Nguyên nhân gây tiếng ồn hộp số và các giải pháp đề xuất

Truyền thống, ba yếu tố chính để đánh giá hiệu suất của hộp giảm tốc là khả năng tải, tuổi thọ mỏi và độ chính xác vận hành, thường bỏ qua tiếng ồn truyền động. Với việc lần lượt ban hành các tiêu chuẩn ISO 14000 và ISO 18000, tầm quan trọng của việc kiểm soát tiếng ồn truyền động hộp giảm tốc ngày càng trở nên rõ rệt. Sự phát triển công nghiệp và các yêu cầu đặt ra những tiêu chuẩn khắt khe hơn đối với sai số truyền động của hộp giảm tốc và nhu cầu cao hơn trong kiểm soát tiếng ồn.

Hiện tại, các yếu tố gây ra tiếng ồn trong hộp số giảm tốc có thể được phân tích từ nhiều khía cạnh, bao gồm thiết kế, chế tạo, lắp đặt, sử dụng và bảo trì các bánh răng ăn khớp trong và ngoài.

Nguyên nhân về Thiết kế và Các Biện pháp Khắc phục

1. Cấp chính xác bánh răng bên trong Hộp giảm tốc

Khi thiết kế các bộ giảm tốc, các kỹ sư thường xem xét các yếu tố kinh tế và xác định cấp chính xác của bánh răng ở mức tiết kiệm nhất có thể, mà bỏ qua rằng cấp chính xác là chỉ báo cho độ ồn và độ rơ của bánh răng. Hiệp hội Các nhà sản xuất Bánh răng Hoa Kỳ (GMA) đã xác định thông qua nghiên cứu rộng rãi về bánh răng rằng các bánh răng chính xác cao tạo ra độ ồn thấp đáng kể so với các bánh răng chính xác thấp. Do đó, khi điều kiện cho phép, nên tăng cấp chính xác của bánh răng càng nhiều càng tốt để giảm cả sai số truyền động và độ ồn.

2. Chiều rộng bánh răng bên trong bộ giảm tốc

Khi không gian truyền động của bộ giảm tốc cho phép, việc tăng chiều rộng bánh răng có thể giảm tải trọng đơn vị dưới mô-men xoắn không đổi. Điều này làm giảm độ võng răng, giảm kích thích tiếng ồn và do đó làm giảm độ ồn truyền động. Nghiên cứu của H. Opaz tại Đức cho thấy rằng, ở mô-men xoắn không đổi, chiều rộng răng nhỏ hơn sẽ dẫn đến độ dốc đường cong tiếng ồn cao hơn so với chiều rộng răng lớn hơn. Việc tăng chiều rộng bánh răng cũng làm tăng khả năng chịu tải của bánh răng và cải thiện khả năng chịu mô-men xoắn của bộ giảm tốc.

3. Bước răng và Góc áp lực bên trong Bộ giảm tốc

Bước răng nhỏ hơn đảm bảo nhiều răng hơn tiếp xúc đồng thời, làm tăng độ trùng khớp của bánh răng, giảm độ võng riêng lẻ của răng, hạ thấp tiếng ồn truyền động và cải thiện độ chính xác truyền động. Góc áp lực nhỏ hơn, nhờ góc tiếp xúc bánh răng và tỷ lệ trùng khớp ngang lớn hơn, dẫn đến tiếng ồn hoạt động thấp hơn và độ chính xác cao hơn.

4. Lựa chọn Hệ số dịch chỉnh răng bên trong Bộ giảm tốc

Việc lựa chọn đúng đắn và hợp lý hệ số hiệu chỉnh không những có thể điều chỉnh khoảng cách trục, tránh hiện tượng lẹm răng, đảm bảo độ đồng tâm, cải thiện hiệu suất truyền động bánh răng, tăng khả năng chịu tải và kéo dài tuổi thọ bánh răng, mà còn có thể kiểm soát hiệu quả độ xô, sự tăng nhiệt độ và tiếng ồn. Trong các bộ truyền bánh răng kín, đối với các bánh răng có bề mặt răng được tôi cứng (độ cứng: 350 HBS), dạng hỏng chính là gãy mỏi chân răng. Loại thiết kế bộ truyền bánh răng này thường dựa trên độ bền mỏi uốn; khi chọn hệ số dịch vị, cần đảm bảo các răng ăn khớp có độ bền uốn bằng nhau. Đối với các bánh răng có bề mặt răng mềm (độ cứng <350 HBS), dạng hỏng chính là rỗ mỏi. Loại thiết kế bộ truyền bánh răng này thường dựa trên độ bền mỏi tiếp xúc; khi chọn hệ số dịch vị, cần đảm bảo độ bền mỏi tiếp xúc và tuổi thọ mỏi cao nhất có thể.

