Causas del ruido en cajas de cambios y soluciones sugeridas

Tradicionalmente, los tres factores principales para evaluar el rendimiento del reductor de velocidad son la capacidad de carga, la vida útil por fatiga y la precisión operativa, a menudo pasando por alto el ruido de transmisión. Con la sucesiva promulgación de las normas ISO 14000 e ISO 18000, la importancia del control del ruido de transmisión en reductores de velocidad se ha vuelto cada vez más evidente. El desarrollo industrial y las demandas del mercado imponen requisitos más estrictos sobre los errores de transmisión de los reductores y mayores exigencias en el control del ruido.

Actualmente, los factores que contribuyen al ruido en la caja de cambios del reductor de velocidad pueden analizarse desde varios aspectos, incluyendo el diseño, la fabricación, la instalación, el uso y el mantenimiento de los engranajes de malla interna y externa.

Causas de Diseño y Contramedidas

1. Grado de Precisión del Engranaje Dentro del Reductor de Velocidad

Al diseñar reductores de velocidad, los ingenieros suelen considerar factores económicos y determinan el grado de precisión del engranaje de la manera más económica posible, descuidando que el grado de precisión es un indicador del ruido y el juego del engranaje. La Asociación de Fabricantes de Engranajes de América (GMA) ha determinado mediante extensas investigaciones sobre engranajes que los engranajes de alta precisión producen significativamente menos ruido que los engranajes de baja precisión. Por lo tanto, cuando las condiciones lo permitan, se debe aumentar el grado de precisión del engranaje tanto como sea posible para reducir tanto los errores de transmisión como el ruido.

2. Ancho del engranaje dentro del reductor

Cuando el espacio de transmisión del reductor lo permite, aumentar el ancho del diente puede reducir la carga unitaria bajo un par constante. Esto reduce la deflexión del diente, disminuye la excitación del ruido y, por lo tanto, reduce el ruido de la transmisión. La investigación realizada por H. Opaz en Alemania muestra que, a par constante, un ancho de diente más pequeño produce un gradiente de curva de ruido más alto que un ancho de diente más grande. Aumentar el ancho del diente también incrementa la capacidad de carga del engranaje y mejora la capacidad de par del reductor.

3. Paso del diente y ángulo de presión dentro del reductor

Un paso de diente más pequeño asegura que más dientes estén en contacto simultáneamente, aumentando el solapamiento de los engranajes, reduciendo la deflexión individual de los dientes, disminuyendo el ruido de transmisión y mejorando la precisión de la transmisión. Un ángulo de presión más pequeño, debido a un ángulo de contacto del engranaje más grande y una mayor relación de solapamiento lateral, resulta en un ruido de operación más bajo y una mayor precisión.

4. Selección del coeficiente de corrección del engranaje dentro del reductor

La selección correcta y razonable del coeficiente de corrección no solo permite ajustar la distancia entre centros, evitar el tallado en vacío del engranaje, garantizar la concentricidad, mejorar el rendimiento de transmisión del engranaje, aumentar la capacidad de carga y prolongar la vida útil del engranaje, sino también controlar eficazmente el juego, el aumento de temperatura y el ruido. En los engranajes de transmisión cerrada, para engranajes con superficies de dientes endurecidos (dureza: 350 HBS), el modo principal de falla es la fractura por fatiga en la raíz del diente. Este tipo de diseño de transmisión de engranajes se basa generalmente en la resistencia a la fatiga por flexión; al seleccionar el coeficiente de desplazamiento, debe asegurarse de que los dientes engranados tengan igual resistencia a la flexión. Para engranajes con superficies de dientes blandas (dureza <350 HBS), el modo principal de falla es la picadura por fatiga. Este tipo de diseño de transmisión de engranajes se basa generalmente en la resistencia a la fatiga por contacto; al seleccionar el coeficiente de desplazamiento, debe garantizar la máxima resistencia a la fatiga por contacto y la mayor vida útil por fatiga posible.

Las restricciones para seleccionar razonablemente el coeficiente de desplazamiento son:

(1) Asegurar que el engranaje que se está tallando no presente undercutting;

(2) Asegurar la suavidad de la transmisión del engranaje; la relación de contacto debe ser mayor que 1, generalmente mayor que 1,2;

(3) Asegurar que la punta del diente tenga un espesor determinado;

(4) Cuando un par de engranajes engranan, si la evolvente de la punta de un diente contacta con la curva de transición de la raíz del otro engranaje, dado que la curva de transición no es una evolvente, la normal común de los dos perfiles dentales en el punto de contacto no puede pasar por un nodo fijo, lo que provoca una variación en la relación de transmisión y posiblemente atascamiento entre los engranajes. Esta "interferencia de curva de transición" debe evitarse al seleccionar el coeficiente de desplazamiento.

