Inspecia Angrenajelor și Controlul Calității: Metode de Testare NVH pentru Angrenaje

În domeniile transportului feroviar modern, aviației și echipamentelor mecanice de înaltă performanță, transmisia prin angrenaje nu necesită doar eficiență și fiabilitate ridicată, ci și o performanță NVH excelentă (Noise, Vibration, Harshness). Nivelul NVH influențează direct experiența utilizatorului și durata de viață, având totodată un impact profund asupra costurilor de întreținere și a imaginii mărcii. Acest articol va prezenta în mod sistematic metodele de testare, factorii de influență și strategiile de optimizare pentru NVH la angrenaje.

1. Importanța NVH în Cutiile de Viteze

În timpul transmisiei prin angrenaje, orice erori geometrice minime, abateri de asamblare sau defecte de material pot fi convertite în surse de vibrații și zgomot în timpul angrenării. În cazul cutiilor de viteze ale trenurilor pe șine, un zgomot excesiv nu doar că afectează confortul pasagerilor, ci intensifică și deteriorarea prin oboseală a componentelor precum rulmenții și roțile dințate, reducând astfel durata de funcționare a întregului echipament. Fără a modifica materialul și schema de transmisie, prin testare științifică NVH și optimizare, putem obține beneficii duble: reducerea zgomotului și creșterea duratei de viață.

Vibrațiile și zgomotul generate în cutia de viteze sunt transmise către alte părți ale vehiculului prin răspunsul carcasei. Sursa de excitație este în principal eroarea de transmisie, iar căile de transmisie includ angrenaj-arbore-rulment-carcasă și angrenaj-aer-carcasă.

2. Surse principale ale zgomotului angrenajelor

Erori ale profilului și ale înclinării dinților: Aceste erori provoacă o angrenare neuniformă, care duce la șocuri în angrenare și la creșterea vârfurilor de zgomot.

Rugozitate excesivă a suprafeței roților dințate: Aceasta afectează direct starea de contact în angrenare și generează zgomot de înaltă frecvență.

Ecentricitatea și jocul radial la asamblare: Acestea determină o forță neuniformă în punctele de angrenare, provocând un zgomot periodic.

Suprapunerea frecvenței de rezonanță: Atunci când frecvența de angrenare a roților dințate este aproape de frecvența de rezonanță a carcasei, arborelui sau structurii externe, zgomotul va fi semnificativ amplificat.

3. Metode de testare a zgomotului roților dințate

3.1 Măsurarea acustică

Utilizați microfoane în câmp liber pentru a măsura nivelul de presiune sonoră (dB) al reductorului în timpul funcționării.

Analiza intensității sonore poate identifica sursele principale de zgomot.

Testele trebuie efectuate într-o cameră anecohică sau semi-anecohică pentru a evita interferențele datorate zgomotului ambiental.

De exemplu, în testele acustice ale tramvaielor, se folosesc matrice de microfoane pentru a detecta sursele de zgomot din componentele caroseriei tramvaiului, structura boghiului și elementele roții. Zonele acustice includ reductorul, carcasa boghiului etc.

3.2 Analiza Vibrațiilor

Utilizați accelerometre triaxiale pentru a înregistra semnalele de vibrație în diverse direcții ale reductorului.

Prin analiza FFT (Transformata Fourier Rapidă), convertiți semnalele de vibrație în spectrograme pentru a determina prezența componentelor de frecvență anormale.

Poate fi combinată cu analiza de ordin pentru a deosebi frecvența de angrenare a roților dințate de vibrațiile altor componente mecanice.

Spectrul de frecvență poate arăta amplitudinea corespunzătoare diferitelor frecvențe, cum ar fi 1x Roată dințată, 1x Pinion, 1xGMF (Frecvența de Angrenare a Roții Dințate), 2xGMF, 3xGMF etc. În cazul roților dințate drepte, vibrația radială este mai pronunțată, iar în cazul roților dințate înclinate, vibrația axială este mai evidentă.

3.3 Testarea Rugozității Suprafeței

Utilizați instrumente de măsurare a rugozității suprafeței (de exemplu, Taylor Hobson Talysurf) pentru a măsura parametrii Ra și Rz ai suprafeței dinților.

Rugozitatea excesivă a suprafeței nu doar că mărește frecarea, ci amplifică și zgomotul de angrenare.

Pentru angrenaje cu viteză mare, se recomandă ca Ra ≤ 0,4 μm pentru a reduce componentele zgomotului de înaltă frecvență.

4. Strategii de optimizare NVH

4.1 Optimizarea modificării suprafeței dinților

Relief la vârf și la rădăcină: Aliniază impactul atunci când angajează rădăcina dintelui.

Bulonare: Reduce concentrarea sarcinii de-a lungul direcției dintelui. Prin optimizarea modificării, forța de impact la angrenare poate fi redusă eficient, suprimând zgomotul de la sursă.

Există diverse metode de modificare, cum ar fi angrenajele melcate dublu bombate cu profile parabolice diferite (parabole secundare, cuartice și sextice), angrenaje cu profil bombat care au caracteristici precum reducerea presiunii la bază și joc la vârf etc. Diferite metode de modificare rezultă în trasee de contact diferite în timpul angrenării.

4.2 Îmbunătățirea rugozității suprafeței

Utilizați tehnologii de rectificare precisă, lepuire sau lustruire și rulare pentru a reduce rugozitatea suprafeței.

Prin consolidarea prin rulare, nu doar că valoarea Ra poate fi redusă, ci și calitatea stratului dur de pe suprafața dintelui poate fi îmbunătățită.

Lărgirea este un proces eficient. Axul sculei de lărgit este setat corespunzător, iar scula de lărgit (un angrenaj interior realizat cu precizie din ceramică abrazivă, cum ar fi alumina, având un anumit unghi de înclinare) prelucrează roata dințată de prelucrat. În timpul funcționării, direcția de prelucrare (contact) a suprafeței dinților este aproape identică cu cea din timpul angrenării reale a angrenajului.

4.3 Echilibrul dinamic și precizia asamblării

Efectuați teste de echilibru dinamic pentru roțile dințate și arbori pentru a reduce sursele de vibrații.

Controlați jocul radial (Fr) și jocul axial (Fa) în timpul asamblării pentru a evita încărcăturile neuniforme.

5. Standarde și cerințe privind testarea

Standardele internaționale și industriale prevăd cerințe clare privind performanța NVH a roților dințate:

ISO 1328: Specifică gradele de precizie și limitele de eroare ale angrenajelor.

ISO 8579: Se referă la măsurarea zgomotului transmisiei angrenajelor.

ISO 10816: Acoperă standardele de monitorizare și evaluare a vibrațiilor.

Prin integrarea testării NVH în controlul calității întregului proces de producție, se poate asigura liniștea și stabilitatea sistemului de transmisie înainte ca produsul să părăsească fabrica.

Testarea NVH a roților dințate nu este doar o parte a inspecției de fabrică, ci ar trebui să fie aplicată pe întregul proces de proiectare, prelucrare și asamblare a roților dințate. Prin măsurători acustice sistematice, analiza vibrațiilor și măsurarea rugozității suprafeței, combinate cu optimizarea profilului și tehnologia de prelucrare precisă, se poate îmbunătăți semnificativ liniștea în funcționare și durata de viață a reductorului, fără a crește costurile. Aceasta nu este doar o demonstrație a competitivității produsului, ci și o tendință inevitabilă în dezvoltarea de înaltă calitate a industriei moderne de construcții mecanice.