Metody kontroly a zajištění kvality ozubených kol: Metody NVH testování ozubených kol

V oblastech moderní kolejové dopravy, leteckého průmyslu a vysoce výkonného strojního zařízení nevyžaduje přenos ozubenými koly pouze vysokou účinnost a spolehlivost, ale také vynikající NVH výkon (Noise, Vibration, Harshness). Úroveň NVH přímo ovlivňuje uživatelskou zkušenost a životnost, a také významně působí na náklady na údržbu zařízení a obraz značky. Tento článek systematicky představí metody testování, vlivové faktory a strategie optimalizace NVH ozubených kol.

1. Význam NVH u převodovek

Během přenosu ozubeného kola mohou být jakékoli drobné geometrické chyby, odchylky při montáži nebo materiálové vady přeměněny na zdroje vibrací a hluku během zabírání. Pokud jde o převodovky kolejových vozidel, vysoká hladina hluku neovlivňuje pouze pohodlí cestujících, ale také zhoršuje únavové poškození komponentů, jako jsou ložiska a ozubená kola, čímž se zkracuje životnost celého zařízení. Bez změny materiálu a přenosového schématu můžeme pomocí vědeckého testování a optimalizace NVH dosáhnout dvojího prospěchu – snížení hluku a prodloužení životnosti.

Vibrace a hluk generované v převodovce se přenášejí na ostatní části vozidla prostřednictvím odezvy skříně. Zdroj buzení tvoří především přenosová chyba a přenosové cesty zahrnují ozubené kolo – hřídel – ložisko – skříň a ozubené kolo – vzduch – skříň.

2. Hlavní zdroje ozubeného hluku

Chyby profilu zubu a šikmých čar: Nerovnoměrné zabírání způsobené těmito chybami vede k nárazům při zabírání, což má za následek nárůst hladiny hluku.

Nadměrná drsnost povrchu ozubeného kola: Přímo ovlivňuje stav styku ozubení a generuje hluk o vysoké frekvenci.

Ecentricita a radiální házení při montáži: Tyto faktory způsobují nerovnoměrné zatížení v místech ozubení a vedou k periodickému hluku.

Překrytí rezonančních frekvencí: Pokud je frekvence ozubení blízká rezonanční frekvenci skříně, hřídele nebo vnější konstrukce, hluk bude výrazně zesílen.

3. Metody měření hluku ozubených kol

3.1 Akustické měření

K měření hladiny zvukového tlaku (dB) při provozu převodovky použijte mikrofony ve volném poli.

Analýza intenzity zvuku může lokalizovat hlavní zdroje hluku.

Měření by mělo být prováděno v bezodrazové komoře nebo polobezechovém prostředí, aby bylo zabráněno rušení okolním hlukem.

Například při akustickém testování tramvají se pole mikrofonů používají k detekci zdrojů hluku v komponentech, jako je tramvajové vozidlo, podvozek nebo díly kol. Akustické oblasti zahrnují převodovku, kryt podvozku atd.

3.2 Analýza vibrací

Použijte trojosé akcelerometry k záznamu vibračních signálů v různých směrech převodovky.

Prostřednictvím FFT (Fast Fourier Transform) analýzy převeďte vibrační signály na spektrogramy, abyste určili přítomnost abnormálních frekvenčních komponent.

Lze ji kombinovat s analýzou řádů, abyste odlišili frekvenci ozubení od vibrací jiných mechanických komponent.

Frekvenční spektrum může zobrazit amplitudy odpovídající různým frekvencím, jako např. 1x Gear, 1x Pinion, 1xGMF (Gear Meshing Frequency), 2xGMF, 3xGMF atd. U přímých ozubených kol je radiaální vibrace výraznější, zatímco u šikmých ozubených kol je více patrná vibrace axiální.

3.3 Měření drsnosti povrchu

Použijte měřiče drsnosti povrchu (např. Taylor Hobson Talysurf) k měření parametrů drsnosti povrchu, jako jsou Ra a Rz.

Nadměrná drsnost povrchu nejen zvyšuje tření, ale také zvyšuje hlučnost ozubení.

Pro ozubená kola pro vysoké rychlosti se doporučuje Ra ≤ 0,4 μm, aby se snížily vysokofrekvenční šumové komponenty.

4. Strategie optimalizace NVH

4.1 Optimalizace úprav boků zubů

Zbělení a vyklenutí zubů: Zmírnění nárazu při zapojování zubového kmene.

Duté boky zubů: Snížení koncentrace zatížení ve směru zubů. Optimalizací úpravy lze účinně snížit sílu nárazu při ozubení a potlačit šum již v místě vzniku.

Existuje několik způsobů úpravy, například šikmá ozubená kola s dvojitým dutým bokem zubů s různými parabolickými profily (kvadratické, bikvadratické a šestého stupně), ozubená kola s úpravou konturu se znaky jako snížení tlaku na dně a vůle na špičce zubu apod. Různé způsoby úpravy vedou k různým průběhům styku při ozubení.

4.2 Zlepšení povrchové drsnosti

Použití technologií přesného broušení, honování nebo leštění a valivého dokončování k snížení povrchové drsnosti.

Prostřednictvím valivého zušlechťování lze nejen snížit hodnotu Ra, ale také zlepšit kvalitu povrchové kalené vrstvy zubu.

Dochucování je účinný proces. Os hrotu na dochucování je vhodně nastavena a hrot na dochucování (přesně opracované vnitřní kolo vyrobené z abrazivní keramiky, jako je například oxid hlinitý, s určitým úhlem stoupání závitů) zpracovává ozubené kolo obrobku. Během provozu je směr zpracování (kontaktu) povrchu zubu téměř stejný jako při skutečném ozubení při spolupůsobení kol.

4.3 Dynamická rovnováha a přesnost montáže

Provést dynamické vyvažovací zkoušky ozubených kol a hřídelů za účelem snížení zdrojů vibrací.

Během montáže kontrolovat radiální házení (Fr) a axiální házení (Fa), aby nedocházelo k nerovnoměrnému zatížení.

5. Normy a zkušební požadavky

Mezinárodní a odvětvové normy stanovují jasné požadavky na NVH výkon ozubených kol:

ISO 1328: Určuje přesnostní třídy ozubených kol a rozsahy chyb.

ISO 8579: Zaměřuje se na měření hluku při přenosu ozubených kol.

ISO 10816: Zahrnuje normy pro sledování a vyhodnocování vibrací.

Integrací NVH testování do kontroly kvality v celém výrobním procesu lze zajistit tichost a stabilitu převodového systému ještě před opuštěním výrobku továrnou.

NVH testování převodových kol není pouze součástí tovární kontroly, ale mělo by být uplatněno v celém procesu návrhu, zpracování a montáže převodových kol. Prostřednictvím systémového akustického měření, analýzy vibrací a měření drsnosti povrchu, ve spojení s optimalizací úprav a přesnými zpracovatelskými technologiemi, lze výrazně zlepšit provozní tichost a životnost převodovky, aniž by došlo ke zvýšení nákladů. Toto opatření představuje nejen projev konkurenceschopnosti výrobku, ale také nezbytný trend kvalitativního rozvoje moderního strojírenského průmyslu.