Первопричина шума в шестернях — ошибка трансмиссии.
Все шумы от зубчатых передач — будь то от прямозубой шестерни или от чего-либо еще. косозубая передача — возникает из-за ошибки передачи (ОП): отклонения углового положения ведомой шестерни от положения, которое она занимала бы, если бы обе шестерни были идеальными, жесткими эвольвентами, вращающимися с постоянным передаточным отношением. Ошибка передачи измеряется в линейном перемещении по делительной окружности (мкм) или угловом отклонении (мкрад). Когда ОП колеблется с частотой, соответствующей частоте зацепления (количество зубьев × об/мин / 60), она возбуждает вибрацию в корпусе редуктора, валах и соединенной конструкции, которая излучается в виде воздушного шума на частоте зацепления и ее гармониках.
Зубчатое колесо и косозубая передача Они имеют принципиально разные характеристики погрешности передачи из-за геометрии зацепления зубьев. Разница в уровне шума между ними не связана напрямую с качеством поверхности или точностью изготовления (хотя и то, и другое имеет значение), а обусловлена геометрией зацепления зубьев, которая различна для двух типов зубьев независимо от качества изготовления.
Геометрия соединения — почему Helical работает тише благодаря одной лишь геометрии.
Цилиндрическая зубчатая передача (слева): пара зубьев входит в зацепление одновременно по всей ширине поверхности — резкий скачок нагрузки. Косозубая зубчатая передача (справа): контакт начинается с одного края и со временем перемещается по диагонали по ширине поверхности — усилие распределяется на конечный интервал, что значительно уменьшает амплитуду возбуждения ошибки передачи.
Цилиндрическая шестерня: мгновенный вход зуба по всей ширине зуба.
Когда пара зубьев прямозубой шестерни входит в зацепление, линия контакта (линия, вдоль которой соприкасаются две боковые поверхности зубьев) мгновенно появляется по всей ширине поверхности — она параллельна оси вала и появляется одновременно, как только вершина входящего зуба пересекает делительную окружность. Это вызывает ступенчатое изменение передаваемой силы, которое возбуждает вибрацию на частоте зацепления. Амплитуда ошибки передачи прямозубой шестерни зависит от того, насколько хорошо профиль зуба соответствует идеальной эвольвенте вблизи вершины зуба — даже небольшая ошибка профиля или интерференция вершины создают измеримый пик ошибки передачи при каждом входе зуба в зацепление.
Спиральная зубчатая передача: прогрессивное диагональное зацепление
А косозубая передача Линия контакта зуба наклонена под углом ψ к оси вала (где tan ψ = tan β / cos α_t). По мере приближения пары зубьев к делительной окружности линия контакта начинается на одном краю ширины рабочей поверхности и диагонально перемещается к другому краю по мере продолжения вращения. Таким образом, сила контакта возникает не ступенчато, а в виде наклонной плоскости, распределенной по угловому интервалу, в течение которого линия контакта пересекает ширину рабочей поверхности. Этот угловой интервал соответствует коэффициенту перекрытия контакта ε_β = b × sin β / (π × M_n), который для типичных промышленных условий косозубые шестерни При β = 20° значение ε_β = 0,8–1,5. В течение этого интервала нагрузка распределяется между входящими и выходящими парами зубьев, а возбуждение TE представляет собой огибающую индивидуальных ошибок передачи двух перекрывающихся пар зубьев — значительно меньшую, чем любая из них по отдельности.
