Inspección de Engranajes y Control de Calidad: Métodos para Pruebas NVH de Engranajes

En los campos del transporte ferroviario moderno, la aviación y el equipo mecánico de alta gama, la transmisión por engranajes no solo requiere alta eficiencia y confiabilidad, sino también un excelente desempeño NVH (Noise, Vibration, Harshness). El nivel de NVH afecta directamente la experiencia del usuario y la vida útil, y también tiene un profundo impacto en los costos de mantenimiento del equipo y la imagen de la marca. Este artículo introducirá sistemáticamente los métodos de prueba, los factores que influyen y las estrategias de optimización para NVH de engranajes.

1. Importancia del NVH en Cajas de Engranajes

Durante la transmisión de engranajes, cualquier pequeño error geométrico, desviación en el ensamblaje o defecto del material puede convertirse en una fuente de vibración y ruido durante el engrane. En el caso de cajas de engranaje para trenes de ferrocarril, un alto nivel de ruido no solo afecta el confort del pasajero, sino que también intensifica el daño por fatiga en componentes como rodamientos y engranajes, acortando así la vida útil de toda la máquina. Sin modificar el material ni el esquema de transmisión, mediante pruebas y optimización científica de NVH, podemos lograr la doble ventaja de reducción del ruido y mejora de la vida útil.

Las vibraciones y el ruido generados en la caja de engranajes se transmiten a otras partes del vehículo a través de la respuesta del alojamiento. La fuente de excitación es principalmente el error de transmisión, y las trayectorias de transmisión incluyen engrane-eje-rodamiento-alojamiento y engrane-aire-alojamiento.

2. Principales Fuentes del Ruido de los Engranajes

Errores de Perfil y de la Hélice: Estos errores provocan un engrane irregular que conduce al impacto durante el engrane, resultando en un aumento de los picos de ruido.

Rugosidad excesiva de la superficie de los engranajes: afecta directamente al estado de contacto de los dientes y genera ruido de alta frecuencia.

Excentricidad y desalineación radial del ensamblaje: provocan fuerzas desiguales en los puntos de engrane, lo que conduce a ruido periódico.

Superposición de frecuencias de resonancia: cuando la frecuencia de engrane de los engranajes 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

Utilizar micrófonos de campo libre para medir el nivel de presión sonora (dB) del reductor durante su funcionamiento.

El análisis de intensidad sonora 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 la prueba acústica de tranvías, se utilizan arrays de micrófonos para detectar fuentes de ruido en componentes como el cuerpo del tranvía, la estructura del bogie y los ejes. Las zonas acústicas incluyen el reductor, la cubierta del bogie, etc.

3.2 Análisis de Vibraciones

Utilice acelerómetros triaxiales para registrar las señales de vibración en varias direcciones de la caja de engranajes.

Mediante el análisis de FFT (Transformada Rápida de Fourier), convierta las 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 las vibraciones de otros componentes mecánicos.

El espectro de frecuencias puede mostrar la amplitud correspondiente a diferentes frecuencias, tales como 1x Engranaje, 1x Piñón, 1xGMF (Frecuencia de Engrane de Engranaje), 2xGMF, 3xGMF, etc. Para engranajes rectos, la vibración radial es más prominente, mientras que para engranajes helicoidales, la vibración axial es más evidente.

3.3 Prueba de Rugosidad Superficial

Utilice medidores de rugosidad superficial (como el Taylor Hobson Talysurf) para medir parámetros tales como Ra y Rz de la superficie del diente.

Una rugosidad superficial excesiva no solo aumenta la fricción, sino que también amplifica el ruido de engrane.

Para engranajes de alta velocidad, se recomienda que Ra ≤ 0.4 μm para reducir los componentes de ruido de alta frecuencia.

4. Estrategias de optimización de NVH

4.1 Optimización de modificación de superficie de diente

Alivio en punta y raíz: Aliviar el impacto cuando el diente engrana por la raíz.

Curvado (Crowning): Reducir la concentración de carga a lo largo de la dirección del diente. Al optimizar la modificación, se puede reducir eficazmente la fuerza de impacto de engrane, suprimiendo el ruido desde su fuente.

Existen varios métodos de modificación, como engranajes helicoidales doblemente curvados con diferentes perfiles parabólicos (parábola cuadrática, cuártica y séxtica), engranajes con curvado de contorno que presentan características como reducción de presión en la base y holgura en la punta, etc. Diferentes métodos de modificación resultan en diferentes trayectorias de contacto durante el engrane.

4.2 Mejora de la rugosidad superficial

Utilizar tecnologías de rectificado de precisión, aleación, pulido y laminado para reducir la rugosidad superficial.

Mediante el endurecimiento por laminación, no solo se puede reducir el valor Ra, sino también mejorar la calidad de la capa endurecida de la superficie del diente.

El rectificado es un proceso eficaz. El eje de la herramienta de rectificado se ajusta adecuadamente, y la herramienta de rectificado (un engranaje interno mecanizado con precisión hecho de cerámica abrasiva como 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 en condiciones normales de funcionamiento.

4.3 Equilibrio Dinámico y Precisión de Montaje

Realizar pruebas de equilibrio dinámico en engranajes y ejes para reducir las fuentes de vibración.

Controlar el desplazamiento radial (Fr) y el desplazamiento axial (Fa) durante el montaje para evitar cargas desiguales.

5. Normas y Requisitos de Prueba

Las normas internacionales y sectoriales tienen requisitos claros sobre el rendimiento NVH de los engranajes:

ISO 1328: Especifica los grados de precisión de los engranajes y los rangos de error.

ISO 8579: Trata la medición del ruido en transmisiones de engranajes.

ISO 10816: Cubre normas de monitorización y evaluación de vibraciones.

Al integrar las pruebas de NVH en el control de calidad de todo el proceso de producción, se puede garantizar la tranquilidad y estabilidad del sistema de transmisión antes de que el producto salga de la fábrica.

Las pruebas NVH de engranajes no solo forman parte de la inspección en fábrica, sino que deben aplicarse a lo largo de todo el proceso de diseño, mecanizado y ensamblaje de los engranajes. A través de mediciones acústicas sistemáticas, análisis de vibraciones y medición de la rugosidad superficial, combinadas con optimización de modificaciones y tecnologías de mecanizado de precisión, se puede mejorar significativamente la tranquilidad operativa y la vida útil de la caja de cambios sin incrementar los costos. Esto no solo es un reflejo de la competitividad del producto, sino también una tendencia inevitable en el desarrollo de alta calidad de la fabricación mecánica moderna.