Inspeção de Engrenagens e Controle de Qualidade: Métodos para Teste NVH de Engrenagens

Nos campos do transporte ferroviário moderno, aviação e equipamentos mecânicos de alta gama, a transmissão por engrenagens não exige apenas alta eficiência e confiabilidade, mas também um excelente desempenho NVH (Noise, Vibration, Harshness). O nível de NVH afeta diretamente a experiência do usuário e a vida útil, tendo também um profundo impacto nos custos de manutenção dos equipamentos e na imagem da marca. Este artigo apresentará de forma sistemática os métodos de teste, os fatores influentes e as estratégias de otimização para NVH das engrenagens.

1. A Importância do NVH nas Caixas de Marcha

Durante a transmissão de marchas, quaisquer pequenos erros geométricos, desvios de montagem ou defeitos nos materiais podem ser convertidos em fontes de vibração e ruído durante o engrenamento. Para caixas de engrenagens de trens ferroviários, o alto nível de ruído não apenas afeta o conforto dos passageiros, mas também intensifica o dano por fadiga em componentes como rolamentos e engrenagens, reduzindo assim a vida útil de toda a máquina. Sem alterar o material e o esquema de transmissão, por meio de testes e otimização científica de NVH (Noise, Vibration and Harshness), podemos obter os benefícios duplos da redução do ruído e da melhoria da vida útil.

A vibração e o ruído gerados na caixa de engrenagens são transmitidos para outras partes do veículo por meio da resposta do invólucro. A fonte de excitação é principalmente o erro de transmissão, e os caminhos de transmissão incluem engrenagem-eixo-rolamento-invólucro e engrenagem-ar-invólucro.

2. Principais Fontes de Ruído nas Engrenagens

Erros no Perfil e na Hélice dos Dentes: O engrenamento irregular causado por esses erros leva a impactos no engrenamento, resultando em picos elevados de ruído.

Rugosidade Excessiva na Superfície dos Dentes da Engrenagem: Afeta diretamente o estado de contato do engrenamento e gera ruído de alta frequência.

Eccentricidade e Desalinhamento Radial na Montagem: Causam força desigual nos pontos de engrenamento, resultando em ruído periódico.

Sobreposição de Frequências de Ressonância: Quando a frequência de engrenamento está próxima da frequência de ressonância da caixa, eixo ou estrutura externa, o ruído será significativamente amplificado.

3. Métodos de Teste de Ruído em Engrenagens

3.1 Medição Acústica

Utilizar microfones em campo livre para medir o nível de pressão sonora (dB) da caixa de engrenagens durante a operação.

A análise da intensidade sonora pode identificar as principais fontes de ruído.

Os testes devem ser realizados em uma câmara anecoica ou em ambiente semi-anecoico para evitar interferências do ruído ambiental.

Por exemplo, nos testes acústicos de bondinhos (trams), são utilizados arranjos de microfones para detectar fontes de ruído em componentes como o corpo do trem, estrutura do bogie e elementos do conjunto de rodas. As regiões acústicas envolvem a caixa de engrenagens, tampa do bogie, entre outros.

3.2 Análise de Vibração

Utilize acelerômetros triaxiais para registrar sinais de vibração em várias direções da caixa de engrenagens.

Por meio da análise FFT (Transformada Rápida de Fourier), converta os sinais de vibração em espectrogramas para determinar a presença de componentes de frequência anormais.

Pode ser combinado com a análise de ordem para distinguir a frequência de engrenamento das engrenagens de vibrações de outros componentes mecânicos.

O espectro de frequência pode mostrar a amplitude correspondente a diferentes frequências, como 1x Engrenagem, 1x Pinhão, 1xGMF (Frequência de Engrenamento das Engrenagens), 2xGMF, 3xGMF, etc. Para engrenagens retas, a vibração radial é mais acentuada, enquanto para engrenagens helicoidais, a vibração axial é mais evidente.

3.3 Teste de Rugosidade Superficial

Utilize rugosímetros (como o Taylor Hobson Talysurf) para medir parâmetros como Ra e Rz da superfície dos dentes.

Uma rugosidade superficial excessiva não apenas aumenta o atrito, mas também amplifica o ruído de engrenamento.

Para engrenagens de alta velocidade, recomenda-se que Ra ≤ 0,4 μm para reduzir componentes de ruído de alta frequência.

4. Estratégias de Otimização de NVH

4.1 Otimização da Modificação da Superfície dos Dentes

Alívio na Ponta e na Raiz: Aliviar o impacto quando a raiz do dente engrena.

Aplainamento: Reduzir a concentração de carga ao longo da direção do dente. Ao otimizar a modificação, a força de impacto no engrenamento pode ser efetivamente reduzida, suprimindo o ruído na fonte.

Existem vários métodos de modificação, como engrenagens helicoidais duplamente aplainadas com diferentes perfis parabólicos (parábola de segunda, quarta e sexta ordem), engrenagens com aplainamento de contorno com características como redução da pressão na base e folga na ponta, etc. Diferentes métodos de modificação resultam em diferentes trajetórias de contato durante o engrenamento.

4.2 Melhoria da Rugosidade Superficial

Utilizar tecnologias de retificação de precisão, lapidação ou polimento e laminação para reduzir a rugosidade superficial.

Através do endurecimento por rolamento, não apenas o valor Ra pode ser reduzido, mas também a qualidade da camada endurecida da superfície dos dentes pode ser melhorada.

A retificação é um processo eficaz. O eixo da ferramenta de retificação é ajustado adequadamente, e a ferramenta de retificação (uma engrenagem interna de precisão feita de cerâmica abrasiva, como alumina, com um ângulo de hélice específico) processa a engrenagem a ser trabalhada. Durante a operação, a direção de processamento (contato) da superfície do dente da engrenagem é praticamente a mesma que durante o engrenamento real das engrenagens.

4.3 Balanceamento Dinâmico e Precisão de Montagem

Realizar testes de balanceamento dinâmico em engrenagens e eixos para reduzir fontes de vibração.

Controlar o desalinhamento radial (Fr) e o desalinhamento axial (Fa) durante a montagem, evitando cargas desiguais.

5. Normas e Requisitos de Teste

As normas internacionais e da indústria possuem requisitos claros para o desempenho NVH das engrenagens:

ISO 1328: Especifica as classes de precisão e as faixas de erro das engrenagens.

ISO 8579: Trata da medição do ruído em transmissões por engrenagens.

ISO 10816: Abrange os padrões de monitoramento e avaliação de vibração.

Ao integrar os testes de NVH ao controle de qualidade em todo o processo de produção, pode-se garantir a tranquilidade e estabilidade do sistema de transmissão antes que o produto saia da fábrica.

Os testes de NVH das engrenagens não são apenas parte da inspeção de fábrica, mas devem percorrer todo o processo de projeto, usinagem e montagem das engrenagens. Por meio de medições acústicas sistemáticas, análise de vibração e medição da rugosidade superficial, combinadas com otimização de modificações e tecnologia de usinagem de precisão, a operação silenciosa e a vida útil da caixa de engrenagens podem ser significativamente melhoradas, sem aumento de custos. Isso não é apenas uma demonstração da competitividade do produto, mas também uma tendência inevitável no desenvolvimento de alta qualidade da indústria moderna de fabricação mecânica.