Инспекция и контроль качества зубчатых колес: методы испытаний NVH

В современных областях железнодорожного транспорта, авиации и высокотехнологичного машиностроения зубчатые передачи требуют не только высокой эффективности и надежности, но и отличных характеристик NVH (шум, вибрация, жесткость). Уровень NVH напрямую влияет на пользовательский опыт и срок службы, а также значительно влияет на затраты на техническое обслуживание оборудования и имидж бренда. В этой статье систематически рассматриваются методы испытаний, факторы влияния и стратегии оптимизации NVH зубчатых передач.

1. Значение NVH в коробках передач

Во время передачи в коробке передач любые крошечные геометрические ошибки, отклонения при сборке или дефекты материала могут превращаться в источники вибрации и шума во время зацепления. В случае коробок передач железнодорожных поездов, высокий уровень шума влияет не только на комфорт пассажиров, но также усиливает усталостные повреждения компонентов, таких как подшипники и шестерни, тем самым сокращая срок службы всей машины. Не изменяя материал и схему передачи, с помощью научных испытаний и оптимизации NVH, мы можем достичь двойной выгоды от снижения шума и увеличения срока службы.

Вибрация и шум, генерируемые в коробке передач, передаются на другие части транспортного средства через отклик корпуса. Источник возбуждения в основном представляет собой ошибку передачи, а пути передачи включают шестерня-вал-подшипник-корпус и шестерня-воздух-корпус.

2. Основные источники шума шестерен

Ошибки профиля и винтовой линии зубьев: неравномерное зацепление, вызванное этими ошибками, приводит к удару при зацеплении, в результате чего увеличиваются пики шума.

Чрезмерная шероховатость поверхностей зубьев: Непосредственно влияет на состояние контакта при зацеплении и вызывает шум высокой частоты.

Эксцентриситет и радиальное биение при сборке: Вызывают неравномерное усилие в точках зацепления, что приводит к периодическому шуму.

Сложение резонансных частот: Когда частота зацепления зубчатых колес близка к резонансной частоте корпуса, вала или внешней конструкции, шум значительно усиливается.

3. Методы испытаний зубчатых колес на шум

3.1 Акустические измерения

Используйте микрофоны в свободном поле для измерения уровня звукового давления (дБ) коробки передач во время работы.

Анализ звуковой интенсивности позволяет определить основные источники шума.

Испытания должны проводиться в безэховой камере или полу-безэховой среде, чтобы избежать помех от окружающего шума.

Например, при акустических испытаниях трамваев используются микрофонные решетки для обнаружения источников шума в компонентах, таких как кузов трамвая, рама тележки и элементы колесной пары. Акустические зоны включают редуктор, крышку тележки и т. д.

3.2 Анализ вибрации

Используйте трехосные акселерометры для записи вибрационных сигналов в различных направлениях коробки передач.

С помощью анализа БПФ (быстрого преобразования Фурье) преобразуйте вибрационные сигналы в спектрограммы для определения наличия аномальных частотных компонентов.

Может быть использован совместно с анализом порядка для различения частоты зацепления шестерен от вибраций других механических компонентов.

Частотный спектр может отображать амплитуду, соответствующую разным частотам, например, 1x Gear, 1x Pinion, 1xGMF (частота зацепления шестерни), 2xGMF, 3xGMF и т.д. Для прямозубых шестерен радиальная вибрация более выражена, тогда как для косозубых шестерен более очевидна осевая вибрация.

3.3 Испытания на шероховатость поверхности

Используйте измерители шероховатости поверхности (например, Taylor Hobson Talysurf) для измерения параметров Ra и Rz рабочей поверхности зуба.

Чрезмерная шероховатость поверхности не только увеличивает трение, но и усиливает шум зацепления.

Для высокоскоростных передач рекомендуется, чтобы Ra ≤ 0,4 мкм, чтобы уменьшить высокочастотные шумовые компоненты.

4. Стратегии оптимизации NVH

4.1 Оптимизация модификации поверхности зуба

Редукция вершины и корня: снижение воздействия при зацеплении корня зуба.

Выпуклость: уменьшение концентрации нагрузки вдоль направления зуба. Оптимизируя модификацию, можно эффективно снизить силу ударов при зацеплении, подавляя шум на источнике.

Существует множество методов модификации, например, косозубые передачи с двойной выпуклостью с различными параболическими профилями (квадратичными, четвертого и шестого порядка), передачи с контурной выпуклостью с такими особенностями, как уменьшение давления в основании и зазор на вершине и т. д. Разные методы модификации приводят к различным траекториям контакта при зацеплении.

4.2 Улучшение шероховатости поверхности

Использование прецизионного шлифования, доводки или полировальных и упрочняющих технологий для снижения шероховатости поверхности.

Посредством накатывания не только можно снизить значение Ra, но и улучшить качество поверхностного закаленного слоя зуба.

Хонингование является эффективным процессом. Ось хонинговального инструмента устанавливается соответствующим образом, и хонинговальный инструмент (внутреннее колесо, изготовленное с высокой точностью из абразивной керамики, например, из оксида алюминия, с определенным углом наклона зубьев) обрабатывает шестерню. Во время работы направление обработки (контакта) поверхности зубьев почти такое же, как и при реальном зацеплении шестерен.

4.3 Динамическое балансирование и точность сборки

Проводить динамические испытания шестерен и валов для уменьшения источников вибрации.

Контролировать радиальное биение (Fr) и осевое биение (Fa) во время сборки, чтобы избежать неравномерных нагрузок.

5. Стандарты и требования к испытаниям

Международные и отраслевые стандарты содержат четкие требования к NVH-характеристикам шестерен:

ISO 1328: Определяет классы точности шестерен и диапазоны допустимых отклонений.

ISO 8579: Регулирует измерение шума при передаче вращения посредством шестерен.

ISO 10816: Охватывает стандарты мониторинга и оценки вибрации.

Интегрируя испытания на NVH в контроль качества на всех этапах производственного процесса, можно обеспечить бесшумность и стабильность трансмиссионной системы до выхода продукта с завода.

Испытания шестерен на NVH — это не только часть заводского контроля, но и процесс, который должен охватывать все этапы проектирования, обработки и сборки шестерен. Путем систематических акустических измерений, анализа вибраций и измерения шероховатости поверхности, в сочетании с оптимизацией коррекции и технологией прецизионной обработки, можно значительно повысить бесшумность работы и срок службы коробки передач без увеличения затрат. Это не только показатель конкурентоспособности продукта, но и неизбежная тенденция высококачественного развития современного машиностроения.