Hammaspyörätestaus ja laadunvalvonta: menetelmiä hammaspyörä NVH-testaukseen

Modernin raideliikenteen, ilmailun ja korkealuokkaisen mekaanisen varustuksen alalla hammaspyörävälitykseltä vaaditaan ei ainoastaan korkeaa tehokkuutta ja luotettavuutta vaan myös erinomaista NVH-suorituskykyä (Noise, Vibration, Harshness). NVH-taso vaikuttaa suoraan käyttäjäkokemukseen ja käyttöiän pituuteen, ja sillä on myös syvä vaikutus varustuksen huoltokustannuksiin ja brändikuvioon. Tässä artikkelissa esitetään järjestelmällisesti hammaspyörä NVH:n testausmenetelmiä, siihen vaikuttavia tekijöitä ja optimointistrategioita.

1. NVH:n merkitys vaihdelaatikoissa

Vaihteiston toiminnassa jokainen pieni geometrinen virhe, asennusvirhe tai materiaalivirhe voi muuttua laakerin ja hammaspyörän kulumiseen liittyväksi värähtely- ja melunksi. Junien vaihdelaatuihin liittyvä korkea melu ei ainoastaan vaikuta matkustajamukavuuteen, vaan myös lisää komponenttien, kuten laakerien ja hammaspyöräiden, kulumista, mikä lyhentää koko laitteen käyttöikää. Muuttamatta materiaaleja ja vaihtotapaa, tieteellisen NVH-testauksen ja optimoinnin avulla voidaan saavuttaa sekä melun vähentäminen että käyttöiän pidentäminen.

Vaihdelaatikossa syntyvä värähtely ja melu siirtyvät ajoneuvon muihin osiin kotelon vasteen kautta. Lähtölähde on pääasiassa käyttövirhe, ja siirtymispolut sisältävät hammaspyörä-akseli-laakeri-kotelo ja hammaspyörä-ilma-kotelo.

2. Hammaspyörämelun pääasialliset lähteet

Hampaan profiilin ja kierrevirheet: Näiden virheiden aiheuttama epätasainen kudos johtaa hammaspyöräiskuun, mikä lisää melun huippuja.

Liiallinen hammaspyörän pinnan karheus: Se vaikuttaa suoraan hammasparin kosketustilaan ja aiheuttaa korkeataajuuksista melua.

Koossa oleva epäkeskisyys ja säteittäinen heitto: Nämä aiheuttavat epätasaisen voiman hammasparin kosketuskohdissa, mikä johtaa jaksolliseen meluun.

Resonanssitaajuuden summautuminen: Kun hammaspyörän kosketustaajuus on lähellä laatikon, akselin tai ulkoisen rakenteen resonanssitaajuutta, melu voimistuu merkittävästi.

3. Hammaspyörämelun mittausmenetelmät

3.1 Äänimittaus

Käytä vapaakenttämikrofoneja mittaamaan vaihdelaatikon käyntimelun äänipaineen tasoa (dB).

Äänitehovan analyysi voi paikantaa pääasialliset melunlähteet.

Mittaukset tulisi suorittaa äänieristetyssä tilassa tai puoliäänieristetyssä ympäristössä, jotta ympäristömelun vaikutus voidaan välttää.

Esimerkiksi raitiovaunujen äänitestauksessa käytetään mikrofoniryhmiä melulähteiden tunnistamiseen, kuten raitiovaunun rungossa, kehärakenteessa ja pyöräkannoissa. Äänialueisiin kuuluvat vaihdelaatikko, kehäkotelo ja muut vastaavat osat.

3.2 Värähtelyanalyysi

Käytä triakselisia kiihtyvyysantureita värähtelysignaalien tallentamiseen eri suuntiin vaihdelaatikon osalta.

FFT-muunnosanalyysin (Fast Fourier Transform) avulla värähtelysignaalit muutetaan spektrogrammeiksi, joiden avulla voidaan määrittää epänormaalien taajuuskomponenttien esiintyminen.

Sitä voidaan yhdistää järjestysanalyysiin erottaakseen hammaspyörän hampaiden kosketusta aiheutuvan taajuuden muiden mekaanisten komponenttien värähtelyistä.