5. Recorte del perfil del diente del engranaje (recorte de flanco y recorte de raíz) y chaflán de la punta del diente dentro del reductor

El perfil del diente en la punta del diente está cortado en una forma ligeramente convexa en comparación con la curva involuta correcta. Cuando la superficie del diente del engranaje se deforma por una fuerza externa, puede evitar interferencias con el engranaje acoplado, reducir el ruido y prolongar la vida útil del engranaje. Es importante tener en cuenta que se debe evitar un recorte excesivo, ya que esto aumenta el error del perfil del diente y tendrá un efecto adverso sobre el engrane.

6. Análisis de las Características de Radiación Acústica del Engranaje

Al seleccionar engranajes con diferentes formas estructurales, se establece un modelo de radiación acústica para la estructura específica y se realiza un análisis dinámico para preevaluar el ruido del sistema de transmisión por engranajes. Esto permite la selección según diferentes requisitos del usuario (lugar de uso, si es no atendido, si está en zonas urbanas, requisitos específicos para edificios subterráneos o sobre rasante, requisitos de protección contra ruido, o sin otros requisitos específicos).

7. Velocidad de Operación de la Fuente de Potencia del Reductor de Engranajes

Las pruebas en el reductor de engranajes bajo diferentes condiciones de velocidad muestran que el ruido aumenta con el incremento de la velocidad de entrada del reductor.

8. Estructura del Cárter de la Caja de Cambios

Estudios experimentales muestran que el uso de un cárter cilíndrico es beneficioso para la reducción de vibraciones. En las mismas condiciones, un cárter cilíndrico presenta un nivel medio de ruido 5 dB inferior al de otros tipos de cárteres. Se realiza una prueba de resonancia en el cárter del reductor de engranajes para identificar las ubicaciones de resonancia. La adición de refuerzos (placas) adecuados puede mejorar la rigidez del cárter, reducir las vibraciones y lograr una reducción del ruido. En transmisiones de múltiples etapas, debe minimizarse el cambio instantáneo de la relación de transmisión para garantizar una transmisión suave, con bajo impacto y vibración, y bajo nivel de ruido.

Causas de Fabricación y Contramedidas

1. Influencia de los Errores Internos de los Engranajes en el Reductor

Los errores en la fabricación de engranajes, incluyendo el error de perfil del diente, la desviación del paso base, el error de dirección del diente y el error de ovalidad radial del anillo del engranaje, son los principales errores que causan ruido en las transmisiones de reductores planetarios. Estos también son factores clave para controlar la eficiencia de transmisión de los reductores planetarios. A continuación, explicaremos brevemente el error de perfil del diente y el error de dirección del diente.

Los engranajes con errores pequeños de perfil del diente y baja rugosidad de la superficie del diente tienen niveles de ruido 10 dB más bajos que los engranajes ordinarios bajo las mismas condiciones de prueba. Los engranajes con errores pequeños de paso del diente tienen niveles de ruido entre 6 y 12 dB más bajos que los engranajes ordinarios bajo las mismas condiciones de prueba. Sin embargo, si existe un error de paso del diente, el impacto de la carga sobre el ruido del engranaje se reducirá.

Un error en la dirección del diente hará que la potencia de transmisión no se transmita a lo largo de todo el ancho del diente. El área de contacto se dirigirá hacia una cara lateral u otra del diente. Debido al aumento del esfuerzo local, el diente se deformará, lo que provocará un incremento del nivel de ruido. Sin embargo, bajo cargas elevadas, la deformación del diente puede compensar parcialmente el error en la dirección del diente.

2. Concentricidad de montaje y equilibrio dinámico

El desalineamiento durante el montaje provocará un desequilibrio en el sistema de ejes, y el engrane irregular de los engranajes (un lado flojo, un lado apretado) agravará aún más el ruido. El desequilibrio durante el montaje de transmisiones de engranajes de alta precisión afectará severamente la precisión del sistema de transmisión.

3. Dureza de la superficie del engranaje dentro del reductor

Con el desarrollo de la tecnología de endurecimiento de engranajes, la alta capacidad de carga, el tamaño pequeño, el peso ligero y la elevada precisión de transmisión han llevado a su aplicación cada vez más amplia. Sin embargo, el proceso de cementación y endurecimiento utilizado para obtener superficies dentadas endurecidas provoca deformaciones en los engranajes, lo que resulta en un aumento del ruido de transmisión y una vida útil reducida. Para reducir el ruido, es necesario mecanizar con precisión la superficie del diente. Actualmente, además de los métodos tradicionales de rectificado de engranajes, se ha desarrollado un método de raspado de superficies dentadas endurecidas. Este método reduce el impacto durante el engrane y desengrane del engranaje modificando la punta y la raíz del diente, o reduciendo el perfil del diente tanto en los engranajes motrices como en los conducidos, reduciendo así el ruido de transmisión del engranaje.

4. Verificación del Rendimiento del Sistema de Caja de Cambios

La precisión de mecanizado de los componentes y el método de selección de los componentes antes del ensamblaje (intercambiabilidad completa, selección por grupos, selección individual, etc.) afectarán al nivel de precisión del sistema ensamblado, y su nivel de ruido también se encuentra dentro del alcance de influencia. Por lo tanto, verificar (o calibrar) varios indicadores del sistema después del ensamblaje es crucial para controlar el ruido del sistema.

