Fuentes de NVH y estrategias sistemáticas de mitigación para las cajas de cambios de alta velocidad

1 Fuentes principales de ruido y vibración en las cajas de cambios de alta velocidad

1.1 Excitaciones internas: la principal fuente de vibraciones y ruido

• Excitación de la rigidez (efecto de malla)
   
  Se deriva de larigidez de malla variable en el tiempoEl cambio periódico en el número de dientes de malla (alternando entre malla de un solo diente y malla de dos dientes) conduce a fluctuaciones periódicas en la rigidez global de la malla.Incluso los engranajes perfectamente fabricados generarán vibraciones debido a este fenómeno., y el cambio periódico se amplifica drásticamente a altas velocidades.
   
  Características: genera vibración y ruido en elFrecuencia de malla de engranajes (GMF = número de dientes × velocidad de rotación)y sus armónicos más altos (2×GMF, 3×GMF, etc.), que es la principal fuente del sonido típico de "chillones" de engranajes de alta velocidad.
• Excitación por error (errores de fabricación e instalación)
   
  La fabricación y la instalación de engranajes perfectos son prácticamente imposibles. Los errores clave incluyen la desviación de tono, el perfil del diente/error de plomo y la rugosidad de la superficie del diente.La desviación de tono causa pequeños impactos de aceleración durante cada cambio de mallaEl perfil del diente/el error de plomo interrumpe el enrejado involute ideal, lo que conduce a impactos de enrejado y enrejado y a una distribución desigual de la carga; la rugosidad de la superficie del diente daña la película de aceite,que produce ruido de fricción de alta frecuencia.
   
  CaracterísticasModula la excitación de la rigidez y generabandas lateralesEsto presenta una estructura "como un peine" en el espectro de frecuencias y causa ruido inestable y "agitado".
• Excitación de deformación termoelástica
   
  A altas velocidades, el calor de fricción sustancial y la pérdida de potencia de malla causan un aumento de temperatura y deformación térmica de los engranajes.La enorme fuerza centrífuga conduce a la deformación elástica de la geometría del engranaje.Estas deformaciones alteran la posición teórica de malla de los engranajes e introducen excitaciones dinámicas adicionales.

1.2 Excitaciones externas y respuestas del sistema

• Desbalance y desalineación
   
  El desequilibrio de la masa en los ejes y engranajes que giran a alta velocidad genera una fuerza centrífuga periódica; mala alineación entre el motor y la caja de cambios, así como entre la caja de cambios y la carga,produce momentos de flexión y fuerzas de cizallamiento adicionales.
   
  Características: Induce vibración a la velocidad de rotación del eje y sus múltiplos, que es la principal fuente de ruido y agitación de baja frecuencia.Incluso un pequeño desequilibrio puede generar una enorme fuerza centrífuga a altas velocidades..
• La emoción
   
  El laminado periódico de los elementos de los rodamientos en las vías de engranaje, combinado con errores de fabricación (por ejemplo, ondulación, rugosidad y rigidez no lineal de los rodamientos),genera una serie de frecuencias características (e.g., frecuencia de la jaula, frecuencia de paso del elemento rodante).
   
  Características: sirve como fuente de vibración de alta frecuencia con componentes de frecuencia complejos. Puede acoplarse con la frecuencia de malla del engranaje, dando lugar a un ruido áspero y penetrante.
• La excitación del lubricante
   
  El lubricante es transportado a la zona de malla por los dientes de engranaje, y la incompresividad del aceite conduce a laefecto de martillo de aceiteAdemás, la fricción entre el aceite y la superficie del engranaje de alta velocidad genera ruido hidráulico.
   
  Características: Produce un ruido de banda ancha "sibilante" o "ruido".
• Resonancia estructural
   
  La resonancia se produce cuando la frecuencia de cualquier excitación coincide con la frecuencia natural de los engranajes, el eje o la carcasa de la caja de cambios,causando una dramática amplificación de la vibración y la amplitud del ruido por decenas o incluso cientos de veces.
   
  Características: Un aumento repentino y brusco de los niveles de vibración y ruido a velocidades de rotación específicas.

2 Estrategias sistemáticas de mitigación y optimización

2.1 Etapa de diseño: Evitar la causa raíz

• Optimización de macro parámetros
  1. Relación de contacto: maximizar las relaciones de contacto transversal y axial (para engranajes helicoidales). una mayor relación de contacto significa que más dientes participan en la malla simultánea y una malla más estable,reducción efectiva de la amplitud de fluctuación de la excitación de la rigidez (objetivo: relación de contacto > 2).
  2. Ángulo de presión y módulo: Adoptar un módulo más pequeño y un ángulo de presión más grande (dentro de los límites de resistencia) para aumentar el grosor del diente, mejorar la rigidez de la malla y reducir la deformación.
  3. Coeficiente de desplazamiento del perfil: Seleccionar un coeficiente de desplazamiento de perfil razonable para optimizar la relación de deslizamiento, evitar el recorte y mejorar el rendimiento de la malla.
   
• La modificación de engranajes es la tecnología más crítica
   
  Es el método básico para compensar errores y deformaciones y lograr una malla suave, con dos tipos clave:
  1. Modificación del perfil dental: ligeramente adelgazar la punta del diente y la raíz para compensar la deformación de la flexión causada por las cargas y los errores de instalación, lograr una transición suave de un solo diente a la malla de doble diente,y reducir significativamente los impactos de las mallas de entrada y salida.
  2. Modificación del plomo de los dientes (coronado): Conveja ligeramente el centro de la anchura del diente para compensar la flexión del eje, la deformación torsional y la desalineación de la instalación,garantizar una distribución uniforme de la carga en el centro del ancho del diente y evitar el contacto de los bordes debido a la concentración de tensión.
      
     El cálculo preciso de la cantidad y la curva de modificación se basa en un software avanzado de diseño de engranajes y una predicción precisa de las cargas reales en condiciones de trabajo.