什麼應用需要安靜的減速電機？答案可能讓你大吃一驚 - 因為人耳可以檢測到比環境10 dB的噪聲，而且許多減速電機在靠近人的地方工作。在這篇技術文章中，我們概述了最近的工作人員工程師對齒輪電機噪音問題（以及潛在的解決方案）的研究和發展。
聲音是行波穿過介質時產生的介質中顆粒的來回振動。噪音是不受歡迎的聲音。聲壓的定義是將聲壓與接近人類可聽度下限的0.00002Pa =20μN/ m 2的分貝（dB）聲壓標準進行比較的對數。一分貝是一個貝爾的十分之一（十分之一），以紀念亞歷山大格雷厄姆貝爾命名。
齒輪電機噪音不僅僅是齒輪問題 - 這是一個系統問題。齒輪之間的物理相互作用可以激發系統動力學，所以大多數齒輪噪音不是來自齒輪。齒輪發出的嗚嗚聲是由齒輪在齧合時產生的，並通過殼體的加強筋，橫樑和側面的共振來放大。齒輪整體噪音是由諸如電動機之類的驅動源激發的聲音。每個齒輪都有其旋轉週期，因此具有獨特的基本頻率。
通過仿真來優化建議的低噪齒輪電機設計，可以將總體設計時間縮短高達75％ - 並且完全定義齒輪電機的3D模型可供質量，製造和採購團隊用於分析，構建和檢查齒輪電機。3D插圖禮貌ABM Drives Inc.
為什麼要設計安靜的減速電機？考慮減速電機必須在公共場所使用。在這裡，教堂，圖書館，禮堂和劇院的運動控制需要安靜的窗簾，領獎臺和需要旋轉，抬起或滑動的舞臺的齒輪電動機，而不會被觀眾注意到。
相比之下，軍事裝備需要安靜的齒輪電動機進行隱身作戰。醫療設備從安靜的減速電機中獲益，可增加患者的舒適度和保證。住宅環境 - 例如生物質加熱系統 - 也需要安靜的減速電機。
Gearmotor基礎知識：功能和當今的設計過程
減速電機在低速下提供高轉矩。它是齒輪減速機和電機的組合。簡而言之，減速電機在放大扭矩的同時可以降低電機功率並降低轉速。齒輪馬達輸出軸上最重要的兩個參數是轉速和扭矩。所以一旦知道輸入轉矩要求，下一步就是計算所需的電動機輸入馬力。
齒輪電機內的齒輪系將電機側的扭矩與輸出軸相乘。這是變速箱的比例，是決定輸入轉矩倍增的數字。30：1意味著輸出轉矩是輸入的30倍，而不是考慮內部效率損失。
直角或平行軸齒輪箱可與永磁直流，交流感應或無刷直流電機結合使用。先進的齒輪電機技術包括在較小的空間內使用新材料，塗層，軸承和齒輪齒設計，以優化噪音降低，強度和更長的使用壽命。
減速電機設計適用於特定的運行條件和負載範圍。因此，在有已知問題或改進機會（包括可能的經濟收益或改善人員或用戶對減速電機的感知方式）的機器開始時，應考慮可能起作用的運動部件和功能（包括減速電機選件）。然後縮小可行方案的選擇範圍。接下來找出性能和經濟性達到最佳平衡以達到設計目標的那些人。最後，將最可行，風險最小，經濟可行的特性和功能集成到具有形式和功能的產品中。
這種設計方法現在比以往更容易。過去，設計通常由機械工程師開始，然後傳交付給團隊的電氣工程師，最後交付給控制工程師。到最後，所有的缺陷都被出現在設計中。相比之下，今天該標準是由機電一體化建模支持的集成設計。但採用整體設計方法，工程師必須瞭解整個機電系統的精度要求。另一個需要注意的是控制系統，驅動裝置，齒輪和機械連接必須仔細選擇，以充分利用所有組件的全部功能。這就需要一種設計方法，從驅動器開始回到電機。
