Causas do Ruído da Caixa de Marchas e Soluções Sugeridas

Tradicionalmente, os três principais fatores para avaliar o desempenho de redutores de velocidade são capacidade de carga, vida útil à fadiga e precisão operacional, muitas vezes negligenciando o ruído de transmissão. Com a sucessiva publicação das normas ISO 14000 e ISO 18000, a importância do controle de ruído na transmissão de redutores de velocidade tornou-se cada vez mais evidente. O desenvolvimento industrial e as demandas do mercado impõem requisitos mais rigorosos quanto aos erros de transmissão dos redutores e exigências maiores no controle de ruído.

Atualmente, os fatores que contribuem para o ruído da caixa de engrenagens do redutor de velocidade podem ser analisados sob diversos aspectos, incluindo o projeto, fabricação, instalação, uso e manutenção das engrenagens de engrenamento interno e externo.

Motivos de Projeto e Contramedidas

1. Grau de Precisão do Engrenamento Dentro do Redutor de Velocidade

Ao projetar redutores de engrenagens, os projetistas frequentemente consideram fatores econômicos e determinam o grau de precisão das engrenagens de forma tão econômica quanto possível, negligenciando que o grau de precisão é um indicador do ruído e da folga da engrenagem. A Associação de Fabricantes de Engrenagens da América (GMA) determinou, por meio de extensas pesquisas com engrenagens, que engrenagens de alta precisão produzem significativamente menos ruído do que engrenagens de baixa precisão. Portanto, quando as condições permitirem, o grau de precisão da engrenagem deve ser aumentado ao máximo para reduzir tanto os erros de transmissão quanto o ruído.

2. Largura da Engrenagem no Interior do Redutor

Quando o espaço de transmissão do redutor permite, aumentar a largura do dente da engrenagem pode reduzir a carga unitária sob torque constante. Isso reduz a deflexão dos dentes, diminui a excitação de ruído e, consequentemente, reduz o ruído da transmissão. Pesquisas realizadas por H. Opaz na Alemanha mostram que, sob torque constante, uma menor largura de dente resulta em um gradiente de ruído mais alto do que uma largura maior. Aumentar a largura do dente também aumenta a capacidade de carga da engrenagem e melhora a capacidade de torque do redutor.

3. Passo do Dente e Ângulo de Pressão no Interior do Redutor

Um passo de dente menor garante que mais dentes estejam em contato simultaneamente, aumentando a sobreposição das engrenagens, reduzindo a deflexão individual dos dentes, diminuindo o ruído da transmissão e melhorando a precisão da transmissão. Um ângulo de pressão menor, devido a um maior ângulo de contato da engrenagem e maior razão de sobreposição lateral, resulta em ruído operacional mais baixo e maior precisão.

4. Seleção do Coeficiente de Correção do Dente da Engrenagem no Interior do Redutor

A seleção correta e adequada do coeficiente de correção pode não apenas ajustar a distância entre centros, evitar o entalhamento da engrenagem, garantir a concentricidade, melhorar o desempenho da transmissão por engrenagens, aumentar a capacidade de carga e prolongar a vida útil da engrenagem, mas também controlar eficazmente a folga, a elevação de temperatura e o ruído. Em acionamentos por engrenagens fechados, para engrenagens com superfícies dos dentes endurecidas (dureza: 350 HBS), o modo principal de falha é a fratura por fadiga na raiz do dente. O projeto deste tipo de acionamento por engrenagens é geralmente baseado na resistência à fadiga por flexão; ao selecionar o coeficiente de deslocamento, deve-se garantir que os dentes em engrenamento tenham igual resistência à flexão. Para engrenagens com superfícies dos dentes macias (dureza <350 HBS), o modo principal de falha é o espalhamento por fadiga. O projeto deste tipo de acionamento por engrenagens é geralmente baseado na resistência à fadiga de contato; ao selecionar o coeficiente de deslocamento, deve-se garantir a máxima resistência à fadiga de contato e vida útil por fadiga possível.

As restrições para a seleção razoável do coeficiente de deslocamento são:

(1) Garantir que a engrenagem sendo cortada não apresente subcorte;

(2) Garantir a suavidade da transmissão por engrenagens; a razão de sobreposição deve ser maior que 1, geralmente maior que 1,2;

(3) Garantir que a ponta do dente tenha uma espessura adequada;

(4) Quando um par de engrenagens se acopla, se a involuta da ponta do dente de uma engrenagem entra em contato com a curva de transição da raiz do dente da outra engrenagem, como a curva de transição não é uma involuta, a normal comum dos dois perfis dos dentes no ponto de contato não pode passar por um nó fixo, provocando assim uma variação na relação de transmissão e possivelmente causando o travamento das duas engrenagens. Essa "interferência da curva de transição" deve ser evitada ao selecionar o coeficiente de deslocamento.

