¡Escucha el sonido de los engranajes y explora los misterios de la transmisión de potencia!

Haz clic en el texto azul para seguirnos. Este artículo cubre principalmente la complejidad del ruido de los engranajes y los principios de diseño fundamentales para reducir el ruido de los engranajes.

La Complejidad del Ruido de los Engranajes

La complejidad del ruido de los engranajes se puede resumir generalmente en cuatro aspectos clave.

Todavía existe una falta de correlación fiable entre los valores de medición de ruido objetivos y la evaluación subjetiva. De hecho, la calidad del sonido del ruido afecta en gran medida la percepción subjetiva humana. En la actualidad, los métodos de evaluación objetivos de la calidad del sonido son insuficientes, y las pruebas subjetivas en carretera de los vehículos se adoptan en su mayoría para la verificación final del rendimiento NVH de los sistemas de propulsión eléctrica.

Los seres humanos tienen errores de discriminación relativamente grandes para el ruido. Tomando la sonoridad como ejemplo, un solo probador tiene un error de probabilidad de ±6 fon (equivalente a ±6 dB a 1000 Hz), lo que significa que el probador apenas puede distinguir ruidos con una variación de 4:1 en el nivel de presión sonora. El error de probabilidad de discriminación de la sonoridad puede reducirse cuando es evaluado por un grupo de prueba de varias personas. Sin embargo, todavía existen errores debido al efecto de enmascaramiento del ruido ambiental. Para una evaluación de ruido más precisa, se utilizan comúnmente instrumentos acústicos en una cámara anecoica para obtener datos de prueba fiables.

Numerosos parámetros de diseño afectan el ruido de los engranajes, y estos parámetros interactúan entre sí. La complejidad inherente de los perfiles de los dientes de los engranajes significa que la modificación de un parámetro puede cambiar fácilmente otras características geométricas del par de engranajes.

Las tolerancias de fabricación imponen impactos en la evaluación del diseño optimizado. Es imposible fabricar dos engranajes idénticos en producción en masa. Por lo tanto, la evaluación de las modificaciones del diseño de los engranajes debe basarse en resultados estadísticos de un gran lote de engranajes dentro del rango de tolerancia de fabricación admisible. Esto conduce a un cierto riesgo de juicio erróneo en la evaluación NVH en la etapa de prototipo, e incluso el rendimiento NVH puede deteriorarse en la fase inicial de producción en masa.

En general, la mayoría de las soluciones prácticas de control de ruido de engranajes se acumulan a partir de la experiencia de proyecto de los fabricantes en lugar de una estricta derivación teórica.

Dos Tipos de Mecanismos de Generación de Ruido

1. Ruido de Aceleración

Cuando los engranajes engranan, el impacto genera una aceleración significativa en los componentes del engranaje y perturba el medio circundante. Esta perturbación produce radiación acústica, que primero se propaga a través del aire y el aceite lubricante dentro del reductor, y finalmente se irradia hacia afuera a través de la carcasa de la caja de cambios.

2. Ruido Autoexcitado

Bajo la fuerza de engrane dinámico, se produce vibración en cada componente del engranaje. Dicha vibración se transfiere a través de los ejes de los engranajes y excita la vibración de la carcasa, luego irradia ruido a través de la vibración de las superficies de la pared de la caja. El ruido autoexcitado sirve como la fuente principal de ruido de los engranajes.

La manifestación externa de la fuerza de excitación dinámica durante el engrane de los dientes es el error de transmisión del par de engranajes.

Principios de Diseño para Reducir el Ruido de los Engranajes

Los parámetros de diseño clave sensibles relacionados con el ruido de los engranajes incluyen el módulo, el ángulo de presión, el ángulo de hélice, el coeficiente de adición, la estructura del eje y el soporte, la tolerancia del perfil del diente y la modificación del engranaje.

Módulo

Un módulo más pequeño produce menos ruido de engranaje. Sobre la premisa de satisfacer los requisitos de resistencia a la flexión, se prefiere un módulo más pequeño. Para los engranajes de vehículos eléctricos, el módulo puede ser tan bajo como aproximadamente 1.3. La correlación entre el módulo y el ruido del engranaje proviene principalmente de su influencia en la relación de contacto. Tanto la relación de contacto transversal como la relación de contacto axial son funciones lineales del módulo. Un módulo más pequeño aumenta el número de dientes engranados simultáneamente y reduce la carga que soporta cada diente. Bajo la misma relación de contacto, los engranajes con módulos más pequeños engranan más cerca del círculo de paso, lo que reduce la relación de deslizamiento y la sensibilidad a la desviación involuta, permitiendo un funcionamiento más suave del engranaje.

Ángulo de Presión

Seleccionar un ángulo de presión más pequeño ayuda a reducir el ruido de los engranajes. La relación de contacto transversal aumenta rápidamente con la disminución del ángulo de presión. Un ángulo de presión reducido disminuye la tasa de engrane y la carga dinámica instantánea al inicio y al final del engrane. Un ángulo de presión más pequeño reduce la rigidez del diente y la fluctuación de carga causada por errores dimensionales, para reducir el nivel de ruido.

Sin embargo, un ángulo de presión excesivamente pequeño hace que el punto de engrane inicial esté demasiado cerca del círculo base, lo que resulta en una alta relación de deslizamiento y un aumento del estrés de flexión y del estrés de contacto. Considerando la cadena de tolerancias completa, la distancia radial entre el punto de contacto más bajo y el círculo base se controla normalmente entre 0.125 mm y 0.25 mm.