更全面和更詳細的設計目標提高了項目成功的可能性。因此，將項目背後的動機放在首要位置，並讓動力指導工程決策。目標是建立一個服務於人類的系統，而不是設計本身。舊的格言"如果你不知道自己要去哪裡，你永遠不會到達那裡"當然也適用於設計過程。
工程師的一個不可或缺的工具 - 特別是在儘可能安靜地製造機器的工作中 - 包括模擬以優化提議的設計。這樣的軟件可以將總體設計時間減少多達75％。對於減速電機，3D模型和相關數據可幫助工程師分析並虛擬建立並檢查其減速電機 - 並完全定義組件以改進質量，製造技術和採購。
齒輪齧合時產生噪音
選擇齒輪和電機是一門科學。即使合適的齒輪也會產生噪音 複雜的事情是齒輪噪音有多種類型。為了解決齒輪噪音問題，第一步是確定令人反感的噪音類型。考慮到齒輪噪音取決於操作的速度。用定性和定量的術語來描述設計因素和製造錯誤如何影響噪音方程。然後與設計團隊（和潛在供應商）討論齒輪噪音，動力學，測量和建模問題。
齒輪箱設計的另一個起點是定義一個服務因素 - 包括每天的小時數和衝擊或振動要求。具有不規則衝擊特性的變速箱（例如軍用設計）需要比間歇運行的變速箱更高的維修係數。
齒對齒負載傳遞會產生齒輪噪聲，從而導致壓力脈衝串通過齒輪組和電機殼體輻射。噪音的頻率是齒輪轉速和齒輪齒數的乘積。大多數類型的齒輪噪聲出現在齒形齧合頻率或可聽範圍內的諧波上。也就是說，噪聲也可以作為較高齒面頻率噪聲的低頻調製而發生。這導致了一種稱為邊帶的現象。
齒輪噪音可能非常煩人 - 即使它不是最重要的噪音源。這是因為它以人耳可以檢測到的純音調的形式出現，甚至比整體噪聲水平低10 dB。
不對稱齒輪噪聲譜由低頻製造和裝配誤差產生的齒輪齧合激勵的幅度和頻率調製產生。減速電機從齒輪齧合，軸承旋轉，潤滑劑運動，電機振動和殼體的相互作用中發出的聲音都會對所產生的整體聲音起作用。
高質量的螺旋齒輪傳動和優化的齒輪齧合可以將振動趨勢降至最低。
螺旋齒逐漸齧合在齒面上，比直齒輪更安靜平穩的運行，並具有更高的承載能力。
隨著齒對經歷齧合過程，梭動力是沿著輪廓的齒齧合力的一側到另一側的擺動。振盪力可以引起齒輪箱系統的動態激勵。由於它出現在網格頻率上，因此會對齒輪噪音響應產生影響。採用雙螺旋齒輪時，該軸向力被消除。
牙齒表面有助於產生的聲音。只有被滾刀的螺旋齒輪比螺旋齒輪已經被剃光或研磨，以去除滾齒產生的粗糙齒表面光潔度。
單級斜齒輪減速電機和螺旋齒輪傳動裝置確保了安靜的操作和長久的使用壽命。
使用噪聲優化的齒輪幾何結構可以最大限度地減少單個齒輪齧合脈衝的影響。
設計和分析齒輪作為一個系統可以讓工程師改進和優化微型幾何，減少齒輪噪音。
螺距：齒輪系統的驅動齒輪的正常齒距比從動齒輪的正常齒距小很多，可以提供更安靜的傳動。最小噪音要求接觸比小於2或1.即使在輕微載荷下，扭轉剛度的影響也很重要。
接觸比：齒輪接觸比是接觸中的平均齒數。它通常在1.2的低端到1.8之間變化。工作接觸比率低於2.0的直齒圓柱齒輪和直齒錐齒輪比具有較大接觸比的齒輪產生更多的噪音。螺旋錐齒輪和螺旋錐齒輪的總接觸比遠高於2.0，噪音更小。
