Kiểm tra bánh răng và kiểm soát chất lượng: Các phương pháp thử NVH bánh răng

Trong các lĩnh vực vận tải đường sắt hiện đại, hàng không và thiết bị cơ khí cao cấp, hệ thống truyền động bánh răng không chỉ yêu cầu hiệu suất và độ tin cậy cao mà còn phải có khả năng NVH xuất sắc (Noise - Tiếng ồn, Vibration - Dao động, Harshness - Độ giật). Mức độ NVH ảnh hưởng trực tiếp đến trải nghiệm người dùng và tuổi thọ thiết bị, đồng thời còn tác động sâu sắc đến chi phí bảo trì và hình ảnh thương hiệu. Bài viết này sẽ giới thiệu một cách hệ thống các phương pháp thử nghiệm, các yếu tố ảnh hưởng và chiến lược tối ưu hóa liên quan đến NVH bánh răng.

1. Tầm quan trọng của NVH trong hộp số

Trong quá trình truyền động hộp số, bất kỳ sai số hình học nhỏ nào, sai lệch lắp ráp hoặc khuyết tật vật liệu đều có thể chuyển hóa thành nguồn rung động và tiếng ồn trong quá trình ăn khớp. Đối với hộp số tàu điện đường sắt, tiếng ồn cao không chỉ ảnh hưởng đến sự thoải mái của hành khách mà còn làm trầm trọng thêm hư hại do mỏi ở các bộ phận như ổ trục và bánh răng, từ đó rút ngắn tuổi thọ của toàn bộ thiết bị. Mà không cần thay đổi vật liệu và phương án truyền động, thông qua kiểm tra và tối ưu hóa NVH một cách khoa học, chúng ta có thể đạt được hai lợi ích kép là giảm tiếng ồn và kéo dài tuổi thọ.

Rung động và tiếng ồn sinh ra trong hộp số được truyền đến các bộ phận khác của phương tiện thông qua phản ứng của vỏ máy. Nguồn kích thích chủ yếu là sai số truyền động, và các đường dẫn truyền bao gồm bánh răng-trục-ổ trục-vỏ máy và bánh răng-không khí-vỏ máy.

2. Các Nguồn Gây Tiếng Ồn Chính Của Bánh Răng

Sai Số Biên Dạng Răng và Sai Số Đường Xoắn Ốc: Những sai số này gây ra sự ăn khớp không đều, dẫn đến va đập khi ăn khớp, làm tăng các đỉnh tiếng ồn.

Độ nhám bề mặt bánh răng quá cao: Ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái tiếp xúc ăn khớp và tạo ra tiếng ồn tần số cao.

Lệch tâm và độ đảo hướng kính khi lắp ráp: Gây ra lực phân bố không đều tại các điểm ăn khớp, dẫn đến tiếng ồn định kỳ.

Chồng chéo tần số cộng hưởng: Khi tần số ăn khớp của bánh răng gần với tần số cộng hưởng của hộp số, trục hoặc cấu trúc bên ngoài, tiếng ồn sẽ được khuếch đại đáng kể.

3. Các phương pháp thử tiếng ồn bánh răng

3.1 Đo âm thanh

Sử dụng micro trường tự do để đo mức áp suất âm thanh (dB) của hộp số trong quá trình vận hành.

Phân tích cường độ âm thanh có thể xác định các nguồn gây ồn chính.

Việc thử nghiệm nên được thực hiện trong phòng không phản xạ âm hoặc môi trường bán vô âm để tránh nhiễu từ tiếng ồn môi trường.

Ví dụ, trong thử nghiệm âm thanh của tàu điện, các mảng micro được sử dụng để phát hiện nguồn gây ồn trong các bộ phận như thân tàu, kết cấu khung chuyển hướng và cụm bánh xe. Các vùng âm thanh bao gồm hộp số, vỏ khung chuyển hướng, v.v.

3.2 Phân tích độ rung

Sử dụng cảm biến gia tốc ba trục để ghi lại tín hiệu rung động theo các hướng khác nhau của hộp số.

Thông qua phân tích FFT (Biến đổi Fourier nhanh), chuyển đổi tín hiệu rung động thành hình ảnh phổ tần số để xác định sự tồn tại của các thành phần tần số bất thường.

Có thể kết hợp với phân tích bậc để phân biệt tần số ăn khớp bánh răng với rung động từ các bộ phận cơ khí khác.