Các điều kiện ràng buộc để lựa chọn hợp lý hệ số dịch chỉnh là:

(1) Đảm bảo rằng bánh răng được cắt không bị lẹm chân răng;

(2) Đảm bảo sự êm dịu trong truyền động bánh răng; hệ số trùng khớp phải lớn hơn 1, thông thường lớn hơn 1,2;

(3) Đảm bảo rằng đầu răng có độ dày nhất định;

(4) Khi một cặp bánh răng ăn khớp, nếu đường thân khai ở đầu răng của bánh này tiếp xúc với đường cong chuyển tiếp ở chân răng của bánh kia, do đường cong chuyển tiếp không phải là đường thân khai nên pháp tuyến chung của hai biên dạng răng tại điểm tiếp xúc không thể đi qua một điểm nút cố định, dẫn đến thay đổi tỷ số truyền và có thể gây kẹt cho hai bánh răng. Hiện tượng "can thiệp đường cong chuyển tiếp" này phải được tránh khi chọn hệ số dịch chỉnh.

5. Cắt sửa biên dạng răng (cắt sửa đầu răng và cắt sửa chân răng) và vát mép đầu răng bên trong hộp giảm tốc

Hình dạng răng tại đầu răng được cắt thành dạng hơi lồi hơn so với đường cong involute đúng. Khi bề mặt răng bị biến dạng do lực ngoài, điều này có thể tránh gây cản trở với bánh răng ăn khớp, giảm tiếng ồn và kéo dài tuổi thọ bánh răng. Cần lưu ý rằng nên tránh sửa chỉnh quá mức, vì việc sửa chỉnh quá mức sẽ làm tăng sai số hình dạng răng và ảnh hưởng xấu đến sự ăn khớp.

6. Phân tích Đặc tính Phát xạ Âm thanh của Bánh răng

Khi lựa chọn các bánh răng với các dạng cấu trúc khác nhau, một mô hình phát xạ âm thanh sẽ được thiết lập cho cấu trúc cụ thể, và phân tích động học được thực hiện để đánh giá trước mức độ ồn của hệ thống truyền động bánh răng. Điều này cho phép lựa chọn dựa trên các yêu cầu khác nhau của người dùng (vị trí sử dụng, có người giám sát hay không, khu vực đô thị hay không, yêu cầu cụ thể đối với công trình trên mặt đất hoặc dưới lòng đất, yêu cầu về bảo vệ tiếng ồn, hoặc không có yêu cầu cụ thể nào khác).

7. Tốc độ Hoạt động của Nguồn Động cơ Bộ giảm tốc Bánh răng

Các bài kiểm tra trên bộ giảm tốc ở các điều kiện tốc độ khác nhau cho thấy tiếng ồn tăng lên khi tốc độ đầu vào của bộ giảm tốc tăng.

8. Cấu trúc vỏ hộp số

Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy việc sử dụng vỏ hình trụ có lợi cho việc giảm rung động. Trong cùng điều kiện, vỏ hình trụ có mức độ ồn trung bình thấp hơn 5dB so với các loại vỏ khác. Kiểm tra cộng hưởng trên vỏ bộ giảm tốc được thực hiện để xác định các vị trí cộng hưởng. Việc thêm các gân gia cường (tấm) phù hợp có thể cải thiện độ cứng vững của vỏ, giảm rung động và đạt được hiệu quả giảm ồn. Đối với các truyền động nhiều cấp, cần tối thiểu hóa sự thay đổi tỷ số truyền tức thời để đảm bảo truyền động êm, ít va đập và rung động, đồng thời giảm tiếng ồn.

Nguyên nhân do sản xuất và các biện pháp khắc phục

1. Ảnh hưởng của sai số bánh răng bên trong bộ giảm tốc

Các lỗi trong sản xuất bánh răng, bao gồm sai lệch biên dạng răng, sai lệch bước cơ sở, sai lệch hướng răng và sai lệch độ đảo hướng kính của vành bánh răng, là những nguyên nhân chính gây ra tiếng ồn trong truyền động hộp giảm tốc hành tinh. Đây cũng là các yếu tố then chốt trong việc kiểm soát hiệu suất truyền động của các hộp giảm tốc hành tinh. Chúng tôi sẽ trình bày ngắn gọn về sai lệch biên dạng răng và sai lệch hướng răng.