平穩，安靜和高速的齒輪組可以具有更多的齒，更細的直徑節距，更低的角度壓力和更高的接觸比。改變其中一個可以改變許多其他設計元素。優化齒輪的進入和退出點可降低振動，噪音，滑動摩擦和發熱。所有的齒輪設計都是達成目標結果的妥協方案。
很明顯，為什麼安靜齒輪必須非常精確地製造。高品質的齒輪傳動保證了安靜的操作。憑藉高精度製造，齒輪噪音可從平均水平82 dB降至77 dB，距離節點300 mm。
扭轉模式可能由軸旋轉的低次諧波激發; 激勵的大小直接與齒輪加工誤差有關。
無論設計如何，使正常的音高差異儘可能小。輪廓形狀誤差應儘可能接近理論漸開線。關鍵在於硬化後的精加工方法，以確保最終的準確性。
另外請記住，消除所有齒輪噪音是不可能的，因為不可能切割完美的齒輪。即使可以，也不可能限制系統動力學的影響。人們只能最大限度地減少和控制齒輪噪聲，以免被認為是有問題或聽不到的。
通過精加工和磨削，將高速階段的齒輪噪音降至最低。齒輪電機轉速在噪音產生中起著重要作用。只有30轉/分的滾刀齒輪組與磨齒齒輪組之間的差異很小。但在更高的齒輪組速度下，它們表現出更明顯的聲音差異。在齒輪製造過程中，滾齒是一種粗加工操作，可以產生平滑和精確的齒輪齒。剃鬚和硬化是精加工操作，可提高尺寸精度，表面光潔度和硬度。剃鬚清除少量材料以糾正輪廓錯誤。最終研磨操作產生高表面光潔度，糾正熱處理後的任何變形。精密的地面傳動裝置可降低噪音並延長使用壽命。
安靜的操作需要最小的齒輪間隙。齒隙是相互齧合的齒輪齒之間的間隙，並且應該足以允許齒之間的潤滑膜。減少齒隙的最簡單方法是縮短齒輪中心之間的距離，以減小零甚至零間隙。這種方法減少了中心距，齒尺寸和軸承偏心率的變化。
諸如製造誤差，安裝公差和軸承間隙等變量通常會增加齒輪電機的齒隙。精密減速電機通過採用緊公差部件來最大限度地減少這種缺陷。通常情況下，它們結合了精密齒輪，優質軸承和精密公差的機加工外殼。
為了儘量減少噪音，所有齒輪箱部件應該相互調整。三種類型的齒輪傳動誤差是間距誤差，隨機誤差和彈性變形，它們與平均輪廓偏差相結合。通過識別激勵機制可以減少齒輪共振; 使用有限元分析來確定各個齒輪的固有頻率; 消除操作範圍內的扭轉模式; 失諧和阻尼螺旋和錐齒輪; 並識別與齒輪馬達的其他元件（例如外殼和附件）存在的諧振問題。
牽引傳動系統可以配置為錐齒輪箱，螺旋齒輪箱或輪轂傳動，並提供高效率和安靜。
由於時變網格剛度，製造誤差和組裝誤差，齒輪網格會產生振動。這種振動通過軸和軸承傳遞到殼體。輻射噪聲是由外殼振動引起的。由於齒輪箱的振動和噪音明顯降低了齒輪傳動的性能，所以齒輪箱振動的預測和控制對於設計輸出運動的可靠性也是至關重要的。
使用有限元法（FEM）和邊界元法（BEM）的軟件模擬齒輪箱的輻射噪聲。這種軟件有助於識別組件的模式順序以及哪些外殼側面可以實現最大的聲學貢獻。在此，針對殼體的特別噪聲部分的一種解決方案是增加肋狀物以減少輻射噪聲。
通過優化帶肋和非對稱部件的殼體設計來減少自然共振 - 特別是在平行軸齒輪箱類型上。電機外殼和齒輪箱蓋應該是單個壓鑄部件，以消除電機齒輪箱接口的公差（噪音和振動的常見問題）。他們應該相互理想地協調一致。