Phổ tần số có thể hiển thị biên độ tương ứng với các tần số khác nhau, ví dụ như 1x Gear, 1x Pinion, 1xGMF (Tần số ăn khớp bánh răng), 2xGMF, 3xGMF, v.v. Đối với bánh răng thẳng, rung động hướng kính rõ rệt hơn, trong khi đối với bánh răng helix, rung động dọc trục rõ ràng hơn.

3.3 Kiểm tra độ nhám bề mặt

Sử dụng máy đo độ nhám bề mặt (ví dụ như Taylor Hobson Talysurf) để đo các thông số như Ra và Rz của bề mặt răng.

Độ nhám bề mặt quá lớn không chỉ làm tăng ma sát mà còn khuếch đại tiếng ồn khi ăn khớp.

Đối với các bánh răng tốc độ cao, nên đảm bảo Ra ≤ 0,4 μm để giảm các thành phần tiếng ồn tần số cao.

4. Chiến lược tối ưu hóa NVH

4.1 Tối ưu hóa sửa dạng mặt răng

Giảm tải đầu và chân răng: Giảm va đập khi chân răng ăn khớp.

Vòm răng: Giảm sự tập trung tải dọc theo hướng răng. Bằng cách tối ưu sửa dạng, có thể giảm hiệu quả lực va đập khi ăn khớp, từ đó kìm hãm tiếng ồn từ nguồn phát.

Có nhiều phương pháp sửa dạng khác nhau, ví dụ như bánh răng nghiêng hai lần vòm với các đường parabol có dạng khác nhau (parabol bậc hai, bậc bốn và bậc sáu), bánh răng vòm biên dạng với các đặc điểm như giảm áp suất đáy và khe hở đỉnh răng, v.v. Các phương pháp sửa dạng khác nhau sẽ tạo ra các quỹ đạo tiếp xúc khác nhau trong quá trình ăn khớp.

4.2 Cải thiện độ nhám bề mặt

Sử dụng công nghệ mài chính xác, mài sửa tinh hoặc đánh bóng và cán để giảm độ nhám bề mặt.

Thông qua việc gia cường lăn, không chỉ có thể giảm giá trị Ra mà còn cải thiện được chất lượng lớp bề mặt răng được tôi cứng.

Là một quy trình hiệu quả. Trục của dụng cụ mài nghiền được đặt ở góc độ phù hợp, dụng cụ mài nghiền (một bánh răng nội bộ được gia công chính xác từ gốm mài mòn như nhôm oxit với góc xoắn cụ thể) thực hiện gia công bánh răng chi tiết. Trong quá trình vận hành, hướng gia công (tiếp xúc) trên bề mặt răng gần như giống với hướng trong quá trình ăn khớp thực tế của bánh răng.

4.3 Cân Bằng Động Và Độ Chính Xác Lắp Ráp

Thực hiện kiểm tra cân bằng động đối với bánh răng và trục để giảm nguồn rung động.

Kiểm soát độ đảo hướng kính (Fr) và độ đảo dọc trục (Fa) trong quá trình lắp ráp nhằm tránh tải trọng phân bố không đều.

5. Tiêu Chuẩn Và Yêu Cầu Kiểm Tra

Các tiêu chuẩn quốc tế và ngành có quy định rõ ràng về yêu cầu đối với hiệu năng NVH của bánh răng:

ISO 1328: Quy định các cấp chính xác và phạm vi sai số của bánh răng.

ISO 8579: Quy định về đo tiếng ồn truyền động bánh răng.

ISO 10816: Bao gồm các tiêu chuẩn giám sát và đánh giá độ rung.

Bằng cách tích hợp kiểm tra NVH vào kiểm soát chất lượng của toàn bộ quy trình sản xuất, độ yên tĩnh và ổn định của hệ thống truyền động có thể được đảm bảo trước khi sản phẩm xuất xưởng.

Kiểm tra NVH cho bánh răng không chỉ là một phần của quy trình kiểm tra nhà máy mà còn cần được thực hiện xuyên suốt trong toàn bộ quá trình thiết kế, gia công và lắp ráp bánh răng. Thông qua việc đo lường âm thanh một cách hệ thống, phân tích độ rung và đo độ nhám bề mặt, kết hợp với tối ưu hóa biên dạng và công nghệ gia công độ chính xác cao, độ yên tĩnh khi vận hành cũng như tuổi thọ của hộp số có thể được cải thiện đáng kể mà không làm tăng chi phí. Đây không chỉ là minh chứng cho sức cạnh tranh của sản phẩm mà còn là xu thế tất yếu trong phát triển chất lượng cao của ngành chế tạo máy móc hiện đại.