Taajuusspektri voi näyttää eri taajuuksien amplitudit, kuten 1x Gear, 1x Pinion, 1xGMF (Gear Meshing Frequency), 2xGMF, 3xGMF jne. Suorahampaisille hammaspyörille säteittäinen värähtely on näkyvämpi, kun taas hihna- hammaspyörille aksiaalinen värähtely on selkeämpi.

3.3 Pinnankarheuden mittaus

Käytä pinnankarheusmittareita (kuten Taylor Hobson Talysurf) mittaamaan hammaspyörän pinnan Ra- ja Rz-arvoja.

Liiallinen pinnankarheus ei ainoastaan lisää kitkaa, vaan myös voimistaa hampaiden kosketuksesta aiheutuvaa melua.

Suositellaan, että Ra ≤ 0,4 μm korkean nopeuden hammaspyörille, jotta voidaan vähentää korkeataajuuksisia melukomponentteja.

4. NVH:n optimointistrategiat

4.1 Hammaspinnan muokkauksen optimointi

Hampaan kärjen ja juuren kuormituksen kevennys: Lievittää iskua, kun hampaan juuri ottaa kantaa.

Korostus: Vähennä kuormituksen keskittymistä hampaan suunnassa. Muokkauksen optimoinnilla voidaan vähentää merkittävästi hampaiden kosketusiskua, jolloin melu voidaan hillitä sen lähteessä.

On olemassa useita erilaisia muokkauksia, kuten kaksinkertaisesti korostetut ruuvimaiset hammaspyörät eri paraabeliprofiileilla (toinen aste, neljäs aste ja kuudes aste), profiilin korostuspyörät, joissa on ominaisuuksia, kuten paineen vähentäminen pohjassa ja kärjen vapaus, jne. Eri muokkauksilla saadaan erilaisia kosketuspolkuja hammaspyörissä.

4.2 Pinnan karheuden parantaminen

Tarkkaa hiontaa, tasoitusta tai kiillotusta ja vierintätekniikoita voidaan käyttää pinnan karheuden vähentämiseksi.

Rullatuksen vahvistuksen avulla voidaan paitsi vähentää Ra-arvoa, myös parantaa hampaan pinnan kovakerroksen laatua.

Hionta on tehokas prosessi. Hiontatyökalun akseli asetetaan sopivasti ja hiontatyökalu (tarkasti jauhettu sisähalkaisijainen hammaspyörä, joka on valmistettu kuten alumiinista valmistetusta kovametallista ja tietyllä kierrekulmalla) käsittelee työkappaleen hammaspyörää. Käytön aikana hammaspyörän hampaan pinnan käsittelyn (kosketuksen) suunta on lähes sama kuin varsinaisessa hammaspyörävälityksessä.

4.3 Dynaaminen tasapaino ja kokoamistarkkuus

Suorita hampaiden ja akselien dynaamista tasapainotusta vähentääkseen tärinälähteitä.

Hallitse säteittäisvirta (Fr) ja akselivirta (Fa) kokoamisen aikana, jotta kuormitus jakautuu tasaisesti.

5. Standardit ja testausvaatimukset

Kansallisissa ja teollisuusstandardeissa on selkeitä vaatimuksia hammaspyöräisten NVH-ominaisuuksien osalta:

ISO 1328: Määrittelee hammaspyöräisten tarkkuusluokat ja virhearvot.

ISO 8579: Käsittelee hammaspyörävälityksen melumittauksia.

ISO 10816: Kattaa värähtelyn seurauksen ja arviointistandardit.

Kotelo integroida NVH-testaus tuotannon koko tuotantoprosessin laadunvalvontaan, vaihdelaatikon hiljaisuus ja vakaus voidaan taata ennen kuin tuote lähtee tehtaalta.

Vaihdelaatikoiden NVH-testaus ei ole vain osa tehtaan tarkastusta, vaan sen tulisi kattaa koko vaihdelaatikoiden suunnittelun, valmistuksen ja kokoonpanoprosessi. Järjestelmällisten äänimittausten, värähtelyanalyysien ja pinnankarheusmittausten avulla, yhdistämällä muokkauksen optimointi ja tarkkuusvalmistusteknologia, vaihdelaatikon käyttöhiljaisuutta ja käyttöikää voidaan parantaa ilman kustannusten lisääntymistä. Tämä ei ole vain tuotteen kilpailukyvyn ilmentämistä, vaan myös välttämätön suunta modernin koneenrakennuksen korkealaatuiseen kehitykseen.