Ouça o som das engrenagens e explore os mistérios da transmissão de potência!

Clique no texto azul para nos seguir. Este artigo aborda principalmente a complexidade do ruído das engrenagens e os princípios de design centrais para reduzir o ruído das engrenagens.

A Complexidade do Ruído das Engrenagens

A complexidade do ruído das engrenagens pode ser geralmente resumida em quatro aspectos-chave.

Ainda há uma falta de correlação confiável entre valores objetivos de medição de ruído e avaliação subjetiva. De fato, a qualidade sonora do ruído afeta muito a percepção subjetiva humana. Atualmente, os métodos de avaliação objetiva da qualidade sonora são insuficientes, e testes subjetivos em estrada de veículos são amplamente adotados para verificação final do desempenho NVH de sistemas de acionamento elétrico.

Os seres humanos têm erros de discriminação relativamente grandes para ruído. Tomando a sonoridade como exemplo, um único testador tem um erro de probabilidade de ±6 phon (equivalente a ±6 dB a 1000 Hz), o que significa que o testador dificilmente consegue distinguir ruídos com uma variação de 4:1 no nível de pressão sonora. O erro de probabilidade de discriminação de sonoridade pode ser reduzido quando avaliado por um grupo de teste com várias pessoas. No entanto, erros ainda existem devido ao efeito de mascaramento do ruído ambiente. Para uma avaliação de ruído mais precisa, instrumentos acústicos em uma câmara anecoica são comumente usados para obter dados de teste confiáveis.

Numerosos parâmetros de design afetam o ruído das engrenagens, e esses parâmetros interagem entre si. A complexidade inerente dos perfis dos dentes das engrenagens significa que a modificação de um parâmetro pode facilmente alterar outras características geométricas do par de engrenagens.

Tolerâncias de fabricação impõem impactos na avaliação de design otimizado. É impossível fabricar duas engrenagens idênticas em produção em massa. Portanto, a avaliação de modificações de design de engrenagens deve ser baseada em resultados estatísticos de um grande lote de engrenagens dentro da faixa de tolerância de fabricação permitida. Isso leva a um certo risco de julgamento incorreto na avaliação NVH no estágio de protótipo, e o desempenho NVH pode até mesmo deteriorar na fase inicial de produção em massa.

No geral, a maioria das soluções práticas de controle de ruído de engrenagens é acumulada a partir da experiência de projeto dos fabricantes, em vez de derivação teórica rigorosa.

Dois Tipos de Mecanismos de Geração de Ruído

1. Ruído de Aceleração

Quando as engrenagens engrenam, o impacto gera aceleração significativa nos componentes da engrenagem e perturba o meio circundante. Essa perturbação produz radiação acústica, que primeiro se propaga através do ar e do óleo lubrificante dentro do redutor e, finalmente, irradia para fora através da carcaça da caixa de engrenagens.

2. Ruído Autoexcitado

Sob força de engrenamento dinâmica, ocorre vibração em cada componente da engrenagem. Tal vibração é transferida através dos eixos das engrenagens e excita a vibração da carcaça, que então irradia ruído através da vibração das superfícies da parede da caixa. O ruído autoexcitado serve como a principal fonte de ruído das engrenagens.

A manifestação externa da força de excitação dinâmica durante o engrenamento dos dentes é o erro de transmissão do par de engrenagens.

Princípios de Design para Redução de Ruído de Engrenagens

Parâmetros de design sensíveis-chave relacionados ao ruído das engrenagens incluem módulo, ângulo de pressão, ângulo de hélice, coeficiente de adendo, estrutura do eixo e suporte, tolerância do perfil do dente e modificação da engrenagem.

Módulo

Um módulo menor gera menor ruído de engrenagem. Na premissa de satisfazer os requisitos de resistência à flexão, um módulo menor é preferível. Para engrenagens de veículos elétricos, o módulo pode ser tão baixo quanto aproximadamente 1,3. A correlação entre módulo e ruído de engrenagem vem principalmente de sua influência na relação de contato. Tanto a relação de contato transversal quanto a relação de contato axial são funções lineares do módulo. Um módulo menor aumenta o número de dentes engatados simultaneamente e reduz a carga suportada por cada dente. Sob a mesma relação de contato, engrenagens com módulos menores engrenam mais perto do círculo de passo, o que reduz a relação de deslizamento e a sensibilidade ao desvio involuto, permitindo uma operação mais suave da engrenagem.

Ângulo de Pressão

Selecionar um ângulo de pressão menor ajuda a reduzir o ruído da engrenagem. A relação de contato transversal aumenta rapidamente com a diminuição do ângulo de pressão. O ângulo de pressão reduzido diminui a taxa de engrenamento e o carregamento dinâmico instantâneo no início e no fim do engrenamento. Um ângulo de pressão menor reduz a rigidez do dente e a flutuação de carga causada por erros dimensionais, de modo a reduzir o nível de ruído.

No entanto, um ângulo de pressão excessivamente pequeno torna o ponto de engrenamento inicial muito próximo do círculo base, resultando em uma alta relação de deslizamento e aumento da tensão de flexão e tensão de contato. Considerando a cadeia de tolerância completa, a distância radial entre o ponto de contato mais baixo e o círculo base é normalmente controlada entre 0,125 mm e 0,25 mm.

Ângulo de Hélice

Um ângulo de hélice maior é benéfico para a redução de ruído. No entanto, um ângulo de hélice excessivo gerará uma carga axial pesada que pode exceder a capacidade de carga axial dos rolamentos. Se os rolamentos de esferas não puderem atender aos requisitos de carga e rolamentos de rolos cilíndricos tiverem que ser adotados, a eficiência de transmissão diminuirá.

