Como projetar redução de ruído para transmissões por engrenagens

Tipos e Materiais de Engrenagens

1. Tipos de engrenagens

Do ponto de vista de transmissão suave e baixo ruído, as engrenagens cilínicas helicoidais possuem mais dentes em contato simultaneamente, resultando numa alteração mais estável da rigidez total de engrenamento. Portanto, a vibração e o ruído podem ser menores do que os das engrenagens cilínicas retas, às vezes tão baixos quanto aproximadamente 12 dB. Para engrenagens espinha de peixe, devido ao requisito de alinhamento rigoroso, mesmo pequenos erros ou desgaste irregular podem afetar a distribuição de carga e a suavidade da transmissão. Portanto, entre as engrenagens cilínicas, as engrenagens cilínicas helicoidais são o melhor tipo para reduzir o ruído. De 1969 a 1987, o Professor A. Atfia da Universidade Ain-Shams no Cairo, Egito, conduziu pesquisa experimental sobre engrenagens helicoidais de perfil em involuta, engrenagens de arco simples e engrenagens de arco duplo. Ele comparou o ruído desses três perfis de dente sob diferentes cargas e velocidades. O estudo mostrou que, entre esses três perfis de dente, as engrenagens helicoidais em involuta apresentaram o menor ruído e foram as menos afetadas pela carga transmitida e pela velocidade de operação, seguidas pelas engrenagens de arco simples, sendo as engrenagens de arco duplo as piores.

2. Materiais das engrenagens

Tratamento Térmico e Métodos de Lubrificação: Esses fatores afetam todos o ruído do sistema. Geralmente, utilizar materiais com boas propriedades de amortecimento para fabricar engrenagens pode reduzir o ruído. No entanto, materiais com boas propriedades de amortecimento geralmente têm baixa resistência e não podem ser usados em todas as situações. Por exemplo, resina fenólica e nylon são frequentemente usados apenas para fabricar engrenagens de carga leve para máquinas industriais leves, como máquinas de costura. Para reduzir o ruído, pode-se aplicar sulfuração ou cobreamento nas superfícies dos dentes de engrenagens de aço sujeitas a carga. O objetivo da sulfuração das superfícies dos dentes é reduzir o coeficiente de atrito. O cobreamento tem sido usado em engrenagens de turbinas para melhorar a precisão de contato das engrenagens. O tratamento térmico das engrenagens também afeta o ruído. Por exemplo, após a têmpera, as propriedades de amortecimento das engrenagens pioram, e o ruído aumenta em 3-4 dB. Portanto, engrenagens com requisitos baixos de resistência e resistência ao desgaste não precisam ser temperadas. Quanto à influência do óleo lubrificante e do método de enchimento, acredita-se geralmente que o ruído diminui à medida que o volume e a viscosidade do óleo aumentam. Isso ocorre porque o óleo lubrificante tem um efeito de amortecimento, o que pode impedir o contato direto entre as superfícies dos dentes engrenados. Ao usar lubrificação por banho de óleo, o ruído das engrenagens varia conforme o nível de óleo; ou seja, diferentes caixas de engrenagens têm diferentes níveis de óleo ótimos.

Parâmetros geométricos da engrenagem

1. Módulo
Ao transmitir uma carga elevada, a excitação dinâmica do engrenamento das engrenagens é causada principalmente pela deformação por flexão dos dentes da engrenagem, e a rigidez à flexão dos dentes é proporcional ao módulo. Portanto, aumentar o módulo pode reduzir a excitação dinâmica dos dentes da engrenagem, diminuindo assim o ruído. No entanto, ao transmitir uma carga pequena ou nenhuma carga, a situação é diferente. Nesse caso, a influência do erro dos dentes da engrenagem será muito maior do que a da deformação dos dentes. Devemos considerar a influência do tamanho do módulo no ruído a partir da perspectiva do erro de usinagem da engrenagem. Por exemplo, o erro de passo ΔP pode ser obtido pela seguinte fórmula:
δP＝C1 +C2M+C3 (1)
onde?
do——diâmetro primitivo da engrenagem
M——módulo
C1, C2, C3——constantes relacionadas
E o erro de perfil do dente Δf pode ser calculado pela seguinte fórmula:
δf＝C4M+C5 (2)
onde C4 e C5 são constantes relacionadas.
Pode-se ver pelas fórmulas (1) e (2) que os dois erros acima estão diretamente relacionados ao módulo, e quanto maior o módulo, maior será o erro no perfil do dente e maior será o ruído. Portanto, ao transmitir pequenas cargas ou nenhuma carga, o módulo deve ser o menor possível, desde que a resistência do engrenagem o permita.

