Inspekcja i kontrola jakości zębatek: metody testowania NVH

W dziedzinach nowoczesnego transportu szynowego, lotnictwa oraz wysokiej klasy urządzeń mechanicznych, przekładnie zębate muszą nie tylko charakteryzować się wysoką skutecznością i niezawodnością, ale również doskonałą wydajnością NVH (Noise, Vibration, Harshness). Poziom NVH bezpośrednio wpływa na doświadczenie użytkownika oraz trwałość urządzenia, a także ma istotny wpływ na koszty utrzymania sprzętu i wizerunek marki. W tym artykule zostaną szczegółowo przedstawione metody testowania, czynniki wpływające oraz strategie optymalizacji NVH zębatek.

1. Znaczenie NVH w przekładniach

Podczas przekładni biegów nawet najmniejsze błędy geometryczne, odchyłki montażowe lub wady materiału mogą zostać przekształcone w źródła drgań i hałasu podczas zazębienia. W przypadku skrzyń biegów w pociągach szynowych wysoki poziom hałasu nie tylko wpływa na komfort pasażerów, ale również nasila zmęczeniowe uszkodzenia elementów takich jak łożyska i zęby kół zębatych, skracając tym samym okres eksploatacji całej maszyny. Bez zmiany materiału i schematu przekładni, dzięki naukowemu badaniu i optymalizacji NVH, możemy osiągnąć podwójną korzyść – zmniejszenie hałasu i wydłużenie okresu użytkowania.

Drgania i hałas generowane w skrzyni biegów są przekazywane na inne części pojazdu poprzez odpowiedź obudowy. Źródłem wymuszenia są głównie błędy przekładni, a ścieżki przenoszenia obejmują ząb-kątownik-łożysko-obudowa oraz ząb-powietrze-obudowa.

2. Główne źródła hałasu kół zębatych

Błędy Profilu Zęba i Linii Śrubowej: Nierównomierne zazębienie spowodowane tymi błędami prowadzi do uderzeń zazębień, co skutkuje wzrostem szczytów hałasu.

Zbyt duża chropowatość powierzchni zęba: Bezpośrednio wpływa na stan styku w zazębieniu i generuje hałas o wysokiej częstotliwości.

Mimośród i wachliwość promieniowa w montażu: Powodują nierównomierne obciążenie w punktach zazębienia, prowadząc do hałasu o charakterze okresowym.

Nakładanie się częstotliwości rezonansowych: Gdy częstotliwość zazębienia przekładni jest bliska częstotliwości rezonansowej obudowy, wału lub konstrukcji zewnętrznej, hałas zostaje znacznie wzmocniony.

3. Metody pomiaru hałasu przekładni

3.1 Pomiar akustyczny

Do pomiaru poziomu ciśnienia akustycznego (dB) przekładni w czasie pracy stosuje się mikrofony w polu swobodnym.

Analiza intensywności dźwięku pozwala zlokalizować główne źródła hałasu.

Pomiar powinien być przeprowadzony w komorze bezechowej lub półbezechowej, aby uniknąć zakłóceń z hałasu środowiskowego.

Na przykład, w testach akustycznych tramwajów stosuje się macierze mikrofonów do wykrywania źródeł hałasu w elementach takich jak kadłub tramwaju, konstrukcja wózka, zestaw kołowy. Obszary akustyczne obejmują przekładnię, pokrywę wózka itp.

3.2 Analiza drgań

Za pomocą trójosiowych akcelerometrów zapisuj sygnały drgań w różnych kierunkach przekładni.

Dzięki analizie FFT (szybkiej transformacie Fouriera) przekształć sygnały drgań w spektrogramy, aby określić występowanie nieprawidłowych składowych częstotliwości.

Można to połączyć z analizą rzędów, aby odróżnić częstotliwość zazębienia kół zębatych od drgań innych komponentów mechanicznych.

Widmo częstotliwości może pokazywać amplitudy odpowiadające różnym częstotliwościom, takim jak 1x Gear, 1x Pinion, 1xGMF (częstotliwość zazębienia przekładni), 2xGMF, 3xGMF itp. W przypadku kół prostozębnych drgania radialne są bardziej wyraźne, natomiast dla kół poślizgowych bardziej oczywiste są drgania osiowe.

