什么应用需要安静的齿轮马达?答案可能会让你大吃一惊——因为人的耳朵可以探测到比环境水平低10分贝的噪音，而且许多齿轮马达在离人很近的地方工作。在这篇技术文章中，我们概述了最近员工工程师对齿轮电机噪声问题(和潜在的解决方案)的研究和发展。
经过加布里埃尔Venzin总统|ABM Drives Inc.
声音是当行驶波通过介质时产生的介质中的粒子的外出振动。噪音是不良声音。声压通过对数的对数定义，该对数可以将声压与分贝（DB）的声压标准进行比较0.00002 pa =20μn/ m2靠近人类可听性的下限。一个分贝是一个贝尔十分之一（分数），以纪念亚历山大格雷厄姆贝尔命名。
齿轮马达的噪音不仅仅是齿轮的问题，它是一个系统问题。齿轮之间的物理相互作用可以激发系统动力学，所以大多数齿轮噪声不是起源于齿轮。齿轮啸叫是由齿轮啮合产生的，并被外壳的肋骨、横梁和侧面的共振放大。齿轮的嘎嘎声是由驱动源(如电动机)激发的声音。每个齿轮都有它的转动周期，所以有一个独特的基频。
优化拟议的安静齿轮机设计的仿真可以通过高达75％的75％的模型来减少整体设计时间 - 以及完全定义齿轮电机的3D模型，可以通过质量，制造和采购团队来分析，构建和检查齿轮。3d例证礼貌abm drives Inc.
为什么要设计安静的齿轮马达?考虑在公共场所齿轮马达必须运行的地方。在这里，教堂、图书馆、礼堂和剧院的运动控制需要安静的齿轮马达，用于窗帘、讲台和舞台，这些舞台需要旋转、提升或滑动，而不被观众注意到。
相比之下，军事装备需要安静的齿轮马达来进行隐形行动。医疗设备受益于安静的齿轮马达，增加了病人的舒适度和保证。住宅环境——例如生物质供暖系统——也受益于安静的齿轮马达。在这里，储存在筒仓中的木屑或颗粒必须通过电动机驱动的旋转给料机由螺旋钻输送到锅炉——除尘也是以同样的方式完成的。
齿轮马达基础:功能和今天的设计过程
齿轮马达在低速时提供高扭矩。它是一个齿轮减速器和电动机的组合。简而言之，齿轮电机吸收电机的功率，降低其速度，同时放大其扭矩。在齿轮马达输出轴的两个最重要的因素是转速和扭矩。因此，一旦输入扭矩要求已知，下一步就是计算所需的电机输入马力。
齿轮电机内的齿轮系乘以从电动机侧到输出轴的扭矩。这是齿轮箱比，并且是确定从输入中乘法的数字。30：1表示输出扭矩是输入的30倍，而不是用于内部效率损失的算法。
直角或平行轴齿轮箱可以与永磁直流电动机，交流感应，或无刷直流电动机结合。先进的齿轮电机技术包括使用新材料，涂层，轴承和齿轮齿设计优化，以降低噪音，强度和更长的寿命，在更小的空间。
齿轮电机设计适用于特定的操作条件和负载范围。因此，在机器开始建造时，已知的问题或改进机会(包括可能的经济收益或人员或用户如何感知齿轮马达的改进)，考虑可能工作的运动部件和特征(包括齿轮马达选项)。然后将选择范围缩小到可行的方案。接下来确定那些在性能和经济上达到最佳平衡的设计目标。最后，将最可行的、风险降低的、经济上可行的特性和功能集成到产品的形式和功能中。
这种设计方法现在比以往任何时候都更容易。过去，设计经常从机械工程师开始，然后通过球队的电气工程师，最后在控制工程师身上。到底，所有缺陷都被烘焙到设计中。相比之下，今天标准是由机电调整建模支持的集成设计。但凭借整体设计方法，工程师必须了解整个机电系统的准确性要求。另一个警告是必须仔细选择控制系统，驱动器和齿轮和机械连接以利用所有组件的完整能力。这需要一种从驱动器返回和包括电机的设计方法。