2. Número de dentes do engrenagem
Se o módulo permanecer inalterado, mudar o número de dentes alterará o diâmetro do engrenagem e a área superficial do dente. Assim, a variação na área de radiação de ruído do engrenagem causará uma mudança no ruído. Geralmente falando, a magnitude do ruído é determinada principalmente pela área de radiação do ruído, e não pela energia da fonte de vibração. De acordo com o princípio acústico, se o engrenagem for considerado como uma placa circular, a potência sonora WR irradiada para o ar pode ser calculada por
a seguinte fórmula:
(3) Onde: F——valor eficaz da força de excitação que varia segundo uma lei senoidal
R——diâmetro da placa circular
o——densidade superficial
p——densidade do ar
ω——frequência angular
C——constante
Pela fórmula (3), pode-se observar que, à medida que o diâmetro da placa circular aumenta, o ruído aumentará acentuadamente. Portanto, ao projetar engrenagens, o diâmetro da engrenagem deve ser reduzido ao máximo possível. Além disso, pelas fórmulas (1) e (2), verifica-se que o erro de passo dos dentes está relacionado ao diâmetro da engrenagem, enquanto o erro de perfil dos dentes não está relacionado ao diâmetro. Assim, reduzir o diâmetro não aumentará a dificuldade de alcançar a precisão de usinagem da engrenagem.

3. Largura do dente
A razão pela qual mudanças na largura do dente provocam alterações no ruído reside na atenuação energética diferente. Portanto, engrenagens com maior largura de dente apresentam melhor desempenho de atenuação, resultando em menor ruído.

4. Razão de contato
Aumentar a razão de contato: A razão de contato pode reduzir o ruído da transmissão por engrenagens. Primeiro, aumentar a razão de contato reduz a carga sobre um único par de dentes. Isso diminui o impacto da carga durante a engrenagem e desengate, reduzindo assim o ruído das engrenagens. Segundo, à medida que o número de dentes em contato aumenta, o erro de transmissão de um único par de dentes é média, reduzindo, portanto, a excitação dinâmica dos dentes. Além disso, quase todos os parâmetros das engrenagens que afetam o ruído são, na realidade, devidos à sua influência sobre a razão de contato. Por exemplo, para engrenagens cilíricas com uma razão de contato entre 1 e 3, reduzir o ângulo de pressão, reduzir o módulo e aumentar ligeiramente a adenda reduzem o ruído das engrenagens devido ao aumento da razão de contato. É claro que reduzir o ângulo de pressão aumenta a flexibilidade dos dentes e também reduz a excitação dinâmica, o que é benéfico para a redução de ruído.

5. Ângulo de hélice
Como as engrenagens helicoidais entram gradualmente em contato a partir de uma extremidade do dente, o impacto do engrenamento é pequeno e o ruído é baixo. Geralmente falando, à medida que o ângulo de hélice aumenta, a relação de contato aumenta e o ruído diminui. No entanto, o efeito de redução de ruído é pior quando o ângulo de hélice é maior do que quando é menor. Isso ocorre porque um ângulo de hélice maior torna a usinagem e instalação mais difíceis, afetando a sobreposição real.

6. Modificação, conformação e deslocamento do dente
No estado de funcionamento real das engrenagens, a deformação dos dentes, do eixo motriz e da caixa de marchas pode causar interferência e impacto durante o engrenamento, resultando em forte vibração e ruído. Portanto, podem ser utilizadas modificações, conformações e deslocamentos para compensar a deformação do engrenamento e reduzir a vibração e o ruído.