Випробування та контроль якості зубчастих коліс: методи тестування NVH зубчастих коліс

У галузях сучасного рейкового транспорту, авіації та високотехнологічного машинобудування зубчаста передача має бути не тільки ефективною та надійною, але й забезпечувати відмінні характеристики NVH (шум, вібрація, дискомфорт). Рівень NVH безпосередньо впливає на якість користувацького досвіду та термін служби, а також суттєво впливає на витрати на технічне обслуговування обладнання та імідж бренду. У цій статті систематично розглянуто методи випробувань, чинники, що впливають, та стратегії оптимізації NVH зубчастих коліс.

1. Важливість NVH у редукторах

Під час передачі зчеплення будь-які дрібні геометричні похибки, відхилення збірки або дефекти матеріалу можуть перетворюватися на джерела вібрації та шуму під час зачеплення. Для зубчастих передач залізничних потягів високий рівень шуму не лише впливає на комфорт пасажирів, але й погіршує втомлювані пошкодження компонентів, таких як підшипники й шестерні, скорочуючи тим самим термін служби всього обладнання. Не змінюючи матеріал і схему передачі, за допомогою наукового тестування та оптимізації NVH, ми можемо досягти одночасного зменшення шуму й подовження терміну служби.

Вібрація і шум, що виникають у коробці передач, передаються на інші частини транспортного засобу через відгук корпусу. Джерелом збудження є, головним чином, похибка передачі, а шляхами передачі — зубчасте колесо-вал-підшипник-корпус і зубчасте колесо-повітря-корпус.

2. Основні джерела шуму шестерень

Похибки профілю зубців і похибки кута нахилу зубців: нерівномірне зачіплення, спричинене цими похибками, призводить до ударів у зачепленні, що збільшує піки шуму.

Надмірна шорсткість поверхні зубців: безпосередньо впливає на стан контакту зачеплення та створює шум високої частоти.

Ексцентриситет збірки та радіальне биття: ці фактори призводять до нерівномірного навантаження в точках зачеплення, що викликає періодичний шум.

Накладання резонансних частот: коли частота зачеплення зубчастих коліс наближається до резонансної частоти корпусу, валопроводу або зовнішньої конструкції, шум суттєво підсилюється.

3. Методи випробувань шуму зубчастих коліс

3.1 Акустичні вимірювання

Використовуйте мікрофони у вільному полі для вимірювання рівня звукового тиску (дБ) коробки передач під час її роботи.

Аналіз інтенсивності звуку може виявити основні джерела шуму.

Випробування слід проводити в безлунній камері або напівбезлунному середовищі, щоб уникнути перешкод від зовнішнього шуму.

Наприклад, під час акустичних випробувань трамваїв використовують мікрофонні решітки для виявлення джерел шуму в компонентах, таких як корпус трамвая, структура візка та елементи колісної пари. Акустичні зони включають редуктор, кришку візка тощо.

3.2 Аналіз вібрації

Використовуйте триаксіальні акселерометри для запису вібраційних сигналів у різних напрямках коробки передач.

Шляхом аналізу FFT (швидкого перетворення Фур'є) перетворіть вібраційні сигнали в спектрограми, щоб визначити наявність аномальних частотних компонентів.

Може бути поєднаний з аналізом порядку для розрізнення частоти зачеплення шестерень від вібрацій інших механічних компонентів.

Частотний спектр може показувати амплітуду, відповідну різним частотам, таким як 1x Gear, 1x Pinion, 1xGMF (частота зачеплення шестерень), 2xGMF, 3xGMF тощо. Для прямозубих шестерень радіальна вібрація є більш вираженою, тоді як для косозубих шестерень більш помітною є осьова вібрація.

3.3 Випробування на шорсткість поверхні

Використовуйте прилади для вимірювання шорсткості поверхні (наприклад, Taylor Hobson Talysurf) для вимірювання параметрів, таких як Ra та Rz, на поверхні зубців.

Надмірна шорсткість поверхні не лише збільшує тертя, але й підсилює шум зачеплення.

Для швидкохідних передач рекомендується Ra ≤ 0,4 мкм для зменшення високочастотних шумових компонентів.

4. Стратегії оптимізації NVH

4.1 Оптимізація модифікації профілю зуба

Знімання фаски та зниження напруження біля основи зуба: зменшити вплив під час зачеплення кореня зуба.

Поздовжнє звуження (закруглення): зменшити концентрацію навантаження уздовж напрямку зуба. Шляхом оптимізації модифікації можна ефективно знизити силу удару при зачепленні, пригнічуючи шум на джерелі.

Існують різноманітні методи модифікації, такі як подвійні косозубі шестерні з різними параболічними профілями (квадратична, біквадратна та сектична парабола), шестерні з контурним звуженням із такими особливостями, як зменшення тиску у зоні основи та зазор на вершині зуба тощо. Різні методи модифікації призводять до різних шляхів контакту під час зачеплення.

4.2 Покращення шорсткості поверхні

Використання прецизійного шліфування, доводки або полірування та обробки роликами для зменшення шорсткості поверхні.

Шляхом накатування можна не тільки зменшити значення Ra, але й покращити якість загартованого шару на поверхні зуба.

Процес хонінгу є ефективним. Вісь інструменту для хонінгу встановлюється відповідним чином, а сам інструмент (внутрішнє колесо, виготовлене з абразивної кераміки, наприклад, з оксиду алюмінію, з точно встановленим кутом нахилу зубців) обробляє зубчасте колесо. Під час роботи напрямок обробки (контакту) на поверхні зубців майже збігається з напрямком зачеплення зубців під час реальної роботи передачі.

4.3 Динамічна балансування та точність складання

Виконувати динамічні випробування зубчастих коліс та валів для зменшення джерел вібрації.

Контролювати радіальне биття (Fr) та осьове биття (Fa) під час складання, щоб уникнути нерівномірного навантаження.

5. Стандарти та вимоги до випробувань

Міжнародні та галузеві стандарти чітко визначають вимоги до акустичних характеристик зубчастих передач:

ISO 1328: Встановлює ступені точності зубчастих коліс та діапазони похибок.

ISO 8579: Стосується вимірювання шуму при роботі зубчастих передач.

ISO 10816: Охоплює стандарти моніторингу та оцінки вібрації.

Шляхом інтеграції випробувань NVH у контроль якості на всьому виробничому процесі можна забезпечити тихість і стабільність трансмісійної системи ще до виходу продукту з заводу.

Випробування шестерень на NVH — це не лише частина заводського контролю, але й процес, який має проходити на всіх етапах проектування, обробки та збирання шестерень. Шляхом систематичного акустичного вимірювання, аналізу вібрацій і вимірювання шорсткості поверхні, у поєднанні з оптимізацією корекції та технологіями прецизійної обробки, можна значно покращити експлуатаційну тихість і термін служби коробки передач, не збільшуючи витрат. Це не лише прояв конкурентоспроможності продукту, але й неминучий тренд високоякісного розвитку сучасного машинобудування.