摘要：本文对自动扶梯减速机齿轮副的齿数、模数、压力角、螺旋角、齿高系数等几何参数做了优化，并对齿轮的齿形齿向进行了设计，制造出样机并试验验证结果。笔者认为：齿轮的几何参数设计和轮齿的齿廓修形是解决齿轮噪音的关键技术；齿轮精度对齿轮传动噪音的影响是有限的，低精度时影响明显，到了较高精度，其对噪音的影响越来越小。
关键字: 低噪音 重合度 噪音指标 齿廓修形
引 言
自动扶梯是一种广泛运用在商场，地铁，火车站，飞机场等公共场所的运载工具，由于该设备是在安静的场所，且使用场所人们聚结的地方，使用过程中载荷有时大，有时小，所以对自动扶梯的噪音有非常严格的要求，这就必然决定了与之配套的齿轮减速机噪音要求要，目前主机厂能接受的标准为：空载≤60dB(A)，满载≤65dB(A)，减速机加载载荷自小到大全过程无异响。
1、齿轮几何参数的设计
在设计齿轮的模数，齿数，压力角，齿高系数、螺旋角等几何参数应尽量增大齿轮的重合度，增大重合度可以减小齿轮传动的噪声，减小单对轮齿的负荷．从而减小啮入和啮出的负荷冲击，降低齿轮噪声；另外随着接触齿对的增加，单对轮齿的传动误差被均化，从而减小了轮齿的动态激励。下图是展示的是模数、齿数、压力角、螺旋角、重合噪音的度相互关系。从图示中可以看出：齿轮的重合度应大于2.0，且接近整数较为理想。
2、按噪音指标要求分配变位系数
根据啮合起始点远离基圆可降低噪音的研究，齿轮副啮入段长度小于啮出段长度可以降低噪音的研究，一般情况下变位系数分配应满足βcg＜1.1，βRB＜1.0；最佳方案应满足βcg＜1.0，βRB＜0.9.
βcg=（db+0.1tn）/df
式中： db为基圆直径（mm）,
tn为法向齿距（mm），
df为啮合起始点圆直径（mm）
βRB=(2*ρ2max- d2b*tgαs)/(2*ρ1max- d1b*tgαs)
式中：βRB为噪音指标
ρ1max，ρ2max为小、大轮啮合终点曲效率半径（mm）
d1b，d2b为小、大轮基圆直径（mm），
αs为端面啮合角（度）
3、齿廓的修形设计
在齿轮精度的各单项轮齿误差中，齿形误差对噪声的影响最大。齿形误差大，则齿轮噪声大，但两者间并非简单的线性关系。因为噪声的大小，不仅取决于齿形误差的大小，更主要的是取决于齿形形状。为此，作为量化齿轮齿廓形状参数的设计齿形，设计齿向的编制，应结合前人研究的成果、公司长期积累的经验、产品的结构、产品的使用工况条件等要素，应用分析软件模拟工况，制定初期的设计齿形，设计齿向，再依据初期的设计齿形，设计齿向制造实物，通过试验验证来修订初期的设计。如此反复多次，最后获得一个最佳的设计。
4、齿轮设计实例
4.1.齿轮齿廓设计形状的参数确定：
该对齿轮是应用在自动扶梯减速器的一对齿轮，其结构布置见图二所示
通过软件分析确定齿形的斜率误差和齿廓的中凸量及修缘的起点等参数。
4.3、齿轮齿向的修形量初定
从减速器齿轮和轴承的布置可以看出，该产品是一个悬臂樑结构，将减速机的载荷加载到齿轮副上，用Kisssoft分析轴系的变形。最后根据变形量设计出齿向的斜率偏差和齿向鼓形量。
五、试验及批量生产验证情况、
该产品经过几百次台架性能测试，空载噪声控制在57至59分贝，满载噪声控制在61至63分贝，加载全过程无异响；在静扭试验台上测试静强度满足5倍的安全系数，实测减速机在8倍额定扭矩载荷下，减速机全部零件完好。密封性检查、传动效率测定、噪声测定、振动测定、耐久测定经国家权威部门检测完全达到设计标准要求。产品通过主机厂各单项性能指标的检测和试验；批量装机测试验证，满足扶梯运转的舒适性要求，其舒适性评价不低于蜗轮蜗杆减速机的水平。产品开发至今投放市场上万台，性能稳定、质量可靠，深受顾客欢迎；填补了国内空白，具有良好的社会效益，产品荣获中国机械工业科学技术奖二等奖。
六、结论
通过本项目的开发，我认为以下几点可以与大家分享：
1、产品研发所涉的关键技术参数要通过大量的试验验证，才能获得最佳的参数，从而取得最佳的效果。
2、产品研发的设计阶段，应对产品的结构和参数设计进行软件校核，利用软件进行优化设计，从而减少设计的盲目性。
3、齿轮的几何参数设计和轮齿的齿廓修形是解决齿轮噪音的关键技术；齿轮精度对齿轮传动噪音的影响是有限的，高端齿轮产品噪音的解决不能依赖于齿轮精度无限制的提高。
4、高端产品的研发应借鉴国外先进技术，在引进。消化，吸收的基础上再创新，形成自己的共性关键技术体系。
5、项目立项前应与客户充分沟通，搞清产品的使用工况，验收标准和失效模式，才能做到制定的技术方案有的放矢，确保产品满足客户的使用要求。
6、高端产品的研究与开发，是集设计、工艺、质量管理、试验于一体的综合工程，要采用团队工作才能取得最大的效益。
参考文献：
【1】GB16899-1997《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》
【2】GB/T10095-2008 圆柱齿轮精度制
【3】《汽车机械变速器降低噪音的设计方法》 吴修义《重型汽车》2004第4期
【4】《低振动噪声长寿命要求齿轮减速器的研究》 谢信孚2010年4月刊于《中国管理科学成果荟萃》。
论文作者:张永红
论文发表刊物:《防护工程》2018年第6期
论文发表时间:2018/7/17
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