更彻底和详细的设计目标提高了项目成功的几率。因此，保持项目之后的动机，并允许这种动机引导工程决策。目标是让一个系统为人类提供服务，而不是设计本身。古老的格言，“如果你不知道你要去的话，你永远不会到达那里”肯定适用于设计过程。
在工程师们的武器库中，一个必不可少的工具——尤其是在使机器制造尽可能安静的工作中——包括模拟以优化拟议的设计。这样的软件可以减少75%的总体设计时间。在齿轮电机的情况下，3D模型和相关数据帮助工程师分析和虚拟建造和检查他们的齿轮电机，并完全定义组装，以改善质量，制造技术和采购。
齿轮啮合时产生的噪音
选择齿轮和电机是一门科学。即使是合适的齿轮也会发出声音。更复杂的是，齿轮噪声有很多种类型。要解决齿轮噪声问题，第一步是确定讨厌的噪声类型。什么被认为是齿轮噪声取决于运行的速度。使用定性和定量的术语来描述设计因素和制造错误是如何影响噪声方程的。然后与设计团队(和潜在供应商)讨论齿轮噪声、动力学、测量和建模的问题。
变速箱设计的另一个出发点是确定一个服务因素，包括每天的小时数和冲击或振动要求。与间歇运行的齿轮箱相比，具有不规则冲击剖面的齿轮箱(例如军用设计)需要更高的服役系数。
齿轮噪声是由齿与齿之间的负载传递产生的，压力脉冲列车辐射通过齿轮组和电机外壳。噪声的频率是齿轮转速和齿轮齿数的乘积。大多数类型的齿轮噪声发生在齿啮合频率或谐波在可听范围。也就是说，噪声也可以作为较高齿啮合频率噪声的低频调制而发生。这导致了一种叫做边带的现象。
齿轮噪声可以是非常恼人的-即使它不是最重要的噪声源。这是因为它是以纯音的形式出现的，即使在比整体噪音水平低10分贝的情况下，人耳也能察觉到。
不对称齿轮噪声谱源于低频制造和装配误差产生的齿轮网励磁幅度和频率调制。Gearmotor声音从齿轮网，轴承旋转，润滑剂运动，电动机振动和外壳的相互作用都有助于产生的整体声音。
振动趋势可以最小化高质量的螺旋齿轮传动和优化的齿轮啮合。
螺旋齿啮合逐渐超过齿面更安静和更平稳的操作比正齿轮组和有更高的负载能力。
穿梭力是齿副在啮合过程中，齿啮合力沿齿廓侧向摆动的过程。振动力会对齿轮箱系统产生动态激励。由于它发生在啮合频率，它有助于齿轮噪声响应。采用双斜齿轮，消除了轴向力。
牙齿表面有助于产生声音。只有呼吸睡板的螺旋齿轮比螺旋齿轮较强，螺旋齿轮被剃光或研磨，以去除滚齿产生的粗糙牙齿表面。
单级斜齿轮减速电机和斜齿轮传动装置，确保运行安静和长寿命。
使用噪声优化齿轮几何，以最大限度地减少单个齿轮啮合脉冲的影响。
设计和分析齿轮作为一个系统，让工程师改进和优化微几何减少齿轮噪声。
情节:具有正常间距的驱动齿轮的齿轮系统非常少量大于从动齿轮的正常间距来提供更静音的变速器。最小噪声需要小于2或1.即使在轻微的载荷下，扭转刚度的影响也很重要。
接触率：齿轮的接触比是齿数的平均接触。它通常在低端1.2到1.8之间变化。正齿轮和直锥齿轮的操作接触比低于2.0创造更多的噪音比齿轮较大的接触比。螺旋齿轮和螺旋锥齿轮的总接触比远远超过2.0和产生更少的噪音。
