Przyczyny hałasu skrzyni biegów i proponowane rozwiązania

Tradycyjnie trzy główne czynniki oceny wydajności przekładni to nośność, trwałość zmęczeniowa i dokładność działania, przy czym hałas transmisyjny jest często pomijany. Wraz z kolejnymi wydaniami norm ISO 14000 i ISO 18000 rośnie znaczenie kontroli hałasu generowanego przez przekładnie. Rozwój przemysłu oraz jego wymagania stawiają coraz surowsze warunki dotyczące błędów transmisji przekładni oraz podnoszą oczekiwania w zakresie ograniczania hałasu.

Obecnie czynniki przyczyniające się do hałasu skrzyni biegów reduktora prędkości mogą być analizowane pod kilkoma aspektami, w tym projektowaniem, produkcją, montażem, użytkowaniem i konserwacją wewnętrznego i zewnętrznego zazębienia kół zębatych.

Przyczyny związane z projektem i środki zaradcze

1. Klasa dokładności kół zębatych wewnątrz reduktora

Podczas projektowania przekładni, konstruktorzy często biorą pod uwagę czynniki ekonomiczne i ustalają klasę dokładności przekładni w sposób jak najbardziej ekonomiczny, pomijając fakt, że klasa dokładności jest wskaźnikiem poziomu hałasu oraz luzu w przekładni. Amerykańskie Stowarzyszenie Producentów Przekładni (GMA) na podstawie obszernych badań stwierdziło, że przekładnie o wysokiej dokładności generują znacznie mniej hałasu niż przekładnie o niskiej dokładności. Dlatego też, gdy warunki pozwalają, należy maksymalnie zwiększyć klasę dokładności przekładni, aby zmniejszyć zarówno błędy transmisji, jak i poziom hałasu.

2. Szerokość uzębienia wewnątrz przekładni

Gdy przestrzeń przekładni reducera pozwala, zwiększenie szerokości uzębień może zmniejszyć obciążenie jednostkowe przy stałym momencie obrotowym. To zmniejsza odkształcenie zębów, redukuje wzbudzenie hałasu i w konsekwencji zmniejsza poziom hałasu przekładni. Badania H. Opaz w Niemczech wykazały, że przy stałym momencie obrotowym mniejsza szerokość zęba powoduje wyższy gradient krzywej hałasu niż większa szerokość zęba. Zwiększenie szerokości zęba również zwiększa nośność uzębień oraz poprawia zdolność momentową reducera.

3. Skok uzębień i kąt przyporu wewnątrz reducera

Mniejszy skok uzębień zapewnia większą liczbę zębów w jednoczesnym zazębieniu, zwiększa zazębienie przekładni, zmniejsza odkształcenie poszczególnych zębów, obniża hałas przekładni oraz poprawia dokładność przekładania. Mniejszy kąt przyporu, ze względu na większy kąt kontaktu uzębień i wyższy współczynnik zazębienia bocznego, skutkuje niższym poziomem hałasu podczas pracy oraz wyższą dokładnością.

4. Dobór współczynnika korekcji uzębień wewnątrz reducera

Poprawny i racjonalny dobór współczynnika przesunięcia pozwala nie tylko na dostosowanie odległości osi, uniknięcie podcięcia zębów, zapewnienie współosiowości, poprawę wydajności przekładni zębatej, zwiększenie nośności oraz wydłużenie trwałości kół zębatych, ale również skutecznie kontroluje luzy, wzrost temperatury i hałas. W zamkniętych przekładniach zębatych, dla kół z twardymi powierzchniami zębów (twardość: 350 HBS), głównym sposobem uszkodzenia jest zmęczeniowe pęknięcie zęba u podstawy. Projektowanie tego typu przekładni opiera się zazwyczaj na wytrzymałości zginanej przy obciążeniu zmęczeniowym; przy doborze współczynnika przesunięcia należy zadbać o równą wytrzymałość zginaną współpracujących ze sobą zębów. Dla kół z miękkimi powierzchniami zębów (twardość <350 HBS), głównym sposobem uszkodzenia jest zmęczeniowe pitting. Projektowanie tego typu przekładni opiera się zazwyczaj na wytrzymałości kontaktowej przy obciążeniu zmęczeniowym; przy doborze współczynnika przesunięcia należy zadbać o możliwie najwyższą wytrzymałość kontaktową oraz maksymalne trwałość zmęczeniową.

