降低行星轮系噪声提高强度方法研究

摘   要：齿轮传动系统在现代化的工业进程中有着无可替代的作用，在各个领域都得到了广泛的应用。特别是新能源汽车行业的发展，变速箱齿轮系统必须满足低噪音、轻量化、高可靠性的要求。而在实际中，共振是齿轮发生失效的常见形式，可放大噪声；齿轮参数的选择不仅影响齿轮的强度，还会影响到传动噪声。因此，对齿轮系统的共振分析、齿轮配齿参数的选择，对齿轮系统的设计具有重要意义。

关键词：降低；行星轮系噪声；提高强度

1  非因子分解式配齿与无公约数跑合

行星轮系设计时，齿轮参数的选择不仅要考虑邻接条件、同心条件、装配条件，还需重点考虑非因子分解式配齿。邻接条件是两个相邻行星轮齿顶不得干涉碰撞，要保证一定的间隙，这个间隙计算公式为：△g=2asin（θ/2）-d，式中△g为相邻行星轮之间的间隙，a为中心距，θ为两个行星轮之间的中心角，也可用简单画图法进行验证；同心条件及行星轮与内齿轮的中心距等于行星轮与太阳轮的中心距；装配条件使得各行星轮等分度地配置在中心轮周围且都能嵌入两个中心轮之间，必须满足（zr+zs）/n=整数，zr为内齿轮，zs为太阳轮，n为行星轮个数。

因子分解式配齿，沿着啮合线，所有行星轮在任何时刻都是相同的啮合状态，即任何时刻均在齿面上的对应点接触，行星轮上的各个轮齿均与太阳轮上的对应轮齿啮合，行星轮上的所有轮齿均与太阳轮上的R个轮齿啮合，无限循环重复，容易使接触次数多的轮齿疲劳损伤也容易发出噪声。非因子分解式配齿，沿着啮合线，部分或者全部行星轮在任何时刻均为不同的啮合状态，既任何时刻均在齿面上的不同点接触。每个齿轮上的每个轮齿均与另一个轮齿啮合，有助于每个齿轮轮齿的均匀啮合，可有效提高齿面的接触强度，有助于改善啮合质量，在齿轮存在变形或者其他较小的运动误差时，非因子分解式配齿在理论上可以补偿系统的振动，使系统运转平稳、噪声更低。

对于汽车高速齿轮、风电大功率齿轮箱设计时应遵循非因子式配齿实现无公约数啮合。无公约数既太阳轮齿数与行星轮齿数，行星轮齿数与内齿圈齿数无公约数。齿轮在跑合期间，通过增加与所认定的接触轮齿外的其他不同轮齿的接触而产生磨合作用，有利于齿轮寿命的提高，所以从齿轮加工精度、减速器的运行速度等考虑行星减速器的配齿还需满足非因子分解式配齿与无公约数跑合。

2  行星轮系系统动态对噪声及强度影响

行星轮系中常采用一个或多个浮动零件，使行星轮系的自由度大于1，行星轮系运转时这个浮动零件可偏离理论中心位置，在径向间隙内做径向自由运动，浮动件不能用任何轴承支撑以免限制其径向运动。可利用花键、齿套的啮合来支撑浮动，但应有足够大的径向间隙，以免出现零测隙或摩擦限制浮动的现象。行星轮系使用一个中心轮浮动，可实现三个行星轮均载，当然前提需要浮动件有足够的浮动空间，行星轮需均布在行星架上。通过动态分析、试验测试，行星轮系采用中心浮动件可有效解决行星轮的均载，可提高齿轮的啮合强度，同时可降低齿轮的啮合冲突，降低啮合噪声。另外常用均载方法还有：提高齿轮精度，控制行星轮轴孔的中心距偏置，控制行星轮齿厚公差，采用均载机构，利用元件弹性变形，采用径向滑动轴承等，都是试图降低制造偏差产生位置变动。行星轮系啮合时，声音主要来源于齿轮啮合，齿轮啮合产生结构共振的激励频率主要为齿轮的啮合频率，啮合频率的计算公式为：f1=nz/60，式中，z，n分别为齿轮齿数及齿轮转速（单位r/min）。

根据系统参数及上式计算可得各个齿轮激励频率如表所示：激励频率（单位：Hz）

当激励频率接近或等于固有频率时，齿轮系统就会发生共振。对各个齿轮的激励频率与固有频率进行比较，可以确定接近激励频率的固有频率阶数。上图为第一级太阳轮与行星轮的固有频率对应的振型图。从图中可以看出太阳轮在5000转，10000转，15800转时激励频率均远离固有频率；行星轮在5000转，10000转时激励频率均远离固有频率，但在15800转时激励频率几乎接近3阶固有频率，行星轮的3阶固有振型沿横向振动，发生共振，易导致齿轮根部发生断裂，同时产生较大噪声。因此在设计时需特别注意，要改变齿轮齿数、结构使得激励频率均避开固有频率。

结 论

齿轮传动噪声的控制、强度的提高，只从降低制造偏差，提高齿轮制造精度着手是远远不够的。需要从多方面考虑，特别是行星轮系，需要对齿轮齿数参数进行优化选择，采用非因子分解式配齿可实现无公约数跑合，采用一个或多个浮动零件，可有效解决行星轮的均载，可提高齿轮的啮合强度，同时可降低齿轮的啮合冲突，降低啮合噪声。对于高速齿轮传动需进行ANSYS有限元分析，求解轮系的固有频率，计算轮系的激励频率对比分析，使轮系的激励频率远离固有频率，可有效解决共振，防止断齿，降低噪声。