5. Retificação do perfil do dente da engrenagem (rebarbação da borda e rebarbação da raiz) e chanfro na ponta do dente dentro do redutor

O perfil do dente na extremidade do dente é cortado em uma forma ligeiramente convexa, ao invés da curva correta de involuta. Quando a superfície do dente da engrenagem é deformada por uma força externa, é possível evitar a interferência com a engrenagem acoplada, reduzir o ruído e prolongar a vida útil da engrenagem. É importante notar que deve-se evitar o corte excessivo, pois o corte excessivo aumenta o erro no perfil do dente e terá um efeito adverso no engrenamento.

6. Análise das Características de Radiação Sonora das Engrenagens

Ao selecionar engrenagens com diferentes formas estruturais, é estabelecido um modelo de radiação sonora para a estrutura específica, e é realizada uma análise dinâmica para pré-avaliar o ruído do sistema de transmissão por engrenagens. Isso permite a seleção com base em diferentes requisitos dos usuários (local de uso, se é não supervisionado, se está em áreas urbanas, requisitos específicos para edifícios acima ou abaixo do solo, requisitos de proteção contra ruído, ou ausência de outros requisitos específicos).

7. Velocidade de Operação da Fonte de Potência do Redutor de Engrenagens

Testes no redutor de engrenagens sob diferentes condições de velocidade mostram que o ruído aumenta com o aumento da velocidade de entrada do redutor.

8. Estrutura da Carcaça da Caixa de Marchas

Estudos experimentais mostram que o uso de uma carcaça cilíndrica é benéfico para a redução de vibrações. Nas mesmas condições, uma carcaça cilíndrica apresenta um nível médio de ruído 5 dB inferior ao de outros tipos de carcaças. Realiza-se teste de ressonância na carcaça do redutor de engrenagens para identificar locais de ressonância. A adição de nervuras (placas) adequadas pode melhorar a rigidez da carcaça, reduzir vibrações e alcançar a redução de ruído. Para transmissões multietapas, deve-se minimizar a variação da relação de transmissão instantânea para garantir uma transmissão suave, com baixo impacto e vibração, e baixo ruído.

Causas de Fabricação e Contramedidas

1. Influência dos Erros Internos das Engrenagens no Redutor

Erros na fabricação de engrenagens, incluindo erro de perfil do dente, desvio do passo base, erro de direção do dente e erro de oscilação radial da coroa dentada, são os principais erros que causam ruído nas transmissões de redutores planetários. Esses também são fatores-chave no controle da eficiência de transmissão dos redutores planetários. Explicaremos agora brevemente o erro de perfil do dente e o erro de direção do dente.

Engrenagens com pequenos erros de perfil do dente e baixa rugosidade da superfície do dente apresentam níveis de ruído 10 dB mais baixos do que engrenagens comuns nas mesmas condições de teste. Engrenagens com pequenos erros de passo do dente apresentam níveis de ruído 6–12 dB mais baixos do que engrenagens comuns nas mesmas condições de teste. No entanto, se existir erro de passo do dente, o impacto da carga sobre o ruído da engrenagem será reduzido.

O erro na direção do dente fará com que a potência de transmissão não seja transmitida por toda a largura do dente. A área de contato será direcionada para uma das extremidades do dente. Devido ao aumento da tensão local, o dente irá deformar, levando ao aumento do nível de ruído. No entanto, sob cargas elevadas, a deformação do dente pode compensar parcialmente o erro na direção do dente.

2. Concentricidade de Montagem e Balanceamento Dinâmico

O desalinhamento durante a montagem provocará desequilíbrio no sistema de eixo, e o engrenamento irregular das engrenagens (um lado folgado, um lado apertado) agravará ainda mais o ruído. O desequilíbrio na montagem de redutores de precisão afetará severamente a exatidão do sistema de transmissão.

3. Dureza da Superfície da Engrenagem no Interior do Redutor

Com o desenvolvimento da tecnologia de endurecimento de engrenagens, a alta capacidade de carga, tamanho pequeno, peso leve e alta precisão de transmissão das engrenagens têm levado a uma aplicação cada vez mais ampla. No entanto, o processo de carbonetação e endurecimento utilizado para obter superfícies dentadas endurecidas causa deformação nas engrenagens, resultando em aumento do ruído de transmissão e vida útil reduzida. Para reduzir o ruído, a superfície dos dentes precisa ser usinada com precisão. Atualmente, além dos métodos tradicionais de retificação de engrenagens, foi desenvolvido um método de fresagem de superfícies endurecidas. Este método reduz o impacto de engate e desengate das engrenagens modificando a ponta e a raiz dos dentes, ou reduzindo o perfil dos dentes tanto da engrenagem motora quanto da movida, reduzindo assim o ruído de transmissão.

