Technologie de contrôle NVH des engrenages: connaissances de l'industrie en matière de réduction du bruit des engrenages
1L'essence et les sources du bruit des engins
Le bruit des engrenages, le problème central de la NVH (bruit, vibration et dureté) dans les systèmes de transmission, est essentiellement le rayonnement sonore généré par la résonance structurelle.Les forces d'excitation périodiques produites lors du maillage des engrenages sont transmises à la boîte à engrenages par les arbres et les roulementsLes sources de bruit des engins peuvent être divisées en trois catégories:
1.1 L'excitation de la conception (cause profonde)
Variation de la rigidité des mailles: le nombre de paires de dents de mailles change instantanément (par exemple, le rapport de contact passe de 1 à 2) lorsque les engrenages s'engagent et se déconnectent,entraînant une mutation de la rigidité et des vibrations d'impact.
Erreur de profil dentaire: les écarts entre le profil dentaire involué théorique et le profil dentaire usiné réel entraînent des fluctuations du rapport de transmission instantanée, provoquant une vibration instable.
Résonance: lorsque la fréquence de maillage de l'engrenage coïncide avec la fréquence naturelle de la boîte ou de l'arbre, l'effet de vibration est amplifié, augmentant considérablement le bruit.
1.2 Erreurs de fabrication (facteur d'amplification)
Erreur cumulative de cadence: provoque une rotation inégale des engrenages et génère un bruit de basse fréquence.
Roughness de la surface des dents: les surfaces rugueuses produisent un sifflement à haute fréquence dû au frottement lors d'un fonctionnement à grande vitesse.
Déséquilibre dynamique: les engrenages à grande vitesse déséquilibrés génèrent une force centrifuge, ce qui entraîne de fortes vibrations et du bruit.
1.3 Montage et lubrification (facteur inducteur)
Déviation de la distance du centre: un ensemble trop serré provoque un bruit d'interférence, tandis qu'un ensemble lâche entraîne un bruit d'impact entre les engrenages.
Une lubrification inappropriée: une graisse trop visqueuse provoque un bruit de perte de tourbillon, tandis qu'une viscosité insuffisante entraîne un bruit de lubrification limite en raison d'un contact direct métal à métal.
2Optimisation de la conception: réduction de l'excitation de la source
L'optimisation de la conception est le maillon le plus critique dans le contrôle du bruit des engrenages, car elle peut éliminer 70% des risques de bruit au stade du dessin.
2.1 Modification du profil des dents
Il s'agit de la principale méthode de réduction du bruit qui permet d'éviter les interférences dentaires causées par la déformation de la charge des engrenages standard:
Soulagement de l'extrémité: enlever une petite quantité de matériau de l'extrémité de la dent pour éliminer l'impact de l'engagement.
Coupe sous la racine: empêcher les interférences entre les dents des engrenages.
Couronnement: La largeur de la dent doit être légèrement convexe pour compenser la charge inégale causée par la déformation de l'arbre.
Recommandation d'outil: Utilisez un logiciel professionnel tel que Kisssoft ou Romax, entrez le spectre de charge pour générer automatiquement la quantité de modification optimale.01 mm de relief de pointe peut réduire le bruit jusqu'à 8 dB dans les projets pratiques.
2.2 Optimisation du rapport de contact
L'augmentation du rapport de contact permet à plus de paires de dents d'être en maille simultanément, ce qui permet une répartition uniforme de la charge et une réduction des vibrations:
Stratégies de base: augmenter le coefficient d'addition de manière appropriée ou adopter des engrenages hélicoïdaux.et leur processus de maillage progressif réduit le bruit.
Note: Les engrenages hélicoïdaux génèrent une force axiale, ce qui nécessite la conception de roulements de poussée ou de structures de poussée, ce qui augmente la complexité structurelle.
2.3 Balance du module et nombre de dents
Dans le cadre de la réalisation des exigences en matière de résistance, le principe du "module petit, plus de dents" est propice à la réduction du bruit.résultant d'un profil dentaire plus plat et d'un maillage plus stablePar exemple, réduire le module de la roue de marche d'un robot aspirateur de 1,0 à 0.8 et augmenter le nombre de dents de 20 à 25 réduit non seulement considérablement le bruit, mais aussi raccourcit le cycle de moulage par injection et réduit les coûts en raison de l'épaisseur des dents plus mince.
3Sélection des matériaux: compromis entre engrenages métalliques et plastiques
Les caractéristiques d'amortissement des matériaux déterminent directement la capacité d'absorption de l'énergie vibratoire, et la sélection rationnelle des matériaux est la clé de la réduction du bruit.Les scénarios et les compétences d'optimisation applicables des engrenages en métal et en plastique sont les suivants::
3.1 engrenages en plastique (POM/PA/PEEK)
Avantages: Amortissement inhérent élevé pour une absorption efficace de l'énergie de vibration; auto-lubrification sans graisse supplémentaire; faible coût de fabrication.
Inconvénients: Faible résistance, faible conductivité thermique et faible stabilité dimensionnelle affectée par la température et l'humidité.
Scénarios applicables: Applications à faible vitesse et à charge légère extrêmement sensibles au bruit, telles que les appareils électroménagers et les équipements de bureau.
Compétences d'optimisation: adopter l'appariement d'arbre en acier + engrenage en plastique pour exploiter les performances d'absorption du bruit à haute fréquence du plastique.
3.2 engrenages métalliques (acier inoxydable/acier allié)
Avantages: résistance élevée, précision élevée et longue durée de vie, adaptée à la transmission à forte charge.
