Исследование шума в работе зубчатых передач и способов его устранения

Аннотация

Лыков А.В., Лахин А.М. В работе рассмотрены вопросы снижения шума в работе зубчатых передач. Выполнен анализ причин возникновения шума и вибраций в работе зубчатых передач, определены основные конструкторские и технологические методы его уменьшения.

Ключевые слова:

зубчатая передача, шум, износ.

Введение

Одним из важнейших эксплуатационных показателей работы зубчатых передач является шум их работы. В наибольшей степени повышенная шумность зубчатых передач характерна для высокоскоростных и тяжелонагруженных передач, и данный показатель в большинстве случаев также характеризует надежность и долговечность механизма с зубчатыми колесами.

Основное содержание и результаты работы

Уровень шума зубчатых колес зависит от многих факторов, главными из которых являются точность зубчатого зацепления, а также инерционные и жесткостные параметры системы. Погрешности зацепления являются возбудителями вынужденных колебаний, а инерционные и жесткостные параметры определяют собственные колебания системы.

Вследствие разности фактических шагов ведущего и ведомого колес, возникают удары сопряженных зубьев в момент входа их в зацепление [2]. Это вызывает колебательный процесс. Сила удара находится в прямой зависимости от разности шагов зацепления и окружной скорости. Поэтому при возрастании скорости вращения валов с зубчатыми колесами, возрастает и интенсивность шума.

Другой причиной вибраций и шума зубчатых передач является мгновенное изменение жесткости зубчатого зацепления при переходе от двухпарного зацепления зубьев к однопарному, а также мгновенное изменение силы трения, действующей между рабочими профилями зубьев в полюсе зацепления. Это вызывает распространение вибрации от зубчатых колес ко всем деталям механизма зубчатой передачи и возникновение звуковых волн.

При рассмотрении различных форм пятна контакта зубьев можно выделить следующие характерные случаи (рис.1).

При форме пятна контакта, представленной на рис.1, а, зубчатая передача издает тихий шелест и низкое гудение, практически на увеличивающееся с ростом окружной скорости. В данном случае нагрузка распределяется равномерно по зубьям, и передача считается годной. При форме пятна контакта (рис. 1, б), без нагрузки слышен шелест, а код нагрузкой вой, увеличивающийся с ростом окружной скорости. Передачи с формой пятна контакта показанной на рис. 1,в, при работе без нагрузки издают мелкий стук, перерастающий в вой и частый перемежающийся стук. В случае (рис.1, г) передача издает частый перемежающийся стук, перерастающий с вой.

Как видно из форм пятна контакта, возникновению шума способствуют также погрешности обработки базовых отверстий корпуса зубчатой передачи, что вызывает перекосы валов и подшипников при монтаже зубчатой передачи. Это вызывает результаты, аналогичные погрешностям окружного шага и направления зуба [1].

Исходя из причин возникновения шума в работе зубчатых передач, можно определить основные способы его снижения, среди которых выделим конструктивные и технологические методы.

К конструктивным методам можно отнести методы связанные с совершенствованием конструкции зубчатых колес, которые позволяют устранить удары и вибрации при зацеплении пар зубьев.

Для повышения плавности в работе зубчатой передачи целесообразно использовать косозубые, шевронные и колеса с криволинейным зубом вместо прямозубых. Такие зубчатые передачи позволяют каждому зубу входить в зацепление не сразу по всей длине, как правило с ударом, а постепенно, плавно, вызывая упругие микродеформации участков зуба, компенсирующие погрешности окружного шага и направления зуба. Переход от прямозубой к косозубой или криволинейной форме зуба позволяет снизить уровень шума на 10–12 дБ.

Если конструкция зубчатой передачи по какой либо причине не позволяет применение косо- или криволинейной формы зуба, снижения шума можно достичь за счет модификации формы зуба. Здесь можно выделить два способа: продольная модификация и модификация формы профиля зуба. Продольная модификация заключается в плавном изменении размеров сечения зуба по его длине, и чаще всего сводится к применении зубьев бочкообразной формы. В таких зубчатых колесах ширина зуба уменьшается от середины к краям зубчатого венца. Это позволяет уменьшить влияние перекоса зубьев вследствие непараллельности осей валов и погрешностей направления зуба, при этом шум зубчатой передачи снижается на 3–4 дБ.