Các bánh răng có sai lệch biên dạng răng nhỏ và độ nhám bề mặt răng nhỏ thì mức độ ồn thấp hơn 10 dB so với bánh răng thông thường trong cùng điều kiện thử nghiệm. Các bánh răng có sai lệch bước răng nhỏ thì mức độ ồn thấp hơn 6–12 dB so với bánh răng thông thường trong cùng điều kiện thử nghiệm. Tuy nhiên, nếu tồn tại sai lệch bước răng, ảnh hưởng của tải trọng đến tiếng ồn bánh răng sẽ bị giảm đi.

Lỗi hướng răng sẽ khiến công suất truyền động không được truyền qua toàn bộ chiều rộng răng. Diện tiếp xúc sẽ bị lệch về một trong hai đầu mặt của răng. Do ứng suất cục bộ tăng cao, răng sẽ bị biến dạng, dẫn đến tăng mức độ ồn. Tuy nhiên, dưới tải trọng cao, biến dạng của răng có thể phần nào bù trừ cho lỗi hướng răng.

2. Độ đồng tâm lắp ráp và cân bằng động

Lệch tâm trong quá trình lắp ráp sẽ dẫn đến mất cân bằng trong hệ trục, và sự ăn khớp không đều của các bánh răng (một bên lỏng, một bên chặt) sẽ làm tăng thêm tiếng ồn. Mất cân bằng khi lắp ráp các bộ truyền bánh răng độ chính xác cao sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ chính xác của hệ thống truyền động.

3. Độ cứng bề mặt bánh răng bên trong bộ giảm tốc

Với sự phát triển của công nghệ tôi cứng bánh răng, khả năng chịu tải cao, kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ và độ chính xác truyền động cao của bánh răng đã dẫn đến việc ứng dụng ngày càng rộng rãi. Tuy nhiên, quá trình tôi cứng bằng phương pháp khuếch tán và làm cứng gây ra biến dạng bánh răng, dẫn đến tăng tiếng ồn truyền động và rút ngắn tuổi thọ. Để giảm tiếng ồn, bề mặt răng cần được gia công tinh. Hiện nay, ngoài các phương pháp mài răng truyền thống, người ta đã phát triển phương pháp cạo bề mặt răng đã tôi cứng. Phương pháp này giảm tác động vào và ra của bánh răng bằng cách hiệu chỉnh đầu răng và chân răng, hoặc bằng cách giảm biên dạng răng của cả bánh chủ động và bị động, từ đó làm giảm tiếng ồn truyền động của bánh răng.

4. Xác minh hiệu suất hệ thống hộp số

Độ chính xác gia công của các chi tiết và phương pháp lựa chọn chi tiết trước khi lắp ráp (tính hoán đổi hoàn toàn, chọn theo nhóm, chọn từng chiếc một, v.v.) sẽ ảnh hưởng đến cấp độ chính xác của hệ thống đã lắp ráp, và mức độ tiếng ồn cũng nằm trong phạm vi ảnh hưởng. Do đó, việc kiểm tra (hoặc hiệu chuẩn) các chỉ tiêu hệ thống khác nhau sau khi lắp ráp là rất quan trọng để kiểm soát tiếng ồn hệ thống.

Nguyên nhân do lắp đặt và các biện pháp khắc phục

1. Các biện pháp giảm rung và chặn rung

Trong quá trình lắp đặt hộp số, cần tránh càng nhiều càng tốt hiện tượng cộng hưởng giữa thân hộp số và các bộ phận nền đỡ cũng như kết nối để ngăn ngừa phát sinh tiếng ồn. Hiện tượng cộng hưởng thường xảy ra ở một hoặc nhiều bánh răng bên trong hộp số trong những dải tốc độ nhất định. Ngoài các nguyên nhân do thiết kế, điều này liên quan trực tiếp đến việc không xác định được vị trí cộng hưởng trong quá trình kiểm tra không tải và không thực hiện các biện pháp giảm chấn hoặc cách ly rung động tương ứng. Đối với một số hộp số yêu cầu độ ồn và rung động truyền động thấp, nên chọn các vật liệu nền có độ bền kéo cao, khả năng giảm chấn tốt để giảm tiếng ồn và rung động.

2. Điều chỉnh độ chính xác hình học của các thành phần

Nếu độ chính xác hình học không đạt yêu cầu tiêu chuẩn trong quá trình lắp đặt, có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng của các bộ phận hộp số, dẫn đến phát sinh tiếng ồn. Điều này liên quan trực tiếp đến việc cải thiện quy trình lắp đặt, tăng cường sử dụng đồ gá và đảm bảo chất lượng tổng thể của nhân viên lắp ráp.

3. Các bộ phận bị lỏng

Trong quá trình lắp đặt, việc lỏng lẻo các bộ phận riêng lẻ (như cơ chế tải trước ổ bi, cơ chế định vị trục, v.v.) có thể dẫn đến định vị hệ thống không chính xác, ăn khớp bất thường, chuyển động trục và rung động, gây ra tiếng ồn. Điều này đòi hỏi một phương pháp thiết kế kết cấu nhằm đảm bảo các kết nối ổn định giữa các cơ cấu và sử dụng nhiều phương pháp kết nối.