一个光滑、安静和高速的齿轮组可能有更多的齿，更细的直径节距，更低的角压力，和更高的接触比。改变其中一个可以改变许多其他的设计元素。优化齿轮进出点，减少振动、噪音、滑动摩擦和发热。所有的齿轮设计都是一个折衷，以达到目标结果。
这很清楚，为什么必须非常精确地制造安静的传动装置。高品质的齿轮保证安静的操作。通过高精度制造，可以从82 dB的平均水平降低距离距俯仰点300mm的平均水平。
轴转动的低次谐波可以激发扭转模态;激励的大小与齿轮加工误差直接相关。
无论设计，都尽可能小的正常间距差异。简介表单错误应尽可能接近理论渐变。硬化后，关键是在整理方法中以确保最终精度。
还要记住，消除所有齿轮噪音是不可能的，因为剪切完美的齿轮是不可能的。即使一个人，它也是不可能限制系统动态的影响。人们只能最小化和控制齿轮噪声，以至于它不会被认为是有问题的或可听的。
通过精密加工和磨削，降低高速阶段的齿轮噪音。齿轮电机转速对噪声的产生起着重要作用。在滚床齿轮组旋转30转与研磨完成齿轮组之间有非常小的区别。但在较高的变速速度下，它们表现出更明显的声音差异。在齿轮制造中，滚齿是一种粗加工操作，产生光滑和准确的齿轮齿。剃须和硬化是提高尺寸精度、表面光洁度和硬度的精加工操作。剃须去除少量的材料，以纠正型材错误。最后的磨削操作产生高的表面光洁度，纠正热处理后的任何变形。精密研磨装置，噪音低，使用寿命长。
安静的操作需要最小的齿轮齿轮。反弹之间的间隙是交配齿轮齿之间的间隙，并且应该足以允许牙齿之间的润滑膜。减少间隙的最简单方法是缩短具有低或均匀间隙的齿轮中心之间的距离。这种方法减少了中心距离，齿尺寸和轴承偏心的变化。
诸如制造误差、安装公差和轴承间隙等变量经常增加齿轮马达的间隙。精密齿轮马达通过合并紧密公差零件来减少这种缺陷。通常，他们结合淬硬的精密齿轮，优质轴承和机加工外壳与紧密的公差。
为了最大限度地减少噪音，所有变速箱组件应彼此进行最佳调整。三种类型的齿轮传动误差是间距误差、随机误差和弹性变形，它们与平均轮廓偏差相结合。通过识别激励机构可以降低齿轮共振;采用有限元分析确定各齿轮的固有频率;在工作范围内消除扭转模式;失谐和阻尼斜齿轮和锥齿轮;并确定其余共振问题与齿轮马达的其他元素，如外壳和附件。
牵引力驱动系统作为这里的一个从ABM驱动器可以配置为锥齿轮箱，螺旋齿轮箱，或轮毂轮驱动器，并提供高效率和安静。
由于时变网格刚度，制造误差和组装误差，齿轮网在齿轮网上产生振动。该振动通过轴和轴承传递到壳体。从壳体的振动引起辐射噪声。由于Geabox振动和噪声显着降低了齿轮传输性能，因此齿轮箱振动的预测和控制也是设计输出运动可靠性的至关重要。
采用有限元法(FEM)和边界元法(BEM)软件对齿轮箱的辐射噪声进行模拟。这样的软件可以帮助识别组件的模式顺序，以及哪些外壳侧能产生最大的声学贡献。在这里，一个解决方案，特别是噪声部分的住房是增加肋，以减少辐射噪声。
通过优化带肋和非对称部件的外壳设计来减少自然共振，特别是在平行轴变速箱类型上。电机外壳和变速箱盖应是单压铸组件，以消除电机齿轮箱接口的公差（噪音和振动的常见问题区域）。他们应该相互协调。
根据住宅设计，分组线可以落在顶部或底部并踩踏或成角度。用于沉默，修剪和精确加工的铝压铸件外壳另外降低噪音排放。紧密的壳体盖和法兰防止扭曲可以放大噪声。铝壳吸收谐波和其他比铸铁更好的振动。