Модификация формы эвольвентного профиля зуба чаще всего сводится к фланкированию головки и ножки зуба – направленном удалении части профиля зуба для более равномерного расположении зубьев на колесе и уменьшения ошибок основного шага. Это позволяет упростить монтаж зубчатых колес в передаче и уменьшить влияние деформации зубьев при работе под нагрузкой. В результате фланкирования контакт зубьев вне линии зацепления заменяется на теоретически правильный контакт по линии зацепления, в результате чего увеличивается пятно контакта зубьев и снижается уровень шума зубчатой передачи.

Также известно, что одним из факторов определяющих способность зубчатой передачи гасить колебания является материал колеса. За счет замены хотя бы одного зубчатого колеса передачи на колесо из пластмассы можно значительно снизить уровень шума, что в наибольшей степени достигается для высокоскоростных передач, на резонансных режимах работы а также при повышенных нагрузках. Существенно снизить шумность несиловых передач можно за счет применения сталей с низкой поверхностной твердостью, металлических порошков и т. п. Хорошей комбинацией в зубчатой передаче является использование шестерни из стали повышенной твердости и шлифованными зубьями с колесом из более мягкой стали и шевингованными зубьями.

Для более бесшумной и плавной работы зубчатой передачи при постоянных условиях нагружения следует назначать минимальный модуль зубчатых колес [3]. Это увеличивает торцовый и осевой коэффициенты перекрытия, повышая плавность работы и снижая вибрации в зацеплении. При этом, вследствие уменьшения сечения основания зуба, входящего в зацепление уменьшается уровень допускаемых нагрузок на зуб. Для компенсации этого недостатка следует увеличивать делительный диаметр, ширину зубчатого венца, использования многопарного зацепления и т. д.

Шум передачи также можно снизить за счет обеспечения коэффициента перекрытия зубьев равного целому числу. Испытания показали, что коэффициент перекрытия 2,0 обеспечивает наиболее бесшумную работу передачи.

На шумность зубчатой передачи влияет нагрузка на зубья. При увеличении коэффициента нагрузки, снижается динамическая нагрузка в зацеплении. При этом увеличиваются упругие деформации в зацеплении, компенсируя неизбежные погрешности шага зубьев, повышается плавность работы передачи и снижается уровень шума.

Кроме того на шумность влияет конструкция и материал корпуса зубчатой передачи, который должен препятствовать распространению звука в окружающую среду. Как правило, литые корпуса лучше демпфируют колебания чем сварные. Качество смазочного материала также определяется их способностью демпфировать колебания. Более вязки смазочные материалы обеспечивают более бесшумную работу, однако снижая при этом КПД зубчатой передачи. Тип подшипников валов зубчатых колес также влияет на шумность работы передачи. Подшипники качения, работая с масляной пленкой при высоких скоростях, обеспечивают более бесшумную работу зубчатой передачи, имея при этом, однако, значительно большие потери на трение по сравнению с подшипниками качения. Поэтому подшипники качения рекомендуется использовать в высокоскоростных передачах.

Среди технологических методов снижения шума в работе зубчатых передач рассмотрим основные технологические операции отделочной обработки зубьев. Как рассматривалось ранее, основное влияние на шум зубчатой передачи оказывает точность и качество поверхностей зубьев. Уменьшение шума зубчатой передачи для незакаленных зубчатых колес наиболее эффективно можно обеспечить шевингованием. При этом значительно уменьшаются погрешности окружного шага, направления зуба и отклонения профиля зуба. Для закаленных зубчатых колес наиболее эффективным и производительным методом борьбы с шумом является зубохонингование, обеспечивающее снижение шума передачи на 2–4 дБ. Зубошлифование обеспечивает наиболее высокую точность параметров зубчатого венца и наименьший уровень шума передачи. Однако данный метод наименее производителен.

Выводы

В целом в ходе исследовании установили что основным источником шума в работе зубчатой передачи являются удары и вибрации возникающие вследствие неточности элементов зубчатой передачи. Определили основные конструкторские и технологические методы уменьшения шума в работе зубчатой передачи.

Список использованной литературы

1. Кудрявцев В. Н. Зубчатые передачи. – М.: Машгис,1957. – 263 с.
2. Косарев О. И. Способы снижения возбуждения и вибраций в прямозубом зацеплении. / О. И. Косарев // Вестник машиностроения. – 2001. – №4. С. 8–14.
3. Рудницкий В. Н. Влияние геометрических параметров зубчатых колес на шум в зубчатых передачах / В. Н. Рудницкий. Сб. ст. Вклад ученых и специалистов в национальную экономику/ БГИТА – Брянск, 2001. – с .125–128.