Коэффициент суммарного зазора и его влияние на шум
Коэффициент общего зацепления ε_γ = ε_α + ε_β определяет среднее число пар зубьев, находящихся в одновременном контакте. Для прямозубой шестерни (ε_β = 0) ε_γ = ε_α = 1,2–1,6, что означает, что в любой момент времени нагрузку распределяют от одной до двух пар. косозубая передачаЗначение ε_γ может достигать 2,0–5,5 в зависимости от угла спирали и ширины грани. Зависимость между коэффициентом контакта и снижением шума приблизительно логарифмическая:
| Тип передачи | Профиль CR ε_α | Перекрытие CR ε_β (при β=20°) | Total CR ε_γ | Шум против базового уровня помех | Пиковая амплитуда TE |
|---|---|---|---|---|---|
| Цилиндрическая шестерня | 1.2–1.6 | 0 | 1.2–1.6 | Базовый уровень (0 дБ) | 5–20 мкм (шлифованные); 1–5 мкм (отшлифованные) |
| Спиральная β=8° | 1.3–1.7 | 0,3–0,5 | 1.6–2.2 | от −3 до −5 дБ(А) | 3–10 мкм (шлифованные); 0,8–3 мкм (отшлифованные) |
| Спиральная β=15° | 1.4–1.8 | 0,6–1,0 | 2.0–2.8 | от −5 до −8 дБ(А) | 2–8 мкм (шлифованные); 0,5–2 мкм (отшлифованные) |
| Спиральная β=20° | 1.4–1.8 | 0,8–1,4 | 2.2–3.2 | от −7 до −10 дБ(А) | 1,5–6 мкм (шлифованные); 0,4–1,5 мкм (отшлифованные) |
| Спиральная β=25° | 1,5–1,9 | 1.0–1.8 | 2,5–3,7 | от −8 до −12 дБ(А) | 1–4 мкм (шлифованные); 0,3–1,0 мкм (отшлифованные) |
| Двойная спираль β=35° | 1,6–2,0 | 1,8–3,0 | 3,5–5,0 | −12 дБ(А)+ | 0,2–0,8 мкм (шлифованный) |
Как высокая точность производства усиливает преимущество в плане снижения шума.
Одна только геометрия (диагональная линия контакта, более высокое соотношение контакта) обеспечивает снижение уровня шума на 5–8 дБ(А) для косозубая передача по сравнению с прямозубой шестерней при том же качестве изготовления. Скрежетание зубьев добавляет еще 3–6 дБ(А) за счет уменьшения фактического профиля зубьев и отклонений шага до класса DIN 4–6, что напрямую снижает амплитуду колебаний TE на частоте зацепления. Два эффекта суммируются: заземление косозубая передача При классе DIN 5 и β = 25° достигается снижение общего уровня шума на 10–14 дБ(А) по сравнению с зубчатой передачей, изготовленной на зубофрезе, класса DIN 8.
Почему шлифовка снижает уровень шума — амплитуда ошибки передачи
Допуск отклонения профиля (f_f) по DIN 3962 для M5, наружный диаметр 200 мм: приблизительно 11 мкм для класса 7 (типичная фрезеровка) и 4 мкм для класса 5 (типичная шлифовка). Пиковая амплитуда ошибки передачи приблизительно линейно зависит от отклонения профиля: шлифовка класса 5. косозубая передача имеет приблизительно 4/11 = 36% амплитуды TE зубчатого колеса класса 7 с той же геометрией зубьев. Поскольку уровень шума в дБ пропорционален 20 × log₁₀(коэффициент TE), снижение шума от шлифовки составляет приблизительно 20 × log₁₀(11/4) = 8,8 дБ(А) — что согласуется с измеренными полевыми данными об улучшении на 5–8 дБ(А) при переходе от зубофрезерования к шлифованию. косозубые шестерни при тех же условиях эксплуатации.
Модификация профиля — уменьшение диаметра наконечника как целенаправленное шумоподавление.
Точность косозубая передача Благодаря модификации профиля закругления кончика зуба — удаление материала толщиной 5–15 мкм вблизи кончика зуба корректирует помехи, вызванные отклонением при входе зуба, что дополнительно снижает амплитуду ошибки передачи сверх того, чего можно достичь с помощью одной лишь идеальной геометрии.
Проблема интерференции наконечника и решение проблемы зазора на наконечнике.
Даже идеально изготовленный косозубая передача При нулевой погрешности профиля остается источник остаточного шума: под воздействием передаваемой нагрузки корпус шестерни деформируется. Эта деформация приводит к тому, что вершина входящего зуба слегка вдавливается в боковую поверхность сопряженного зуба до теоретического момента зацепления в точке делительного угла, создавая кратковременную интерференцию, которая вызывает скачок погрешности передачи при входе зуба. Предварительная компенсация этой деформации достигается путем удаления материала вблизи вершины зуба (обычно 5–15 мкм на последних 0,1–0,2 × Mn высоты зуба). Под рабочей нагрузкой зона удаления материала компенсирует интерференцию, вызванную деформацией; пара зубьев плавно входит в полный контакт, а не ударяется. В результате достигается дополнительное снижение шума на 2–5 дБ(А) помимо эффектов геометрии и производства.