Ángulo de Hélice

Un ángulo de hélice más grande es beneficioso para la reducción de ruido. Sin embargo, un ángulo de hélice excesivo generará una carga axial pesada que puede exceder la capacidad de carga axial de los rodamientos. Si los rodamientos de bolas no pueden cumplir el requisito de carga y se deben adoptar rodamientos de rodillos cilíndricos, la eficiencia de transmisión disminuirá.

Coeficiente de Adición

El principio de selección del coeficiente de adición es obtener un ángulo de aproximación pequeño y un ángulo de retroceso grande. Para engranajes helicoidales, la línea de contacto a lo largo del ancho del diente está inclinada. El deslizamiento ocurre simultáneamente en ambos lados del diámetro de paso de un solo diente. Si la superficie del engranaje tiene baja rugosidad y buena lubricación, la fuerza de fricción no será excesiva, y su influencia en el ruido es insignificante. Para engranajes rectos, el engrane durante la fase de retroceso opera más silenciosamente. En la fase de aproximación, la carga normal aumenta junto con la fuerza de fricción, lo que genera un mayor ruido de engrane.

Estructura del Eje y Soporte

Los parámetros de diseño, incluida la rigidez de los ejes y soportes, la concentricidad y la excentricidad radial, ejercen influencias obvias en el ruido de los engranajes. La deformación por flexión causada por una rigidez insuficiente, junto con una excentricidad excesiva y una excentricidad radial, destruirá la condición de engrane adecuada e inducirá ruido.

Al disponer los ejes y soportes, minimice la distancia entre los soportes para limitar la deformación del eje bajo carga. Las estrías en los ejes deben tener en cuenta el efecto de desgaste causado por la dirección del par, evitando ruidos anormales originados por el desgaste de las estrías.

La carcasa de la caja de cambios debe diseñarse con suficiente rigidez. Una rigidez insuficiente de la carcasa empeorará el rendimiento del ruido.

Tolerancia de Dientes y Modificación de Engranajes

La modificación de engranajes se adopta ampliamente para optimizar el rendimiento del ruido. La modificación se clasifica en tres categorías: modificación de perfil (a lo largo de la dirección de la altura del diente), modificación de avance (a lo largo de la dirección del ancho del diente) y modificación topológica integral. Estas tecnologías se utilizan más comúnmente en reductores de nueva energía para la optimización NVH, la reducción del error de transmisión y la mejora de la distribución de carga.

1. Alivio de Punta

• Microeliminación de material de un segmento corto de involuta en la punta del diente; las curvas disponibles incluyen línea recta, arco circular y parábola.
• Funciones: contrarrestar la deformación elástica de los dientes de engranaje cargados, reducir el impacto de entrada y salida de engrane correspondiente al ángulo de aproximación, cortar vibraciones y ruido, y evitar la interferencia del borde de la punta. Es una modificación obligatoria para los engranajes de e-drive de automóviles de pasajeros.
• Tres factores clave: punto de inicio del alivio, cantidad máxima de modificación y curva de alivio.

2. Alivio de Raíz

• Eliminación de material de la involuta en la zona de la raíz del diente. Usar con precaución ya que debilita la resistencia a la flexión de la raíz del diente.
• Escenario de aplicación: proceso de rectificado. El alivio de raíz en el piñón puede reemplazar el alivio de punta en la rueda para optimizar el comportamiento de salida de engrane.

3. Coronamiento de Perfil

• Más grueso en el medio de la altura del diente, con reducción de material tanto en la punta como en la raíz del diente. Compensa la desviación del ángulo de presión y suprime la fluctuación del error de transmisión en todas las condiciones de trabajo, ampliamente aplicado para engranajes de alta velocidad.

4. Modificación del Ángulo de Presión

• Desplazamiento integral de la curva involuta, equivalente a ajustar virtualmente el ángulo de presión, para cambiar la posición de contacto de engrane.

5. Coronamiento de Avance

• Espesor ligeramente mayor del diente en el medio del ancho del diente, con reducción suave de material en ambos extremos (arco circular o parábola).
• Funciones: evitar el contacto de borde en los extremos del diente bajo flexión del eje y desalineación de montaje, concentrar el patrón de contacto en el medio del ancho del diente. El coronamiento de avance es casi obligatorio para los piñones en reductores de e-drive.

6. Modificación del Ángulo de Hélice

• Desplazamiento lineal de la traza del diente a lo largo del ancho del diente, equivalente a un ajuste menor del ángulo de hélice, compensando la inclinación del eje bajo carga y resolviendo la carga desigual unilateral.

7. Alivio de Extremo

• Eliminación de material solo en los dos segmentos extremos del ancho del diente (5-10% del ancho total del diente), mientras que la superficie media del diente permanece sin cambios.
• Diferencia con el coronamiento: el coronamiento presenta una variación suave en todo el ancho del diente; el alivio de extremo solo procesa ambos extremos. Se adapta a engranajes con ancho de diente pequeño y proyectos con costo limitado, evitando la concentración de tensión en las esquinas afiladas de los dientes.

8. Modificación de Giro de Avance

• La cantidad de modificación de avance varía simultáneamente con la altura del diente, compensando la deformación acoplada compleja (flexión del eje más deformación térmica). Principalmente aplicado en cajas de cambios de alta resistencia.

Notas Importantes:

1. Más modificación no significa mejor rendimiento. Una modificación excesiva reduce el ancho efectivo del diente engranado, lo que lleva a un aumento de la tensión y a una vida útil más corta. La cantidad de modificación debe determinarse mediante simulación de deformación bajo carga con software como MASTA, en lugar de depender puramente de la experiencia.
2. Normalmente solo se modifica el piñón; la rueda emparejada adopta poca o ninguna modificación.
3. La modificación de perfil controla el impacto de entrada/salida de engrane y el error de transmisión; la modificación de avance rige la distribución de carga a lo largo del ancho del diente y evita la carga parcial.