Ograniczenia dotyczące uzasadnionego doboru współczynnika przesunięcia to:

(1) Zapewnienie, że wykrawane koło zębate nie będzie miało podcięć;

(2) Zapewnienie gładkości przekładni zębatych; stopień przyporu musi być większy niż 1, zazwyczaj większy niż 1,2;

(3) Zapewnienie, że wierzchołek zęba ma określoną grubość;

(4) Gdy para kół zębatych sprzęga się, jeśli ewolwenta wierzchołka zęba jednego koła zetknie się z krzywą przejściową u podstawy zęba drugiego koła, ponieważ krzywa przejściowa nie jest ewolwentą, wspólna normalna dwóch profili zębów w punkcie styku nie może przechodzić przez stały węzeł, co powoduje zmianę przełożenia i może spowodować zaklinowanie obu kół zębatych. Takie "interferencje krzywej przejściowej" należy unikać przy doborze współczynnika przesunięcia.

5. Przycinanie profilu zęba (przycinanie krawędzi i przycinanie u podstawy) oraz fazowanie wierzchołków zębów wewnątrz przekładni

Profil zęba na wierzchołku zęba jest cięty w lekko wypukły kształt niż poprawna krzywa ewolwenty. Gdy powierzchnia zęba ulega odkształceniom spowodowanym siłą zewnętrzną, można uniknąć interferencji z kołem zazębionym, zmniejszyć hałas oraz wydłużyć żywotność przełożenia. Ważne jest, aby unikać nadmiernego przycinania, ponieważ nadmierne przycięcie zwiększa błąd profilu zęba i będzie miało negatywny wpływ na zazębienie.

6. Analiza charakterystyk promieniowania dźwięku kół zębatych

Podczas doboru kół zębatych o różnych formach konstrukcyjnych, dla konkretnej struktury tworzony jest model promieniowania dźwięku oraz przeprowadzana analiza dynamiczna, umożliwiająca wstępną ocenę poziomu hałasu systemu przekładniowego. Umożliwia to dobór odpowiedniego rozwiązania zgodnie z różnymi wymaganiami użytkownika (miejsce użytkowania, czy praca bezobsługowa, czy teren zurbanizowany, specyficzne wymagania dotyczące budynków naziemnych lub podziemnych, wymagania ochrony przed hałasem lub brak innych szczególnych wymagań).

7. Prędkość obrotowa źródła mocy reduktora zębatego

Testy reduktora pod różnymi warunkami prędkości wykazują, że hałas rośnie wraz ze wzrostem prędkości wejściowej reduktora.

8. Konstrukcja obudowy skrzyni biegów

Badania doświadczalne wykazują, że zastosowanie cylindrycznej obudowy jest korzystne dla redukcji drgań. W identycznych warunkach, cylindryczna obudowa ma średni poziom hałasu niższy o 5 dB niż inne typy obudów. Przeprowadza się test rezonansu obudowy reduktora, aby zidentyfikować miejsca rezonansu. Dodanie odpowiednich wzmocnień (płatów) może poprawić sztywność obudowy, zmniejszyć drgania i osiągnąć redukcję hałasu. W przypadku przekładni wielostopniowych, zmiana chwilowego przełożenia powinna być minimalizowana, aby zapewnić płynne przekazywanie napędu, niski poziom uderzeń i drgań oraz niski poziom hałasu.

Przyczyny produkcyjne i środki zaradcze

1. Wpływ błędów wewnętrznego koła zębatego w reduktorze

Błędy wytwarzania kół zębatych, w tym błąd profilu zęba, odchylenie skoku podstawy, błąd kierunku zęba oraz błąd walcowania pierścienia koła zębatego, są głównymi przyczynami hałasu w przekładniach planetarnych. Są to również kluczowe czynniki wpływające na sprawność transmisji przekładni planetarnych. Omówimy teraz krótko błąd profilu zęba oraz błąd kierunku zęba.

