1. La importancia del NVH en las cajas de cambios
Durante la transmisión de engranajes, cualquier pequeño error geométrico, desviaciones de montaje o defectos del material pueden convertirse en fuentes de vibración y ruido durante el engranaje. En el caso de las cajas de cambios de trenes ferroviarios, el elevado ruido no sólo afecta a la comodidad de los pasajeros sino que también agrava los daños por fatiga en componentes como cojinetes y engranajes, acortando así la vida útil de toda la máquina. Sin cambiar el material ni el esquema de transmisión, mediante pruebas y optimización científicas de NVH, podemos lograr el doble beneficio de reducción de ruido y mejora de la vida útil.
Las vibraciones y ruidos generados en la caja de cambios se transmiten a otras partes del vehículo a través de la respuesta de la carcasa. La fuente de excitación es principalmente el error de transmisión, y las rutas de transmisión incluyen-eje-cojinete-carcasa y engranaje-aire-carcasa.
2. Principales fuentes de ruido de los engranajes
Errores de perfil de diente y hélice: el engrane desigual causado por estos errores provoca un impacto en el engrane, lo que resulta en un aumento de los picos de ruido.
Rugosidad excesiva de la superficie del engranaje: afecta directamente el estado del contacto de engrane y genera ruido de alta-frecuencia.
Excentricidad del ensamblaje y descentramiento radial: provocan una fuerza desigual en los puntos de engrane, lo que genera ruido periódico.
Superposición de frecuencia de resonancia: cuando la frecuencia de engrane del engranaje está cerca de la frecuencia de resonancia de la caja, el eje o la estructura externa, el ruido se amplificará significativamente.
3. Métodos de prueba de ruido de engranajes
3.1 Medición acústica
Utilice micrófonos-de campo libre para medir el nivel de presión sonora (dB) de la caja de cambios durante el funcionamiento.
El análisis de la intensidad del sonido puede localizar las principales fuentes de ruido.
Las pruebas deben realizarse en una cámara anecoica o en un entorno semi-anecoico para evitar interferencias del ruido ambiental.
Por ejemplo, en las pruebas acústicas de tranvías, se utilizan conjuntos de micrófonos para detectar fuentes de ruido en componentes como la carrocería del tranvía, la estructura del bogie y los elementos del juego de ruedas. Las regiones acústicas involucran la caja de cambios, la cubierta del bogie, etc.
3.2 Análisis de vibraciones
Utilice acelerómetros triaxiales para registrar señales de vibración en varias direcciones de la caja de cambios.
Mediante el análisis FFT (Transformada Rápida de Fourier), convierta señales de vibración en espectrogramas para determinar la presencia de componentes de frecuencia anormales.
Se puede combinar con el análisis de orden para distinguir la frecuencia de engrane de los engranajes de las vibraciones de otros componentes mecánicos.
El espectro de frecuencia puede mostrar la amplitud correspondiente a diferentes frecuencias, como 1x engranaje, 1x piñón, 1xGMF (frecuencia de engrane de engranaje), 2xGMF, 3xGMF, etc. Para los engranajes rectos, la vibración radial es más prominente, mientras que para los engranajes helicoidales, la vibración axial es más obvia.
3.3 Prueba de rugosidad de la superficie
Utilice medidores de rugosidad de la superficie (como Taylor Hobson Talysurf) para medir parámetros como Ra y Rz de la superficie del diente.
La rugosidad excesiva de la superficie no sólo aumenta la fricción sino que también amplifica el ruido del engranaje.
Para engranajes de alta-velocidad, se recomienda Ra menor o igual a 0,4 μm para reducir los componentes de ruido de alta-frecuencia.
4. Estrategias de optimización de NVH
4.1 Optimización de la modificación de la superficie del diente
Alivio de punta y raíz: alivia el impacto cuando la raíz del diente se engancha.
Coronación: Reducir la concentración de carga a lo largo de la dirección del diente. Al optimizar la modificación, la fuerza de impacto del engrane se puede reducir de manera efectiva, suprimiendo el ruido de la fuente.
Existen varios métodos de modificación, como engranajes helicoidales de doble-corona con diferentes perfiles parabólicos (parábolas secundarias, de cuarto y sexta), engranajes de corona de contorno con características como reducción de la presión inferior y holgura de la punta, etc. Los diferentes métodos de modificación dan como resultado diferentes rutas de contacto durante el engrane.
4.2 Mejora de la rugosidad de la superficie
Utilice tecnologías de esmerilado, bruñido o pulido y laminado de precisión para reducir la rugosidad de la superficie.
Mediante el fortalecimiento por laminación, no sólo se puede reducir el valor Ra, sino que también se puede mejorar la calidad de la capa endurecida de la superficie del diente.
El perfeccionamiento es un proceso eficaz. El eje de la herramienta de bruñido se ajusta adecuadamente y la herramienta de bruñido (un engranaje interno mecanizado con precisión-hecho de cerámica abrasiva como la alúmina con un ángulo de hélice específico) procesa el engranaje de la pieza de trabajo. Durante la operación, la dirección de procesamiento (contacto) de la superficie del diente del engranaje es casi la misma que durante el engrane real del engranaje.
4.3 Equilibrio dinámico y precisión de montaje
Realice pruebas de equilibrio dinámico en engranajes y ejes para reducir las fuentes de vibración.
Controle el descentramiento radial (Fr) y el descentramiento axial (Fa) durante el montaje para evitar cargas desiguales.
5. Estándares y requisitos de prueba
Los estándares internacionales y de la industria tienen requisitos claros para el rendimiento NVH de los engranajes:
ISO 1328: especifica grados de precisión de engranajes y rangos de error.
ISO 8579: Se ocupa de la medición del ruido de la transmisión de engranajes.
ISO 10816: Cubre estándares de evaluación y monitoreo de vibraciones.
Al integrar las pruebas NVH en el control de calidad de todo el proceso de producción, se puede garantizar el silencio y la estabilidad del sistema de transmisión antes de que el producto salga de fábrica.
Las pruebas de NVH de engranajes no son solo una parte de la inspección de fábrica, sino que también deben abarcar todo el proceso de diseño, procesamiento y ensamblaje de engranajes. Mediante mediciones acústicas sistemáticas, análisis de vibraciones y mediciones de rugosidad de superficies, combinados con optimización de modificaciones y tecnología de procesamiento de precisión, el silencio operativo y la vida útil de la caja de cambios se pueden mejorar significativamente sin aumentar los costos. Esto no es sólo una manifestación de la competitividad del producto sino también una tendencia inevitable en el desarrollo de alta-calidad de la fabricación de maquinaria moderna.