Обработка вершин зубьев зубчатых колес встраивается в цикл шлифовки HÖFLER с помощью блока правки с ЧПУ, который изменяет профиль шлифовального круга перед каждым проходом шлифовки для получения заданной кривой обработки на готовом изделии. косозубая передача зуб. Оптимальная величина зазора на конце зуба рассчитывается исходя из жесткости зуба на изгиб при номинальном передаваемом крутящем моменте — она зависит от крутящего момента, то есть при недостаточной нагрузке. косозубая передача При использовании устройства для снятия зубчатого колеса с опоры на конце вала при полной номинальной нагрузке шум будет фактически выше, чем без него (поскольку устройство удаляет материал, который должен контактировать при низкой нагрузке). Компания Korea Ever-Power уточняет у заказчиков правильные характеристики устройства для снятия зубчатого колеса с опоры перед его применением в серийных зубчатых передачах.
Частота сетки — точка, где шум появляется в частотном спектре.
Основной вклад шума от зацепления шестерен вносят частота зацепления и ее гармоники:
f_mesh = z × n / 60 [Гц, где z = количество зубьев, а n = скорость вращения вала в об/мин]
Для шестерни с 20 зубьями при 1500 об/мин: f_mesh = 20 × 1500/60 = 500 Гц. Для редукторной шестерни EV с 25 зубьями при 8000 об/мин: f_mesh = 25 × 8000/60 = 3333 Гц. Взвешенный по шкале А уровень звука (дБ(А)) придает большее значение шуму средних частот (500–4000 Гц), чем шуму низких или очень высоких частот — и это характерно для большинства промышленных и автомобильных систем. косозубая передача Частоты колебаний зацепления точно попадают в этот взвешенный диапазон. Именно поэтому сравнение 8–12 дБ(А) имеет смысл: оно проводится в диапазоне частот, взвешенных по шкале А, где шум от зубчатой передачи наиболее ощутим для человеческого уха.
Вторая характеристика косозубая передача Шум представляет собой эффект фазового сдвига, вызванный диагональной контактной линией: по мере того, как контактная линия перемещается по ширине поверхности в разных осевых положениях, вклады TE от разных осевых положений приходят с немного разными фазами. Для ширины поверхности с ε_β > 1 эти противофазные вклады частично компенсируют друг друга, уменьшая суммарную амплитуду TE на частоте зацепления независимо от величины ошибок профиля отдельных зубьев. Эта компенсация фаз является более глубокой причиной того, почему ширина поверхности существенно влияет на косозубая передача шум и почему узкое лицо косозубые шестерни (ε_β < 0,5) не обеспечивают полного преимущества в плане шумоподавления, которое предсказывает теория.
Практическое снижение уровня шума — вклад каждого фактора
Снижение уровня шума на 5–8 дБ(А). Достижимо только с помощью стандартной прецизионной зубофрезерной обработки — шлифовка не требуется. Это «бесплатное» снижение уровня шума, которое вы получаете, выбрав этот метод. косозубые шестерни над прямозубыми шестернями.
Дополнительно 3–6 дБ(А) сверх эффекта спирали. Суммарный уровень при β = 20° + шлифовка: 8–12 дБ(А) ниже базового уровня для зубчатого резца. Требуется для автомобильной промышленности, станков с ЧПУ и промышленных применений, чувствительных к шуму.
Дополнительное снижение уровня шума на 2–5 дБ(А) за счет согласованного по крутящему моменту снятия насадки с зуба, применяемого во время шлифовки. В итоге общий уровень шума снижается на 10–15 дБ(А) по сравнению с базовым уровнем шума зубчатого наконечника после прецизионной шлифовки. косозубые шестерни с оптимальной модификацией профиля.
Дальнейшее повышение на 2–4 дБ(А) при β = 20°. Требуется либо несущая способность для одиночной винтовой пружины, либо конфигурация с двойной косозубым зацеплениемИспользуется в главных силовых установках морских судов и в военно-морских силах, где требуется минимизировать излучаемый под водой шум.
Korea Ever-Power — Прецизионно шлифованные косозубые шестерни для применений, чувствительных к шуму.
Анализатор зубчатых передач в корейской компании Ever-Power — пошаговое измерение отклонения профиля, отклонения шага и погрешности шага зубьев, подтверждающее точность класса DIN 4–6 и чистоту поверхности Ra ≤ 0,3 мкм, что обеспечивает полное преимущество шлифованных зубьев с точки зрения снижения шума. косозубые шестерни
Корейская компания Ever-Power производит оборудование для высокоточной шлифовки. косозубые шестерни Соответствует классам DIN 3–6 на оборудовании HÖFLER, с модификацией профиля (занижение вершины, закругление кромки, занижение торца), запрограммированной в соответствии с конкретными условиями крутящего момента и скорости вращения. В качестве прямого соединения. производитель косозубых передачКомпания Korea Ever-Power определяет оптимальное сочетание угла наклона спирали, класса точности и модификации профиля для каждого заказчика с учетом требований к шуму и нагрузке, вместо применения стандартных спецификаций независимо от области применения. Ознакомьтесь с информацией. Ассортимент продукции с косозубыми шестернями или предоставьте информацию о вашем целевом уровне шума и условиях эксплуатации для получения рекомендаций по техническим характеристикам.