Koła zębate o małych błędach profilu zęba i niewielkiej chropowatości powierzchni zęba wykazują poziom hałasu niższy o 10 dB niż koła zwykłe przy tych samych warunkach testowych. Koła zębate o małych błędach skoku zębów mają poziom hałasu niższy o 6–12 dB niż koła zwykłe przy tych samych warunkach testowych. Jednak jeśli występuje błąd skoku zębów, wpływ obciążenia na hałas koła zębatego będzie mniejszy.

Błąd kierunku zęba spowoduje, że moc przenoszona nie będzie transmitowana na całej szerokości zęba. Strefa styku zostanie przesunięta do jednej lub drugiej powierzchni bocznej zęba. Z powodu zwiększonego naprężenia lokalnego, ząb ulegnie odkształceniu, co prowadzi do wzrostu poziomu hałasu. Jednak przy dużych obciążeniach odkształcenie zęba może częściowo kompensować błąd kierunku zęba.

2. Współosiowość montażu i równoważenie dynamiczne

Niewłaściwe wyrównanie podczas montażu spowoduje nierównowagę układu wałów, a nierównomierne zazębienie kół zębatych (po jednej stronie luźne, po drugiej ciasne) dalej nasili hałas. Nierównowaga podczas montażu precyzyjnych przekładni zębatych znacząco wpływa na dokładność systemu transmisyjnego.

3. Twardość powierzchni kół zębatych wewnątrz reduktora

Rozwój technologii hartowania zwiększył nośność, zmniejszył wymiary i wagę oraz poprawił dokładność przekładni, co prowadzi do ich coraz szerszego zastosowania. Jednak proces nawęglania i hartowania stosowany w celu uzyskania wytwardzonych powierzchni zębów powoduje odkształcenia kół zębatych, co skutkuje zwiększeniem hałasu przekładni oraz skróceniem ich żywotności. Aby zmniejszyć hałas, powierzchnie zębów należy precyzyjnie obrabiać. Obecnie oprócz tradycyjnych metod szlifowania opracowano również metodę strugania wytwardzonych powierzchni zębów. Metoda ta redukuje wpływ wpinania i odpinania zazębienia poprzez modyfikację końcówki i stóp zębów lub poprzez zmniejszenie profilu zębów koła napędzającego i napędzanego, co zmniejsza hałas przekładni.

4. Weryfikacja wydajności systemu skrzyni biegów

Dokładność obróbki elementów oraz metoda doboru elementów przed montażem (pełna wymienność, dobór grupowy, dobór pojedynczy itp.) wpływają na poziom dokładności złożonego systemu, a także na poziom hałasu, który również mieści się w zakresie wpływu. Dlatego weryfikacja (lub kalibracja) różnych wskaźników systemu po montażu ma kluczowe znaczenie dla kontrolowania poziomu hałasu systemu.

Przyczyny związane z instalacją i środki zaradcze

1. Środki redukcji drgań i ich przerwania

Podczas instalacji skrzyni biegów należy jak najbardziej unikać rezonansu między korpusem skrzyni a podstawą nośną oraz częściami łączącymi, aby zapobiec powstawaniu hałasu. Rezonans często występuje w jednym lub kilku przełożeniach skrzyni biegów w określonych zakresach prędkości. Oprócz przyczyn konstrukcyjnych, jest to bezpośrednio związane z niezidentyfikowaniem miejsca rezonansu podczas testów bez obciążenia oraz niepodjęciem odpowiednich środków redukujących drgania lub ich izolujących. W przypadku niektórych skrzyń biegów, dla których wymagany jest niski poziom hałasu i wibracji przekładni, należy wybrać materiały podstawy o wysokiej wytrzymałości i dużym tłumieniu drgań w celu zmniejszenia hałasu i wibracji.

2. Regulacja dokładności geometrycznej elementów

Jeśli dokładność geometryczna nie spełnia wymagań standardowych podczas montażu, może dojść do rezonansu komponentów skrzyni biegów, co skutkuje hałasem. Jest to bezpośrednio związane z ulepszeniem procesu instalacji, zwiększeniem użycia oprzyrządowania oraz zapewnieniem ogólnej jakości personelu montażowego.