根據外殼設計，分型線可能會落在頂部或底部，並且可能呈階梯式或成角度。為了消音，修剪和精確加工的鋁合金壓鑄外殼可以減少噪音。緊湊的外殼蓋和法蘭可防止可能放大噪音的變形。鋁製外殼比鑄鐵更能吸收諧波和其他振動。
即使壁厚增加10％，也能將剛度提高33％左右。但是，在壓鑄外殼中加入肋骨，波紋和曲線，可以保持較低的材料成本，同時保持堅固的強度和耐用性 - 即使在具有較薄外殼壁的組件中也是如此。
具有較大聲學貢獻的面板上的有效肋佈置位置是弧形的。當沿著從有效位置到最近的殼體固定點的線放置時，肋是有效的。在殼體表面上設置肋條是加強齒輪馬達殼體的主要技術之一。
除了金屬選擇之外，保持均勻的壁厚是至關重要的。壁厚是強度和重量之間的平衡。壁厚決定了壓鑄過程中一致的流動和熱性能。
緊湊型平行軸電機和驅動器設計非常適合小型空間和安靜運行要求。
尺寸，幾何尺寸和壁厚要求對公差有影響。取決於材料，較厚的壁會產生較大的收縮率。一般來說，用於壓鑄的緊公差部件為±0.002英寸。這裡有許多因素影響設計 - 包括材料，零件複雜性，工具和壓鑄工藝本身。
電機電磁場的激勵可以傳遞給轉子，因此尋找結實堅固的電機轉子。定子磁力在撞擊時像任何環一樣振動轉子。定子以其一種或多種彎曲模式振動; 模型將核心表示為兩端支撐的梁和響應施加的力而彎曲的梁。
分析表明，振動是由電氣不平衡或機械不平衡（在電機，聯軸器，驅動設備中）引起的。機械效應（以鬆動，摩擦和不平衡軸承的形式）; 外部影響（在基地或從動設備或錯位）; 並激發臨界共振速度。提示：在分析過程中，列出檢查頻率的所有可能原因。然後逐個消除原因，直到所有剩下的問題成為問題的真正根源。
安靜操作的關鍵是高品質的轉子平衡。所有類型的旋轉機械都需要在工作速度下平衡。轉子平衡涉及整個結構 - 軸，轉子疊片，端頭，轉子條，端部連接器，擋圈和風扇。只有仔細控制這些運動部件的設計和製造才能確保穩定和精確的電機平衡。
如果電機的運行速度與殼體諧振頻率一致，則會發生放大。唯一的選擇是改變外殼的諧振頻率 - 通常通過改變齒輪組，外殼或電機的剛度或重量。
ABM Drives公司生產的兩級和三級螺旋電機和驅動器安靜，耐用，能耗低，效率高。
在機器製造期間選擇製造合作伙伴時，請記住選擇減速電機有兩種方法。一個是選擇一個預先設計的單元，另一個是選擇一個變速箱 - 電機組合並將它們集成到設備中。
如果設計工程師沒有時間或工程資源來製造減速電機，或者設計需要快速設置，預設計的齒輪解決方案就非常適合。支持原始設備製造商（並支持新機床，自動化和設計軟件）的新模塊化方法現在可讓工程師獲得價格合理的減速電機，即使數量適中。
確實，選擇單獨的電機和齒輪箱並將它們組合在一起的好處之一是比選擇預先設計的齒輪電機更便宜。這種方法的另一個好處是，人們可以為手頭的應用設計最優化的減速電機......因為這種方法還可以使設計工程師對最終配置和成本進行最大的控制。
無論採用何種齒輪電機選擇方案，都必須通過頻譜分析比較噪聲預測和噪聲測量來不斷改進設計。然後使用分析結果來改進下一次齒輪電機迭代。
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