。



2 温锻工艺

由于项目要求寻求一适合工厂实用的生产途径，该研究选用一高速率、单动单曲柄机械压机。由于锻件被加热，必须考虑材料的热膨胀和冷收缩以及模具的变形，为此采用有限元作计算。此外还用有限元对锻造过程模拟，以保证锻件精度。实验表明，在850 ℃～950 ℃之间锻造钢齿轮，误差可控制在0105mm 的范围内。

空心圆柱坯常用于空心轴对称零件或齿轮的锻造。图1 为一用于圆柱直齿轮的闭式模锻的设计。图中右侧显示锻造前的情形，左侧显示锻造后的情形。该模具由上模(冲头) ，下模(反冲头) ，芯棒和具有轮廓的型腔构成(如图所示) 。模具型腔部分由弹簧支承，在锻造过程中，冲头随压机滑块一起向下运动，并带动模具型腔向下运动。由于冲头只需封住型腔上表面，无需压入型腔，因此冲头可作成简单的形状。该设计中冲头为一阶梯圆柱形状。反向冲头在锻造过程中保持静止，在锻造后把齿轮顶出型腔。芯棒此处与冲头连成一体，用来帮助毛坯的定位。由于型腔在锻造过程中与锻件一起运动，型腔与锻件之间的摩擦力将有助于金属流动，所需载荷也比型腔固定时低。

在锻造过程中，模具的基本功能是使零件正确成形。对于此类齿轮锻造的模具设计，文献[4 ，5 ]对此进行了广泛和深入的讨论。由于锻件的种类、设备的限制，模具有多种组合。文献[4 ] 广泛研究了一般精密锻造中模具的结构、模具的设计和设备对锻件精度的影响。

锻件的形状不仅受高温热膨胀的影响，而且与模具的弹性变形有关，后者与载荷和径向压力有关。在齿轮锻造中，轮齿的角部最后形成。正是在此最后填充阶段，载荷急剧上升。文献[ 6 ] 的例子显示，冲头最后的013mm 的冲程(112 %的总变形)会导致增加50 %的载荷。可以从模具设计上加以考虑来减小载荷。比如引入倒角可使金属易于流入轮齿的上下角部；由此带来的端部余量可在后续切削工序中容易地去掉。这样一来，模具的畸变减小，寿命延长，锻件精度提高。对本文涉及的关于圆柱直齿轮的例子，文献[5 ] 详细分析了几种可能的模具设计方案：如把模具型腔固定，对冲头和冲头倒角，并用有限元分析了各种情形下金属的流动、轮齿的形成和锻造载荷的变化。文中还讨论了磨擦在各种条件下对变形和载荷的影响。

在此设备上温锻的圆柱直齿轮、斜齿轮和同步齿轮。温锻过程中，坯料加热到900 ℃，模具加热到200 ℃，并用水基石墨作润滑剂。图4为温锻后圆柱直齿轮的测量结果，可以看出，该齿轮齿形规则一致，轮廓留有0108mm～011mm 的余量，以便在后续冷处理过程中加以修正。由于温度控制在900 ℃左右，轮齿的表面质量也较高，Ra 为3μm 左右。



3 冷处理工艺

热、温锻工艺作为齿轮精密锻造的第一阶段，相对而言比较容易控制，因为锻造齿轮有一定余量可以调节。而冷成形工艺则需要相当高的精度。当把锻造齿轮挤过冷成形模具后，形状应该达到最后要求，无需再加工。对轮齿而言，轮廓的精度要求在10μm 左右，对模具的设计提出非常高的要求。

在齿轮冷成形(精整) 工艺中，齿轮被逐渐挤过冷成形模具，模具的内应力和变形与齿轮的位置有关。特别是径向压力的变化将决定模具的变形，如能设计适当的模具形状，模具的变形可以被加以利用。比如，当齿轮在模具入口和出口处，模具的受力相对小些，因此变形也相对小些。当齿轮在模具中部时，模具的变形就相对大些。该特征有可能被利用来获得具有鼓形的轮齿。文献[6 ] 用角度的空心圆柱形零件对鼓形成作了理论分析和实验研究。

有限元法被用于齿轮冷成形(精整) 工艺，分析模具的变形、齿轮的变形和回弹。考虑了锻造齿轮的余量、模具形状、尺寸和结构对最终产品的影响。图5 为一用于分析圆柱直齿轮冷成形过程的有限模型。冲头的变形对齿轮的形状影响不大，所以在有限元模型中可处理为刚性体。而模具型腔的变形则直接影响轮廓的形状和尺寸，因此模具按变形体模拟。冷处理过程中，只有轮齿表面发生塑性变形，轮齿内部和轮齿的大部分区域处于弹性变形状态。弹性回复的比例很大，必须用弹塑性材料模型才能预计轮廓的最后形状。

用于圆柱直齿轮冷成形的模具。冲头与芯棒作为一体，装在压机的上滑块上。芯棒与锻造齿轮孔之间有微小间隙，它不用来定位，只用来帮助导向。因为在锻造过程中，只保证轮齿的精度而不能保证内孔的精度。齿轮进入模具型腔也是靠模具的倒角导入。

如果要用于斜齿轮的精整，齿轮在挤入过程中会转动。需在冲头于压机之间装配一滚动轴承，使冲头能随之转动。另外在挤压斜齿轮时，轮齿两侧受力不对称，变形也不相同，可把该齿轮反向再挤一次。事实上，直齿轮也可用两次处理，这样不但轮齿形状较好，而且表面的残余应力状态也比一次挤压效果好。经过实验，单次挤压可获得20MPa～50MPa 的残余压应力，两次处理可使残余压应力达到100MPa 左右[8 ] 。

圆柱直齿轮冷成形的分析和实验结果。用坐标测量机对冷挤齿轮的轮廓进行测量，并与有限元预测的结果相比较。图中显示了锻造齿轮、模具、实测的精整齿轮以及有限元计算的轮廓。可以看出，理论分析与实际测量吻合较好。从分析可准确估计轮廓的回弹量，从而地设计模具的尺寸和形状。

冷成形的另一优点是改善轮齿的表面质量，实验表明，其光洁度达到Ra = 1μm 以下，满足轮齿加工的要求[8 ] 。



4 模具制造与齿轮的测量

冷成形模具的精度是齿轮精密锻造技术的关键。目前的分析手段已经发展到一定水平，可以考虑多种影响因素，地设计模具。但要制造出高精度的模具，还有很多困难，尤其是齿轮精锻模的轮齿，更难加工。因为要补偿齿轮的弹性回复和模具的弹性变形，模具的齿轮轮廓不再是标准的渐开线。因此，为模具厂家提供的数据不是齿轮的标准参数，而是描述轮廓的数据坐标，通常要求精度在5μm 以内。对直齿轮的模具，可用线切割加工；但对斜齿轮的模具，则需用电解加工。线切割加工可接近5μm 的精度，但这超过了一般电解加工的精度。再用磨削工艺来提高精度，必须注意到其轮廓不是标准齿轮。在本文提到的研究课题中，模