Часто задаваемые вопросы
Оба механизма — и оба являются одним и тем же физическим механизмом, описанным с двух точек зрения. Диагональная линия контакта объясняет, почему вход нагрузки происходит постепенно, а не мгновенно. Более высокое соотношение перекрытия контактов (ε_β) количественно определяет, насколько постепенно происходит вход нагрузки за один оборот шага зуба — шестерня с ε_β = 1,2 имеет больший постепенный вход нагрузки, чем с ε_β = 0,4. Экономия на шуме от диагонального контакта максимальна только тогда, когда ε_β достаточно велико, чтобы зона контакта полностью вышла из одной пары зубьев до того, как войдет следующая — для этого требуется ε_β ≥ 1,0. Ниже ε_β = 1,0 диагональный контакт все еще помогает, но переход между парами зубьев не является полностью плавным.
Да — преимущество угла наклона спирали в плане снижения шума не зависит от качества изготовления. Это относится и к фрезерованному станку. косозубая передача При классе DIN 7–8 зубчатое колесо по-прежнему на 5–8 дБ(А) тише, чем зубчатое колесо аналогичного качества, изготовленное на зубофрезе, при тех же условиях эксплуатации. Шлифовка добавляет еще 3–6 дБ(А). Таким образом, общее преимущество шлифованного зубчатого колеса заключается в следующем: косозубая передача Уровень шума по сравнению с зубчатой передачей, обработанной зубофрезерным станком, составляет 8–14 дБ(А) — примерно половина из них обусловлена геометрией спирали, а половина — качеством шлифовки. Для промышленных приводов, где затраты на шлифовку не оправданы, зубофрезерный станок косозубая передача По-прежнему обеспечивает существенное снижение уровня шума по сравнению с альтернативой в виде прямозубой шестерни.
Да. Зона зазора на конце зуба рассчитана на определенный уровень передаваемого крутящего момента. Если величина зазора превышает отклонение зуба при полной номинальной нагрузке, зона зазора на конце зуба «перекорректируется» — вместо плавного входа в зацепление, кончик зуба оставляет зазор в точке перехода контакта, что создает скачок нагрузки. Оптимальная величина зазора на конце зуба обычно составляет 10–70% от отклонения зуба при номинальной нагрузке (в зависимости от того, является ли целевым показателем шум при полной нагрузке, при малой нагрузке или средневзвешенный показатель за рабочий цикл). Применение косозубая передача При полной нагрузке и использовании редуктора с защитой от перегрузки в условиях номинальной нагрузки 20–301 Тп3Т шум будет сильнее, чем у редуктора без защиты от перегрузки при такой малой нагрузке.
Три взаимосвязанных фактора: (1) Отсутствие маскировки шума двигателя — салон электромобиля акустически тих, благодаря чему слышны звуки переключения передач очень низкой амплитуды, которые были бы неслышны в автомобиле с ДВС. (2) Более широкий диапазон скоростей — электромобиль косозубая передача Частота зацепления изменяется от 0 до более чем 3000 Гц по мере ускорения двигателя, проходя через многочисленные акустические резонансы конструкции салона и панелей кузова. (3) Всегда в зацеплении — в отличие от многоступенчатой трансмиссии, где водитель выбирает другую пару передач на скорости движения по шоссе, единственный редуктор электромобиля всегда включен на всех скоростях. Поэтому уровень шума должен быть ниже слышимости в каждой точке работы, от движения по парковке до движения по автомагистрали, а не только на скорости, которая, скорее всего, будет восприниматься как раздражающая.
Для применений, где критически важен уровень шума, следует выбирать косозубые шестерни.
Укажите рабочую скорость, крутящий момент, целевой уровень шума и вибрации (дБ(А) в кабине или предельный уровень шума на частоте зацепления TE) и угол наклона спирали. Компания Korea Ever-Power подтвердит правильный класс точности, спецификацию шлифовки и модификацию профиля в течение 24 рабочих часов.
Класс DIN 3–6 · Ra ≤ 0,3 мкм · Снижение толщины наконечника · Скругление свинца · Модификация профиля · Шлифовка HÖFLER
Редактор: Cxm
