Повышенная вибрация и шум в зубчатых передачах – проблема, с которой сталкивался практически каждый инженер-механик.
Вы выполнили необходимые расчеты и чертежи, и 3D-модель выглядит безупречно. Однако, когда прототип прибывает и включается,-слышна сильная вибрация и пронзительный шум. На этом этапе первая реакция многих людей — винить плохую точность обработки или неправильную сборку.
Но так ли это на самом деле?
Основная причина вибрации шестерни заключается не в механической обработке или сборке.
Зацепление зубчатых колес по своей сути является периодическим процессом. По мере того как каждая пара зубьев переходит от зацепления к расцеплению, жесткость зацепления постоянно меняется. Эти периодические колебания жесткости-в сочетании с ошибками профиля зубьев, производственными отклонениями и даже-общим резонансом системы-генерируют вибрацию. А вибрация является источником шума.
Эти вибрации передаются через валы к подшипникам, а затем к корпусу коробки передач. Корпус действует как громкоговоритель, усиливая вибрацию, превращая ее в шум, который мы слышим.
Итак, вывод таков: фундаментальная природа вибрации и шума — это вопрос проектирования, а не производства.
Коэффициент контакта: первый упущенный из виду ключевой параметр
Многие инженеры при проектировании шестерен сосредотачиваются исключительно на прочности и межосевом расстоянии, рассматривая передаточное отношение как второстепенный вопрос,-пока оно «достаточно».
Однако передаточное число напрямую определяет плавность зацепления шестерен. Более высокий коэффициент контакта означает, что одновременно задействовано больше зубьев; нагрузка распределяется на большее количество зубов, уменьшая силу, воздействующую на каждую отдельную пару. Следовательно, удар во время включения и выключения сводится к минимуму, что, естественно, приводит к снижению вибрации.
Коэффициент контакта для прямозубых зубчатых колес обычно находится в диапазоне от 1 до 2, тогда как для косозубых шестерен может достигаться от 2 до 2,5. Данные показывают, что увеличение коэффициента контакта с 1,19 до 2,07 может снизить шум на 4 дБ при 1000 об/мин и на 6 дБ при 2000 об/мин. Косозубые шестерни на 3–10 дБ тише прямозубых, и основной причиной этого является их более высокий коэффициент контакта.
Передаточное число: избегайте целочисленных значений
Расчет передаточного отношения в виде целого числа,-например, 2:1 или 3:1, может выглядеть красиво, но создает серьезные проблемы. Целочисленное передаточное число означает, что одна и та же пара зубьев многократно зацепляется, концентрируя износ на определенных зубьях. По мере износа увеличивается вибрация и шум. Небольшое отклонение от целочисленного соотношения нарушает фиксированный рисунок зацепления, распределяя износ более равномерно и значительно снижая вибрацию.
Модуль и количество зубьев: большие или маленькие?
При условии соблюдения требований по межосевому расстоянию и прочности предпочтительна конструкция с большим количеством зубьев и меньшим модулем.
Благодаря большему количеству зубьев и меньшему модулю расстояние между зубьями меньше, что приводит к более равномерному распределению жесткости шестерни. Изменения жесткости во время зацепления происходят более плавно, что снижает удары и, следовательно, вибрацию. Это вопрос контроля вибрации, а не только прочности конструкции.
Резонанс-Убийца, которого легко не заметить
Каждая механическая система имеет собственную частоту. Если рабочая скорость передачи приближается к этой частоте, возникает резонанс.
Как только возникает резонанс, амплитуда вибрации резко увеличивается, уровень шума резко возрастает, а износ шестерен ускоряется; в тяжелых случаях зубы могут даже сломаться. Модальный анализ необходим на этапе проектирования для точного расчета собственной частоты системы; в идеале рабочая скорость должна отклоняться от этой частоты как минимум на 20–30%.
Ширина лица: больше не всегда лучше
Хотя более широкая лицевая сторона увеличивает-несущую способность, чрезмерная ширина приводит к неравномерному распределению нагрузки,-когда одна сторона воспринимает большую силу, чем другая,-и тем самым увеличивает вибрацию.
Как правило, рекомендуется поддерживать коэффициент ширины лица ниже 1,4. Особое внимание необходимо уделять консольным конструкциям, где коэффициент должен оставаться ниже 0,8; для конструкций с симметричной опорой приемлем диапазон от 1,2 до 1,4.
