Έλεγχος Οδοντώσεων και Ποιοτικός Έλεγχος: Μέθοδοι Δοκιμής NVH Οδοντώσεων

Στους τομείς των σύγχρονων σιδηροδρομικών μεταφορών, της αεροπορίας και των υψηλής ποιότητας μηχανικών εγκαταστάσεων, η μετάδοση κίνησης μέσω οδοντώσεων απαιτεί όχι μόνο υψηλή αποτελεσματικότητα και αξιοπιστία, αλλά και εξαιρετική απόδοση NVH (θόρυβος, κραδασμοί, ακαμψία). Το επίπεδο NVH επηρεάζει άμεσα την εμπειρία του χρήστη και τη διάρκεια ζωής της εγκατάστασης, ενώ έχει επίσης σημαντική επίδραση στο κόστος συντήρησης των εξοπλισμών και στην εικόνα της μάρκας. Στο άρθρο αυτό παρουσιάζονται με συστηματικό τρόπο οι μέθοδοι δοκιμής, οι παράγοντες που επηρεάζουν και οι στρατηγικές βελτιστοποίησης της απόδοσης NVH των οδοντώσεων.

1. Η Σημασία του NVH στα Κιβώτια Ταχυτήτων

Κατά τη διάρκεια της μετάδοσης της ταχύτητας, κάθε μικροσκοπικό γεωμετρικό σφάλμα, απόκλιση συναρμολόγησης ή ελάττωμα υλικού μπορεί να μετατραπεί σε πηγή κραδασμών και θορύβου κατά την οδόντωση. Για τα κιβώτια των τροχιοδρομικών τρένων, ο υψηλός θόρυβος επηρεάζει όχι μόνο την άνεση των επιβατών, αλλά επίσης επιδεινώνει τη ζημιά από κόπωση σε εξαρτήματα όπως οι δίσκοι και οι οδοντωτοί τροχοί, με αποτέλεσμα τη συρρίκνωση της διάρκειας ζωής ολόκληρης της μηχανής. Χωρίς να αλλάξουμε το υλικό και το σχήμα μετάδοσης, μέσω επιστημονικών δοκιμών και βελτιστοποίησης NVH, μπορούμε να επιτύχουμε τα διπλά οφέλη μείωσης του θορύβου και βελτίωσης της διάρκειας ζωής.

Οι κραδασμοί και ο θόρυβος που παράγονται στο κιβώτιο μεταδίδονται σε άλλα μέρη του οχήματος μέσω της απόκρισης του κελύφους. Η πηγή διέγερσης είναι κυρίως το σφάλμα μετάδοσης, και οι διαδρομές μετάδοσης περιλαμβάνουν οδόντωση-άξονας-έδρανο-κέλυφος και οδόντωση-αέρας-κέλυφος.

2. Κύριες πηγές θορύβου οδοντωτών τροχών

Σφάλματα προφίλ και έλικας: Η μη ομοιόμορφη οδόντωση που προκαλείται από αυτά τα σφάλματα οδηγεί σε κρούση οδόντωσης, με αποτέλεσμα την αύξηση των κορυφών θορύβου.

Υπερβολική τραχύτητα επιφάνειας οδοντώσεων: Επηρεάζει άμεσα την κατάσταση επαφής των οδοντώσεων και παράγει θόρυβο υψηλής συχνότητας.

Εκκεντρότητα συναρμολόγησης και ακτινική ταλάντωση: Αυτά προκαλούν ανομοιόμορφη δύναμη στα σημεία οδόντωσης, με αποτέλεσμα τη δημιουργία περιοδικού θορύβου.

Επαλληλία συχνότητας συντονισμού: Όταν η συχνότητα οδόντωσης των τροχών είναι κοντά στη συχνότητα συντονισμού του κιβωτίου, του άξονα ή της εξωτερικής δομής, ο θόρυβος ενισχύεται σημαντικά.