4. Verificação do Desempenho do Sistema de Caixa de Marchas

A precisão de usinagem dos componentes e o método de seleção dos componentes antes da montagem (intercambiabilidade total, seleção por grupo, seleção individual, etc.) afetarão o nível de precisão do sistema montado, e seu nível de ruído também está dentro do escopo de influência. Portanto, verificar (ou calibrar) vários indicadores do sistema após a montagem é crucial para controlar o ruído do sistema.

Causas de Instalação e Contramedidas

1. Medidas de Redução e Interceptação de Vibrações

Durante a instalação da caixa de câmbio, deve-se evitar ao máximo a ressonância entre o corpo da caixa e o suporte da fundação e as peças de conexão, para prevenir a geração de ruído. A ressonância ocorre frequentemente em uma ou mais engrenagens dentro da caixa de câmbio em determinadas faixas de velocidade. Além de motivos de projeto, isso está diretamente relacionado à falha em identificar a localização da ressonância durante testes sem carga e em adotar medidas correspondentes de redução ou isolamento de vibrações. Para algumas caixas de câmbio que exigem baixo ruído e vibração na transmissão, devem ser selecionados materiais de base com alta tenacidade e alto amortecimento para reduzir ruído e vibração.

2. Ajuste da Precisão Geométrica dos Componentes

Se a precisão geométrica não atender aos requisitos padrão durante a instalação, poderá ocorrer ressonância dos componentes da caixa de câmbio, resultando em ruído. Isso está diretamente relacionado à melhoria do processo de instalação, ao aumento de dispositivos auxiliares e à garantia da qualidade geral da equipe de montagem.

3. Componentes Soltos

Durante a instalação, o afrouxamento de componentes individuais (como mecanismos de pré-carga de rolamentos, mecanismos de posicionamento de eixos, etc.) pode levar a um posicionamento impreciso do sistema, engrenamento anormal, movimento do eixo e vibração e ruído. Isso exige uma abordagem de projeto estrutural para garantir conexões estáveis entre os mecanismos e para utilizar múltiplos métodos de ligação.

4. Componentes da Transmissão Danificados

Uma operação inadequada durante a instalação pode danificar componentes da transmissão, levando a um movimento do sistema impreciso ou instável; danos em peças móveis de alta velocidade podem causar vibração do filme de óleo; erros humanos podem provocar desequilíbrio dinâmico em partes móveis; tudo isso gera vibração e ruído. Essas causas devem ser cuidadosamente consideradas e evitadas durante a instalação. Componentes danificados que não possam ser reparados devem ser substituídos para garantir um nível estável de ruído no sistema.

Causas e Contramedidas para Uso e Manutenção
Embora o uso adequado e a manutenção do redutor não possam reduzir o nível de ruído do sistema nem garantir a precisão da transmissão, podem prevenir a degradação de desempenho e prolongar a vida útil.

1. Limpeza Interna

A limpeza das peças internas do redutor é fundamental para o seu funcionamento normal. A entrada de qualquer impureza ou contaminante afetará e danificará o sistema de transmissão, gerando ruídos.

2. Temperatura de Operação

Garanta que o redutor opere na temperatura normal para evitar deformação dos componentes devido à elevação excessiva da temperatura, assegurar o engrenamento adequado das engrenagens e, assim, prevenir o aumento de ruído.

3. Lubrificação Oportuna e Uso Correto do Óleo

A lubrificação inadequada e o uso incorreto da graxa lubrificante causarão danos incalculáveis ao redutor. Em altas velocidades, o atrito entre as superfícies dos dentes das engrenagens gera uma grande quantidade de calor. A lubrificação inadequada levará ao dano dos dentes da engrenagem, afetando a precisão e aumentando o ruído. O projeto exige uma folga apropriada no par de engrenagens (a folga entre as superfícies não trabalhantes dos dentes engrenados para compensar a deformação térmica e armazenar graxa lubrificante). O uso e seleção corretos da graxa lubrificante podem garantir operação segura e eficaz do sistema, retardar a degradação e estabilizar os níveis de ruído.

4. Uso Correto do Redutor

O uso correto do redutor pode minimizar danos aos componentes e garantir um nível estável de ruído. O ruído do redutor aumenta com a carga, portanto, deve ser usado dentro da faixa de carga normal.

5. Manutenção e Conservação Regulares

A manutenção regular (trocas de óleo, substituição de peças desgastadas, apertos de fixações soltas, remoção de detritos internos, ajuste das folgas dos componentes aos valores padrão e verificação da precisão geométrica, etc.) pode melhorar a resistência do redutor à degradação do nível de ruído e manter condições estáveis de operação.

O controle de ruído na transmissão por redutores é um projeto sistemático que envolve todo o processo de projeto, fabricação, instalação, uso, manutenção e até substituição do sistema de transmissão (engrenagens, carcaça, peças de conexão, rolamentos, etc.). Isso exige muito não apenas dos projetistas e fabricantes, mas também dos instaladores, usuários e pessoal de manutenção. Se qualquer um desses aspectos não for efetivamente controlado, o controle de ruído na transmissão por engrenagens falhará.