墙壁厚度的增加甚至10％的增加可以升高33％左右。但是添加肋骨，波纹和曲线到压铸件外壳可保持材料成本低，同时保持刚性强度和耐用性 - 即使在具有较薄的壳体壁的组件中。
有效的肋布置位置位于具有大声学贡献的面板上的弧形。当沿着从所做的位置放置到壳体的最接近的固定点时，肋是有效的。在壳体表面上布置肋是加强齿轮箱壳体的主要技术之一。
除了金属的选择，保持壁厚均匀也是至关重要的。壁厚是强度和重量之间的平衡。壁厚决定了压铸过程中一致的流动和热性能。
紧凑型平行轴电机和驱动设计非常适合小空间和静止运行的要求。
尺寸、几何形状和壁厚要求对公差有影响。根据材料的不同，壁厚会产生更大的收缩率。一般来说，压铸件的紧公差为±0.002英寸。许多因素都会影响设计，包括材料、零件的复杂性、模具和压铸工艺本身。
从电机的电磁场的激励可以转移到转子，所以寻找电机转子是坚固和健壮的。定子磁力在撞击时振动转子作为任何环。定子在其一个或多个弯曲模式中振动;模型表示芯，作为支撑在两端的光束，并响应于应用力而弯曲。
分析表明，振动是由电气不平衡或机械不平衡(电机、联轴器、驱动设备)引起的;机械效应(以松动、摩擦和不平衡轴承的形式);外部影响(在底座或驱动设备或不对准);和临界共振速度的激励。提示:在分析过程中，列出所有可能的频率原因。然后一个一个地消除原因，直到剩下的就是问题的真正根源。
安静操作的关键是高质量的转子平衡。所有类型的旋转机械在运转速度下都需要平衡。转子平衡涉及整个结构-轴，转子层压，端头，转子棒，端连接器，固定环和风扇。只有仔细控制这些运动部件的设计和制造，才能确保稳定和精确的电机平衡。
如果电机的操作速度与外壳共振频率一致，则会发生放大。唯一的选择是改变壳体的谐振频率 - 通常通过改变齿轮组，外壳或电动机的刚度或重量。
两级和三级螺旋电机和驱动从ABM驱动器安静，耐用，并提供高效率的低能耗。
在机器构建过程中选择制造合作伙伴时，请记住有两种选择齿轮机的方法。一个是选择预先设计的单元，另一个是选择齿轮箱电机组合并将它们集成到设备中。
预先设计的齿轮解决方案是合适的，如果设计工程师没有时间或工程资源来建立内部的齿轮马达-或如果设计需要一个快速设置。新的模块化方法支持原始设备制造商(并使新的机床、自动化和设计软件成为可能)，现在让工程师获得合理价格的齿轮马达，即使是在适度的数量。
确实，选择单独的电动机和变速箱，然后将它们组合的有利可能比选择预先设计的齿轮丝状机构更便宜。这种方法的另一个好处是，可以能够在手头上设计最优化的齿轮机......因为这种方法还使设计工程师最终的最终配置和成本。
无论选择齿轮电机的方法是什么，一定要通过比较噪声预测和使用频谱分析的噪声测量来不断改进设计。然后利用分析的结果来改进下一步的齿轮马达迭代。
反弹道导弹驱动器|www.abm-drives.com
关于作者：加布里埃尔Venzin现任ABM Drives Inc.总裁。ABM Drives美国总部位于俄亥俄州的拉夫兰。打电话给Venzin(513) 576-1300或电子邮件gabriel.venzin@abm-drives.com。
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