Модификация зубов: сильно недооцененный метод
Модификация зубьев — один из наиболее эффективных способов снижения вибрации и шума шестерен, однако многие считают его хлопотным или ненужным.
Модификация профиля зуба включает удаление небольшого количества материала с кончика или корня зуба. Цель состоит в том, чтобы устранить воздействие при входе и выходе сетки. В стандартных эвольвентных передачах упругая деформация во время зацепления может привести к тому, что вершина зуба столкнется с корнем зуба сопряженной шестерни; удаление этого небольшого количества материала устраняет воздействие.
Решения Gear NVH – Wuhan Rongshengqi Technology Co., Ltd.
Модификация трассы зуба, включая коронку и модификацию профиля K-. Под нагрузкой шестерни подвергаются изгибу и кручению, в результате чего линия контакта по ширине зуба смещается. Модификация зуба включает предварительное-придание профилю зуба «корончатой» или «К-образной» формы, чтобы под нагрузкой он принимал идеальную прямую-схему контакта.
Тематические исследования показывают, что соответствующая модификация микро-геометрии может снизить шум редуктора более чем на 18 %. Такие модификации позволяют снизить ошибку передачи до 56% и снизить шум на 4 дБ.
После модификации необходимо проверить рисунок контакта. В условиях отсутствия-нагрузки рисунок контакта должен располагаться в пределах 50–60 % ширины зуба.
Валы и подшипники: «магистрали» для передачи вибрации
Вибрация шестерни передается через вал к подшипникам, а затем к корпусу. Жесткость вала напрямую влияет на распределение нагрузки по ширине зуба. Если вал слишком гибкий, шестерня наклоняется под нагрузкой, что приводит к неравномерности нагрузки и повышенной вибрации. Деформацию изгиба вала рекомендуется ограничивать в пределах 0,01–0,02 модуля.
Основы подшипников_Последние новости_Bearing Knowledge_Mobei.com
Критических скоростей также следует избегать. Валы имеют свои собственные частоты; рабочие скорости должны отличаться от них как минимум на ±20–30%.
Выбор правильного зазора подшипника имеет решающее значение. Выберите зазор CN или C2 для нормальных рабочих температур и C3 или C4 для условий высоких-температур.
Существует золотое правило расположения подшипников: заблокируйте один конец и оставьте другой плавать. Если оба конца заблокированы, тепловому расширению некуда идти; вал «заклинивает», что приводит к сильной вибрации. Если оба конца плавают, происходит чрезмерное осевое перемещение, что также приводит к высокой вибрации. Фиксированное-плавающее расположение является наиболее рациональным решением.
Жесткость корпуса подшипника также должна быть достаточной. Если толщина стенки недостаточна, добавьте радиальные ребра жесткости. Деформация корпуса должна оставаться в пределах половины величины модификации зуба.
Смазка: больше, чем просто предотвращение износа
Многие люди думают, что смазочное масло предназначено исключительно для смазки и предотвращения износа. На самом деле масляная пленка также обеспечивает демпфирующий эффект.
Достаточно толстая масляная пленка между поверхностями зубьев смягчает прямые удары и снижает вибрацию. Если пленка слишком тонкая или вязкость недостаточна, при работе на высоких-скоростях происходит прямой контакт-к-зубьям, что приводит к увеличению вибрации и шума. Вернемся к первоначальному вопросу: кто на самом деле виноват в чрезмерной вибрации и шуме?
Структура передачи вибрации, путь передачи, проводимость импульса - Галерея изображений Dashangu
Есть ли проблемы с точностью обработки? Возможно. Есть ли проблемы со сборкой? Это тоже возможно.
Однако в 90% случаев первопричина кроется в конструкции.
Неправильный расчет коэффициента контакта, передаточное отношение, заданное целыми числами, неправильный выбор модулей и количества зубьев, отсутствие анализа резонанса, чрезмерный коэффициент ширины торца, невыполнение модификации профиля зуба, недостаточная жесткость вала, неудачная компоновка подшипников...
Это проблемы, которые невозможно решить механической обработкой или устранить во время сборки.
Итак, если ваш прототип демонстрирует чрезмерную вибрацию и шум, не вините сразу механический цех; сделайте шаг назад и сначала просмотрите свой дизайн.