3.3 Pomiar chropowatości powierzchni

Do pomiaru parametrów chropowatości powierzchni, takich jak Ra i Rz na powierzchni zęba, wykorzystaj mierzaki chropowatości powierzchni (np. Taylor Hobson Talysurf).

Zbyt duża chropowatość powierzchni nie tylko zwiększa tarcie, ale także wzmocnia poziom hałasu zazębienia.

Dla przekładni pracujących z dużą prędkością, zaleca się Ra ≤ 0,4 μm, aby zredukować składowe hałasu o wysokiej częstotliwości.

4. Strategie optymalizacji NVH

4.1 Optymalizacja modyfikacji powierzchni zęba

Zaokrąglenie zęba przy wierzchołku i u podstawy: Zmniejsza uderzenia podczas wchodzenia zęba w zazębienie.

Wypukłość powierzchni zęba (crowning): Redukuje koncentrację obciążenia wzdłuż kierunku zęba. Optymalizacja tej modyfikacji pozwala skutecznie zmniejszyć siły uderzeniowe podczas zazębiania, tłumiąc hałas w źródle.

Istnieje wiele metod modyfikacji, takich jak dwustronnie wypukłe koła zębate o różnym przebiegu paraboli (parabola drugiego, czwartego i szóstego rzędu), koła zębate z wypukłością konturową charakteryzującą się obniżeniem ciśnienia przy podstawie i luzem przy wierzchołku itp. Różne metody modyfikacji prowadzą do różnych ścieżek kontaktu podczas zazębiania.

4.2 Poprawa chropowatości powierzchni

Stosowanie precyzyjnego szlifowania, przeciągania lub polerowania oraz technologii tocznych w celu obniżenia chropowatości powierzchni.

Poprzez walcowanie umacniające nie tylko można zmniejszyć wartość Ra, ale także poprawić jakość wewnętrznej warstwy węglowej powierzchni zęba.

Przyprawianie (honing) jest skutecznym procesem. Oś narzędzia do przyprawiania jest odpowiednio ustawiona, a narzędzie (dokładnie obrabiane koło zębate wewnętrzne wykonane z ceramiki ściącej, np. z tlenku glinu, o określonym kącie linii śrubowej) przetwarza koło zębate obrabiane. Podczas pracy kierunek przetwarzania (kontaktu) powierzchni zęba jest niemal identyczny jak w rzeczywistym zazębieniu kół.

4.3 Równowaga dynamiczna i precyzja montażu

Wykonaj testy równowagi dynamicznej kół zębatych i wałów, aby zredukować źródła wibracji.

Kontroluj w czasie montażu bicia promieniowego (Fr) i bicia osiowego (Fa), aby uniknąć nierównomiernych obciążeń.

5. Standardy i wymagania testowe

Międzynarodowe i branżowe standardy określają jasne wymagania dotyczące pracy kół zębatych pod względem NVH:

ISO 1328: Określa klasy dokładności kół zębatych oraz zakresy błędów.

ISO 8579: Zajmuje się pomiarem hałasu przekładni zębatych.

ISO 10816: Obejmuje normy dotyczące monitorowania i oceny drgań.

Integrując badania NVH w całym procesie produkcji jako część kontroli jakości, można zagwarantować cichą pracę i stabilność systemu transmisji przed opuszczeniem fabryki.

Badania NVH przekładni stanowią nie tylko część kontroli fabrycznej, ale powinny być przeprowadzane na etapie projektowania, obróbki i montażu przekładni. Dzięki systematycznym pomiarom akustycznym, analizie drgań oraz pomiarom chropowatości powierzchni, w połączeniu z optymalizacją modyfikacji i technologią precyzyjnej obróbki, można znacząco poprawić cichą pracę i trwałość skrzyni biegów bez zwiększania kosztów. Stanowi to nie tylko dowód konkurencyjności produktu, ale także nieodłączny trend rozwoju przemysłu maszynowego w kierunku wysokiej jakości.