4. Bộ phận truyền động bị hư hỏng

Thao tác không đúng trong quá trình lắp đặt có thể làm hư hại các bộ phận truyền động, dẫn đến chuyển động của hệ thống không chính xác hoặc không ổn định; hư hại các bộ phận chuyển động tốc độ cao có thể gây ra hiện tượng rung màng dầu; sai sót do con người có thể gây mất cân bằng động ở các bộ phận chuyển động; tất cả những điều này đều tạo ra rung động và tiếng ồn. Những nguyên nhân này cần được xem xét kỹ lưỡng và tránh trong quá trình lắp đặt. Các bộ phận bị hư hỏng không thể sửa chữa phải được thay thế để đảm bảo mức độ ồn ổn định cho hệ thống.

Nguyên nhân và biện pháp khắc phục trong sử dụng và bảo trì
Mặc dù việc sử dụng và bảo dưỡng đúng cách bộ giảm tốc không thể giảm mức độ ồn của hệ thống hoặc đảm bảo độ chính xác truyền động, nhưng nó có thể ngăn ngừa suy giảm hiệu suất và kéo dài tuổi thọ phục vụ.

1. Vệ sinh bên trong

Độ sạch của các bộ phận bên trong bộ giảm tốc là yếu tố cơ bản đối với hoạt động bình thường của nó. Sự xâm nhập của bất kỳ tạp chất hay chất gây nhiễm bẩn nào cũng sẽ ảnh hưởng và làm hư hại hệ thống truyền động, dẫn đến phát sinh tiếng ồn.

2. Nhiệt độ vận hành

Đảm bảo bộ giảm tốc hoạt động ở nhiệt độ bình thường để tránh biến dạng các bộ phận do nhiệt độ tăng quá mức, đảm bảo sự ăn khớp bánh răng phù hợp, và do đó ngăn ngừa tiếng ồn gia tăng.

3. Bôi trơn kịp thời và sử dụng dầu đúng cách

Bôi trơn không đúng cách và sử dụng mỡ bôi trơn không phù hợp sẽ gây ra những tổn hại nghiêm trọng không lường trước đối với bộ giảm tốc. Ở tốc độ cao, ma sát bề mặt răng bánh răng sinh ra một lượng lớn nhiệt. Bôi trơn không đúng sẽ dẫn đến hư hỏng răng bánh răng, ảnh hưởng độ chính xác và làm tăng tiếng ồn. Thiết kế yêu cầu phải có khe hở phù hợp trong cặp bánh răng (khe hở giữa các bề mặt không làm việc của các răng ăn khớp nhằm bù trừ biến dạng nhiệt và chứa mỡ bôi trơn). Việc sử dụng và lựa chọn đúng loại mỡ bôi trơn có thể đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và hiệu quả, làm chậm quá trình suy giảm và ổn định mức độ tiếng ồn.

4. Sử dụng đúng bộ giảm tốc

Sử dụng đúng cách bộ giảm tốc có thể giảm thiểu tổn hại đối với các bộ phận và đảm bảo mức tiếng ồn ổn định. Tiếng ồn của bộ giảm tốc tăng theo tải, do đó cần sử dụng trong phạm vi tải bình thường.

5. Bảo dưỡng và bảo trì định kỳ

Bảo trì định kỳ (thay dầu, thay các bộ phận bị mài mòn, siết chặt các bulong bị chùng, loại bỏ các mảnh vụn bên trong, điều chỉnh khe hở các bộ phận về giá trị tiêu chuẩn và kiểm tra độ chính xác hình học, v.v.) có thể cải thiện khả năng giảm suy giảm mức độ ồn của bộ giảm tốc và duy trì điều kiện hoạt động ổn định.

Kiểm soát độ ồn của truyền động bộ giảm tốc là một dự án hệ thống, liên quan toàn bộ quá trình thiết kế, chế tạo, lắp đặt, sử dụng, bảo trì và thậm chí thay thế hệ thống truyền động (bánh răng, vỏ hộp, các bộ phận nối, ổ trục, v.v.). Điều này đặt ra nhiều yêu cầu không chỉ đối với các nhà thiết kế và nhà sản xuất mà còn đối với những người lắp đặt, người sử dụng và nhân viên bảo trì. Nếu bất kỳ khía cạnh nào trong số này không được kiểm soát hiệu quả, công tác kiểm soát độ ồn của truyền động bánh răng sẽ thất bại.