Causas de instalación y contramedidas

1. Medidas de reducción e interceptación de vibraciones

Durante la instalación de la caja de cambios, se debe evitar en lo posible la resonancia entre el cuerpo de la caja y el soporte de la base así como las piezas de conexión, para prevenir la generación de ruido. La resonancia suele ocurrir en una o más marchas dentro de la caja de cambios en ciertos rangos de velocidad. Además de razones de diseño, esto está directamente relacionado con no haber identificado la ubicación de resonancia durante las pruebas sin carga ni tomado las medidas correspondientes de reducción o aislamiento de vibraciones. Para algunas cajas de cambios que requieren bajo ruido y vibración en la transmisión, se deben seleccionar materiales de base con alta tenacidad y alto amortiguamiento para reducir el ruido y las vibraciones.

2. Ajuste de la Precisión Geométrica de los Componentes

Si durante la instalación la precisión geométrica no cumple con los requisitos establecidos, pueden producirse resonancias en los componentes de la caja de cambios, lo que genera ruido. Esto está directamente relacionado con mejorar el proceso de instalación, aumentar el uso de utillajes y garantizar la calidad general del personal de montaje.

3. Componentes Suelto

Durante la instalación, el aflojamiento de componentes individuales (como mecanismos de precarga de rodamientos, mecanismos de posicionamiento de ejes, etc.) puede provocar una posición inexacta del sistema, engranaje anormal, movimiento del eje, y vibración y ruido. Esto requiere un enfoque de diseño estructural para garantizar conexiones estables entre los mecanismos y utilizar múltiples métodos de conexión.

4. Componentes de transmisión dañados

Una operación inadecuada durante la instalación puede dañar los componentes de transmisión, lo que provoca un movimiento del sistema inexacto o inestable; el daño a partes móviles de alta velocidad puede causar vibración de la película de aceite; errores humanos pueden provocar desequilibrio dinámico en las piezas móviles; todo esto genera vibración y ruido. Estas causas deben considerarse cuidadosamente y evitarse durante la instalación. Los componentes dañados que no puedan repararse deben reemplazarse para garantizar un nivel estable de ruido en el sistema.

Causas y contramedidas para el uso y mantenimiento
Aunque el uso y mantenimiento adecuados del reductor no pueden reducir el nivel de ruido del sistema ni garantizar la precisión de la transmisión, sí pueden prevenir la degradación del rendimiento y prolongar la vida útil.

1. Limpieza Interna

La limpieza de las piezas internas del reductor es fundamental para su funcionamiento normal. La entrada de cualquier impureza o contaminante afectará y dañará el sistema de transmisión, provocando la generación de ruido.

2. Temperatura de Operación

Asegúrese de que el reductor funcione a su temperatura normal para evitar la deformación de los componentes debido al exceso de aumento de temperatura, garantizar un engrane adecuado de los engranajes y, por lo tanto, prevenir un aumento del ruido.

3. Lubricación Oportuna y Uso Correcto del Aceite

Una lubricación inadecuada y el uso incorrecto de la grasa lubricante causarán daños incalculables al reductor. A altas velocidades, la fricción entre las superficies de los dientes del engranaje genera una gran cantidad de calor. Una lubricación inadecuada provocará daños en los dientes del engranaje, afectando la precisión y aumentando el ruido. El diseño requiere un juego adecuado en el par de engranajes (el espacio entre las superficies no operativas de los dientes acoplados para compensar la deformación térmica y almacenar la grasa lubricante). El uso y selección correctos de la grasa lubricante pueden garantizar un funcionamiento seguro y eficaz del sistema, ralentizar la degradación y estabilizar los niveles de ruido.

4. Uso Correcto del Reductor

El uso correcto del reductor puede minimizar los daños en los componentes y garantizar un nivel estable de ruido. El ruido del reductor aumenta con la carga, por lo que debe utilizarse dentro del rango de carga normal.

5. Mantenimiento y Conservación Periódicos

El mantenimiento regular (cambios de aceite, reemplazo de piezas desgastadas, tornillos sueltos, eliminación de residuos internos, ajuste de holguras de componentes a valores estándar y verificación de la precisión geométrica, etc.) puede mejorar la resistencia del reductor a la degradación del nivel de ruido y mantener condiciones de funcionamiento estables.

El control del ruido en la transmisión del reductor es un proyecto sistemático que abarca todo el proceso del sistema de transmisión (diseño, fabricación, instalación, uso, mantenimiento e incluso reemplazo de engranajes, carcasa, piezas de conexión, rodamientos, etc.). Esto impone numerosas exigencias no solo a diseñadores y fabricantes, sino también a instaladores, usuarios y personal de mantenimiento. Si cualquiera de estos aspectos no se controla eficazmente, el control del ruido en la transmisión de engranajes fracasará.