3. Μέθοδοι δοκιμής θορύβου οδοντώσεων

3.1 Ακουστική μέτρηση

Χρησιμοποιήστε μικρόφωνα ελεύθερου πεδίου για να μετρηθεί το επίπεδο πίεσης του ήχου (dB) του κιβωτίου ταχυτήτων κατά τη λειτουργία.

Η ανάλυση έντασης ήχου μπορεί να εντοπίσει τις κύριες πηγές θορύβου.

Οι δοκιμές πρέπει να διεξάγονται σε ανηχοϊκή κάμαρα ή ημι-ανηχοϊκό περιβάλλον για να αποφεύγεται η παρεμβολή θορύβου από το περιβάλλον.

Για παράδειγμα, στις ακουστικές δοκιμές τραμ, χρησιμοποιούνται συστοιχίες μικροφώνων για τον εντοπισμό πηγών θορύβου σε εξαρτήματα όπως το πλαίσιο του τραμ, η δομή του συστήματος τροχών και τα στοιχεία του άξονα. Οι ακουστικές περιοχές περιλαμβάνουν το κιβώτιο ταχυτήτων, το κάλυμμα του συστήματος τροχών κ.ά.

3.2 Ανάλυση Δόνησης

Χρησιμοποιήστε τριαξονικούς επιταχυνσιομέτρους για να καταγράψετε σήματα δόνησης σε διάφορες κατευθύνσεις του κιβωτίου ταχυτήτων.

Μέσω ανάλυσης FFT (Γρήγορους Μετασχηματισμούς Fourier), μετατρέψτε τα σήματα δόνησης σε φασματογράμματα για να προσδιορίσετε την παρουσία ανώμαλων συχνοτικών συνιστωσών.

Μπορεί να συνδυαστεί με ανάλυση τάξης για να διακρίνετε τη συχνότητα έμπλεξης των τροχαλιών από δονήσεις άλλων μηχανικών εξαρτημάτων.

Το συχνοτικό φάσμα μπορεί να δείξει το πλάτος που αντιστοιχεί σε διαφορετικές συχνότητες, όπως 1x Τροχαλία, 1x Πινιόν, 1xGMF (Συχνότητα Έμπλεξης Τροχαλίας), 2xGMF, 3xGMF, κ.λπ. Για κυλινδρικούς τροχούς, η ακτινική δόνηση είναι πιο έντονη, ενώ για έλικας τροχούς, η αξονική δόνηση είναι πιο εμφανής.

3.3 Δοκιμή Τραχύτητας Επιφάνειας

Χρησιμοποιήστε μετρητές τραχύτητας επιφάνειας (όπως Taylor Hobson Talysurf) για να μετρήσετε παραμέτρους όπως Ra και Rz της επιφάνειας των δοντιών.

Υπερβολική τραχύτητα επιφάνειας αυξάνει όχι μόνο την τριβή αλλά και τον θόρυβο έμπλεξης.

Για ταχυτήτες υψηλής ταχύτητας, συνιστάται η Ra ≤ 0,4 μm για τη μείωση των συστατικών θορύβου υψηλής συχνότητας.

4. Στρατηγικές βελτιστοποίησης NVH

4.1 Βελτιστοποίηση τροποποίησης επιφάνειας δοντιού

Αποφόρτιση κορυφής και ρίζας: Ελαφρύνετε την επίδραση όταν το ριζικό δόντι μπαίνει σε εμπλοκή.

Καμπύλη επιφάνεια (Crowning): Μειώνει τη συγκέντρωση φορτίου κατά μήκος της κατεύθυνσης του δοντιού. Με τη βελτιστοποίηση της τροποποίησης, η δύναμη εμπλοκής μπορεί να μειωθεί αποτελεσματικά, καταπολεμώντας τον θόρυβο στην πηγή του.

Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι τροποποίησης, όπως οι ελικοειδείς τροχοί με διπλή καμπύλη (double-crowned) με διαφορετικά παραβολικά προφίλ (δευτερεύοντα, τεταρτοβάθμια και εξαβάθμια παραβολικά), οδοντωτοί τροχοί με περιγραμμική καμπύλη (contour crowning) με χαρακτηριστικά όπως η μείωση πίεσης στη βάση και το κενό στην κορυφή, κ.α. Διαφορετικές μέθοδοι τροποποίησης έχουν ως αποτέλεσμα διαφορετικές διαδρομές επαφής κατά την εμπλοκή.

4.2 Βελτίωση της τραχύτητας επιφάνειας

Χρησιμοποιήστε τεχνολογίες ακριβείας όπως τριψιμού, διόρθωσης (honing) ή στίλβωσης και κυλίσεως για τη μείωση της τραχύτητας της επιφάνειας.

Μέσω της ενίσχυσης κυλίσεως, δεν μειώνεται μόνο η τιμή Ra, αλλά βελτιώνεται επίσης και η ποιότητα του στρώματος επιφανειακής επίστρωσης των δοντιών.

Η επεξεργασία με χοντρικό τροχό (honing) είναι μια αποτελεσματική διαδικασία. Ο άξονας του εργαλείου honing έχει ρυθμιστεί κατάλληλα και το εργαλείο honing (ένας εσωτερικός οδοντωτός τροχός από λειαντικά κεραμικά, όπως η αλουμίνα, με συγκεκριμένη γωνία έλικα) επεξεργάζεται το γρανάζι του τεμαχίου. Κατά τη λειτουργία, η κατεύθυνση επεξεργασίας (επαφής) της επιφάνειας των δοντιών είναι σχεδόν ίδια με αυτήν κατά την πραγματική μετάδοση της κίνησης των γραναζιών.

4.3 Δυναμική Ισορροπία και Ακρίβεια Συναρμολόγησης

Διεξαγωγή δοκιμών δυναμικής ισορροπίας στα γρανάζια και στους άξονες για τη μείωση των πηγών δόνησης.

Έλεγχος της ακτινικής απόκλισης (Fr) και της αξονικής απόκλισης (Fa) κατά τη συναρμολόγηση για να αποφευχθούν οι μη ομοιόμορφες φορτίσεις.

5. Πρότυπα και Απαιτήσεις Δοκιμών

Τα διεθνή και βιομηχανικά πρότυπα έχουν σαφείς απαιτήσεις ως προς τη NVH απόδοση των γραναζιών:

ISO 1328: Καθορίζει τις βαθμίδες ακρίβειας και τα περιθώρια σφαλμάτων των γραναζιών.

ISO 8579: Ασχολείται με τη μέτρηση του θορύβου της μετάδοσης των γραναζιών.

ISO 10816: Καλύπτει πρότυπα παρακολούθησης και αξιολόγησης των κραδασμών.

Ενσωματώνοντας τη δοκιμή NVH στον έλεγχο ποιότητας ολόκληρης της διαδικασίας παραγωγής, μπορεί να εξασφαλιστεί η ησυχία και η σταθερότητα του συστήματος μετάδοσης πριν το προϊόν εγκαταλείψει το εργοστάσιο.

Η δοκιμή NVH των ταχυτήτων δεν αποτελεί μόνο μέρος του εργοστασιακού ελέγχου, αλλά θα πρέπει να διέπει ολόκληρη τη διαδικασία σχεδιασμού, κατεργασίας και συναρμολόγησης των ταχυτήτων. Μέσω συστηματικής ακουστικής μέτρησης, ανάλυσης των κραδασμών και μέτρησης της τραχύτητας της επιφάνειας, σε συνδυασμό με τη βελτιστοποίηση των τροποποιήσεων και της τεχνολογίας ακριβείας κατεργασίας, μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά η ησυχία λειτουργίας και η διάρκεια ζωής του κιβωτίου ταχυτήτων, χωρίς αύξηση του κόστους. Αυτό δεν αποτελεί μόνο έκφραση της ανταγωνιστικότητας του προϊόντος, αλλά και αναπόφευκτη τάση στην υψηλής ποιότητας ανάπτυξη της σύγχρονης μηχανολογικής βιομηχανίας.