Coeficiente de Adendo

O princípio de seleção do coeficiente de adendo é obter um pequeno ângulo de aproximação e um grande ângulo de recessão. Para engrenagens helicoidais, a linha de contato ao longo da largura do dente é inclinada. O deslizamento ocorre simultaneamente em ambos os lados do diâmetro de passo de um único dente. Se a superfície da engrenagem tiver baixa rugosidade e boa lubrificação, a força de atrito não será excessiva e sua influência no ruído é insignificante. Para engrenagens retas, o engrenamento durante a fase de recessão opera de forma mais silenciosa. Na fase de aproximação, a carga normal aumenta juntamente com a força de atrito, o que gera maior ruído de engrenamento.

Estrutura do Eixo e Suporte

Parâmetros de design, incluindo rigidez de eixos e suportes, concentricidade e batimento radial, exercem influências óbvias no ruído das engrenagens. Deformação por flexão causada por rigidez insuficiente, juntamente com desvio de concentricidade excessivo e batimento radial, destruirá a condição adequada de engrenamento e induzirá ruído.

Ao arranjar eixos e suportes, minimize o vão entre os suportes para limitar a deformação do eixo sob carga. As ranhuras nos eixos devem levar em conta o efeito de desgaste causado pela direção do torque, evitando ruído anormal originado do desgaste da ranhura.

A carcaça da caixa de engrenagens deve ser projetada com rigidez suficiente. Rigidez insuficiente da carcaça piorará o desempenho do ruído.

Tolerância do Dente e Modificação da Engrenagem

A modificação da engrenagem é amplamente adotada para otimizar o desempenho do ruído. A modificação é classificada em três categorias: modificação de perfil (ao longo da direção da altura do dente), modificação de avanço (ao longo da direção da largura do dente) e modificação topológica abrangente. Essas tecnologias são mais comumente usadas em redutores de nova energia para otimização NVH, redução de erro de transmissão e melhoria da distribuição de carga.

1. Alívio de Ponta

• Micro-remoção de material de um curto segmento de involuta na ponta do dente; curvas disponíveis incluem linha reta, arco circular e parábola.
• Funções: neutralizar a deformação elástica dos dentes da engrenagem sob carga, reduzir o impacto de entrada e saída de engrenamento correspondente ao ângulo de aproximação, cortar vibração e ruído, e evitar interferência na borda da ponta. É uma modificação obrigatória para engrenagens de acionamento elétrico de carros de passeio.
• Três fatores centrais: ponto de partida do alívio, quantidade máxima de modificação e curva de alívio.

2. Alívio de Raiz

• Remoção de material da involuta na zona da raiz do dente. Use com cautela, pois enfraquece a resistência à flexão da raiz do dente.
• Cenário de aplicação: processo de retificação. O alívio de raiz no pinhão pode substituir o alívio de ponta na engrenagem de coroa para otimizar o comportamento de saída de engrenamento.

3. Coroamento de Perfil

• Mais espesso no meio da altura do dente, com redução de material na ponta e na raiz do dente. Compensa o desvio do ângulo de pressão e suprime a flutuação do erro de transmissão em todas as condições de funcionamento, amplamente aplicado para engrenagens de alta velocidade.

4. Modificação do Ângulo de Pressão

• Deslocamento integral da curva involuta, equivalente a ajustar virtualmente o ângulo de pressão, para alterar a posição de contato de engrenamento.

5. Coroamento de Avanço

• Espessura ligeiramente maior no meio da largura do dente, com redução suave de material em ambas as extremidades (arco circular ou parábola).
• Funções: evitar contato na borda nas extremidades do dente sob flexão do eixo e desalinhamento de montagem, concentrar o padrão de contato no meio da largura do dente. O coroamento de avanço é quase obrigatório para pinhões em redutores de acionamento elétrico.

6. Modificação do Ângulo de Hélice

• Deslocamento linear do traço do dente ao longo da largura do dente, equivalente a um pequeno ajuste do ângulo de hélice, compensando a inclinação do eixo sob carga e resolvendo a carga desigual unilateral.

7. Alívio de Extremidade

• Remoção de material apenas nos dois segmentos de extremidade da largura do dente (5-10% da largura total do dente), enquanto a superfície central do dente permanece inalterada.
• Diferença do coroamento: o coroamento apresenta variação suave em toda a largura do dente; o alívio de extremidade processa apenas ambas as extremidades. É adequado para engrenagens com pequena largura de dente e projetos com custo limitado, evitando concentração de tensão nos cantos agudos dos dentes.

8. Modificação de Torção de Avanço

• A quantidade de modificação de avanço varia com a altura do dente simultaneamente, compensando deformações complexas acopladas (flexão do eixo mais deformação térmica). Principalmente aplicado em caixas de engrenagens de serviço pesado.

Notas Importantes:

1. Mais modificação não significa melhor desempenho. Modificação excessiva reduz a largura efetiva do dente de engrenamento, levando ao aumento da tensão e à redução da vida útil. A quantidade de modificação deve ser determinada por simulação de deformação sob carga por meio de software como MASTA, em vez de depender puramente da experiência.
2. Normalmente, apenas o pinhão é modificado; a engrenagem de coroa correspondente adota pouca ou nenhuma modificação.
3. A modificação de perfil controla o impacto de entrada/saída de engrenamento e o erro de transmissão; a modificação de avanço governa a distribuição de carga ao longo da largura do dente e evita o carregamento parcial.