Inconvénients: La rigidité élevée entraîne une transmission facile des vibrations et un bruit fort et fort.
Scénarios applicables: systèmes de transmission à grande vitesse, à forte charge et de haute précision, tels que des joints robotiques et des outils chirurgicaux médicaux.
Compétences d'optimisation: Utilisez la technologie de la métallurgie des poudres (les micropores internes fournissent un certain amortissement) ou le pincement par tir (introduire une contrainte de compression de surface pour réduire les vibrations) pour la fabrication.
3.3 Transmission hybride
Adopter des engrenages en plastique pour la première étape pour réduire le bruit et des engrenages en métal pour la deuxième étape pour transmettre le couple.équilibrer les effets de réduction du bruit et l'efficacité de la transmission.
4Montage et lubrification: le dernier maillon essentiel
Une excellente conception nécessite un montage précis et une lubrification scientifique pour réaliser des effets de réduction du bruit, qui est le "dernier kilomètre" du contrôle NVH des engrenages:
4.1 Contrôle à distance centrale
Contrôler strictement la tolérance de la position du roulement de la boîte de vitesses; l'ajustement H7/k6 est recommandé pour une transmission de haute précision afin d'assurer la stabilité de la distance centrale.Utilisez des joints spéciaux pendant l'assemblage pour éviter la flexion de l'arbre causée par l'installation forcée de la presse, ce qui empêche la déviation de la distance centrale et le bruit qui en résulte.
4.2 Sélection de la graisse
La sélection scientifique des graisses est la clé de la réduction du bruit de friction et les principes de sélection sont les suivants:
Viscosité: sélectionner une graisse de faible viscosité (viscosité de l'huile de base ≤ 100 cSt) pour le fonctionnement à grande vitesse et une graisse de haute viscosité pour le fonctionnement à basse vitesse.
Consistance: la catégorie NLGI 2 est la plus couramment utilisée; la catégorie NLGI 1 peut être utilisée pour des vitesses ultra-hautes afin de réduire la résistance à l'agitation.
Additifs: La graisse contenant du disulfure de molybdène ou du PTFE peut réduire le bruit de friction, mais il convient de veiller à la compatibilité des matériaux pour éviter la corrosion du plastique.
Quantité de revêtement: remplir 30% à 50% de l'espace de surface de la dent; une graisse excessive provoquera un chauffage et un bruit accrus.
4.3 Évitement de la résonance des boîtes de vitesses
La coque de la boîte de vitesses est la principale source de rayonnement sonore et l'évitement de la résonance peut être réalisé par les mesures suivantes:
Ribes de renforcement: Concevoir des ribes de renforcement sur la paroi interne de la coque pour augmenter la fréquence naturelle et éviter le chevauchement avec la fréquence de mise en maille des engrenages.
Matériaux d'amortissement: ajouter des joints en caoutchouc à l'assemblage de la coque pour bloquer la voie de transmission des vibrations.
Vérification de la simulation: utiliser le module ANSYS Modal pour analyser le mode de la boîte, en veillant à ce que les six premières fréquences naturelles ne se trouvent pas dans la plage de vitesse de fonctionnement.
5- Cas pratique: développement de boîtes de vitesses silencieuses pour robots aspirateurs
5.1 Contexte du projet
Le mécanisme de marche d'un robot aspirateur avait un bruit excessif (décrit comme "tracteur" par les utilisateurs), ce qui a conduit à un grand nombre de plaintes des clients.
5.2 Analyse des problèmes
Les engrenages à éperons non modifiés en matériau POM présentant un impact de maillage sévère;
une vitesse du moteur de 10000 tr/min, ce qui donne une vitesse linéaire élevée après décélération;
Boîte de vitesses ABS à paroi mince avec résonance évidente et forte radioactivité sonore.
5.3 Système d'optimisation
Profil des dents: changement à des engrenages hélicoïdaux avec un angle d'hélice de 15°, augmentation du rapport de contact à 1.6;
Modification: calculée par Kisssoft et effectuée avec un relief de pointe de 0,02 mm;
Matériau: remplacer les engrenages par du PA66+30%GF pour améliorer la résistance et permettre une réduction du module;
Structure: augmenter l'épaisseur de la paroi de la boîte de vitesses de 0,5 mm et ajouter des côtes de renforcement croisées;
Lubrification: sélectionner une graisse synthétique de faible viscosité avec une quantité de remplissage de 40%.
5.4 Résultat d'optimisation
Le bruit du mécanisme de marche a été réduit de 75 dB à 62 dB, atteignant le niveau de pointe de l'industrie, et le projet a été produit en série avec succès.
6Principaux principes et perspectives de l'industrie
Le contrôle du bruit des engrenages est une ingénierie de systèmes impliquant l'acoustique, la science des matériaux, la mécanique et d'autres disciplines, et il n'existe pas de solution unique.
Le noyau du développement de produits de transmission de haute qualité est la boucle fermée de "prédiction par simulation + vérification expérimentale",qui peut éliminer les problèmes de bruit avant l'ouverture du moule et réduire les coûts de R & D.
Pour les appareils électroniques grand public, les équipements médicaux et autres produits proches de l'utilisateur, les performances silencieuses constituent une incarnation importante de la qualité des produits.La maîtrise du bruit est essentielle pour améliorer l'expérience utilisateur et réduire les plaintes des clients.
L'orientation future du contrôle du bruit des engrenages réside dans l'appariement précis des technologies multi-liens, telles que l'application de nouveaux matériaux d'amortissement, l'optimisation des paramètres basée sur l'IA,et fabrication additive de structures d'amortissement complexes.