3. Luźne komponenty

Podczas instalacji poluzowanie poszczególnych komponentów (takich jak mechanizmy wcisku łożysków, mechanizmy pozycjonowania wału itp.) może prowadzić do niedokładnego pozycjonowania systemu, nieprawidłowego zazębienia, przemieszczenia wału oraz drgań i hałasu. Wymaga się podejścia konstrukcyjnego zapewniającego stabilne połączenia między mechanizmami oraz wykorzystanie wielu metod łączenia.

4. Uszkodzone komponenty przekładni

Nieprawidłowa obsługa podczas instalacji może uszkodzić komponenty przekładni, co prowadzi do niedokładnego lub niestabilnego ruchu systemu; uszkodzenie części poruszających się z dużą prędkością może powodować drgania warstwy olejowej; błędy ludzkie mogą spowodować niestabilność dynamiczną elementów ruchomych; wszystkie te zjawiska generują drgania i hałas. Przyczyny te należy starannie rozważyć i unikać podczas instalacji. Uszkodzonych komponentów, których nie można naprawić, należy wymienić, aby zapewnić stabilny poziom hałasu systemu.

Przyczyny i środki zaradcze dotyczące użytkowania i konserwacji
Choć prawidłowe użytkowanie i konserwacja reduktora nie zmniejszy poziomu hałasu systemu ani nie zagwarantuje dokładności przekładni, może zapobiec degradacji wydajności i wydłużyć czas eksploatacji.

1. Czyszczenie wewnętrzne

Czystość wewnętrznych elementów reduktora jest podstawą jego normalnej pracy. Wniknięcie jakichkolwiek zanieczyszczeń lub cząstek obcych wpływa negatywnie na układ przekładniowy i może go uszkodzić, powodując generowanie hałasu.

2. Temperatura pracy

Upewnij się, że reduktor pracuje w normalnej temperaturze, aby zapobiec odkształceniom elementów spowodowanym nadmiernym wzrostem temperatury, zapewnić prawidłowe zazębienie kół zębatych oraz tym samym uniknąć zwiększenia poziomu hałasu.

3. Terminowe smarowanie i prawidłowe stosowanie oleju

Nieprawidłowe smarowanie i niewłaściwe użycie smaru powoduje nieodwracalne uszkodzenia reduktora. Przy wysokich prędkościach tarcie powierzchni zębów kół zębatych generuje dużą ilość ciepła. Nieprawidłowe smarowanie prowadzi do uszkodzeń zębów kół, wpływa na dokładność działania i zwiększa poziom hałasu. Projekt zakłada odpowiedni luz w parach zębatych (luzy między nieaktywnymi powierzchniami zazębionych zębów w celu kompensacji odkształceń termicznych oraz zabezpieczenia miejsca na smar). Prawidłowe stosowanie i dobór smaru gwarantuje bezpieczną i skuteczną pracę systemu, spowalnia degradację oraz ustabilizowuje poziom hałasu.

4. Prawidłowe Użytkowanie Reduktora

Prawidłowe użytkowanie reduktora minimalizuje uszkodzenia poszczególnych elementów i zapewnia stabilny poziom hałasu. Poziom hałasu reduktora wzrasta wraz ze wzrostem obciążenia, dlatego należy go używać w normalnym zakresie obciążeń.

5. Regularna Konserwacja i Utrzymanie

Regularna konserwacja (wymiana oleju, zamienna zużytych części, dokręcanie luźnych elementów łączących, usuwanie wewnętrznego brudu, regulacja luzów między komponentami do standardowych wartości oraz weryfakacja dokładności geometrycznej itp.) może poprawić odporność reduktora na degradację poziomu hałasu i zapewnić stabilne warunki pracy.

Kontrola hałasu przekładni reduktora jest projektem systemowym obejmującym cały proces projektowania, wytwarzania, montażu, użytkowania, konserwacji a nawet wymiany systemu przekładni (zębatek, obudowy, elementów łączących, łożysków itp.). Stawia wysokie wymagania nie tylko projektantom i producentom, ale także osobom odpowiedzialnym za montaż, użytkowanie oraz konserwację. Jeśli którykolwiek z tych aspektów nie zostanie skutecznie kontrolowany, kontrola hałasu przekładni zębatej nie powiedzie się.