INTRODUCERE
De obicei, angrenajele reprezint cele mai importante surse de
zgomot i vibraii din structura mainilor i utilajelor mecanice, avnd
o pondere nsemnat n determinarea nivelului global de zgomot i
vibraii. Sursele de excitaie n funcionarea transmisiilor prin roi
dinate pot fi interne sau externe sistemului. n prima categorie se
includ: ncrcarea variabil a unei perechi de dini, deplasrile
relative cauzate de rigiditatea variabil a danturii, deplasrile
relative variabile sau ocurile cauzate de erorile de angrenare,
forele de frecare variabile ca sens, forele axiale variabile ca
poziie la angrenajele cu dini nclinai, excitaiile din lagrele cu
rulmeni sau cu alunecare etc.Excitaiile externe sunt generate de
variaia cuplului de acionare sau a cuplului rezistent, care este
specific fiecrei maini sau utilaj mecanic.Comportarea vibroacustic
a angrenajelor este influenat de urmtorii parametri: parametrii
constructivi (modul, unghiul de nclinare al dintelui, flancarea
dintelui, material etc.); parametrii tehnologici (clasa de
precizie, eroarea de form a profilului, rugozitatea flancurilor
active, eroarea de direcie a dintelui etc.); parametri de
exploatare (viteza, sarcina, ungerea).n tabelul urmator sunt
sintetizai parametrii constructivi ai angrenajelor i carcasei
careinflueneaz nivelul de zgomot si vibraii.
Creteri importante ale nivelului de zgomot, cu circa 20 dB, sunt
determinate de erorile de form ale profilului, care au frecvene
ridicate, frecvene care pot s coincid cu frecvenele proprii relativ
mari ale transmisiei. Creterea calitii suprafeelor de lucru ale
flancurilor are un efect pozitiv asupra nivelului de zgomot,
remarcndu-se o reducere cu 3-4 dB a nivelului de zgomot la dantura
rectificat n raport cu dantura frezat.Nivelul de vibraii i zgomot
produs de un angrenaj n funcionare crete cu ncrcarea transmis i cu
viteza unghiular. Se constat c o dublare a nivelului de ncrcare are
ca efect o cretere a nivelului de zgomot cu 3-4dB, iar dublarea
turaiei produce o cretere cu 6-7dB, la aceeai ncrcare. Funcionarea
angrenajului trebuie s se realizeze la turaii care s evite
fenomenul de rezonan. Influena vscozitii uleiului asupra comportrii
vibroacustice a angrenajelor este neglijabil.Pentru optimizarea
dinamic a cutiilor de vitez cu roi dinate este necesar cunoaterea
spectrului de frecvene proprii i a frecvenelor de excitaie.La
sistemele slab amortizate, cum sunt cutiile de viteze cu roi
dinate, este necesar s se evite fenomenul de rezonan, care produce
o mrire a forelor dinamice din angrenaje, nsoit de o cretere a
emisiei de zgomot i o reducere a siguranei n funcionare. n cazul
sistemelor de acionare complexe, care utilizeaz cutii de viteze cu
trepte multiple, spectrul frecvenelor proprii i cel al frecvenelor
de excitaie prezint foarte multe vrfuri i din considerente
economice, nu se poate asigura condiia primordial a optimizrii
(neegalitatea frecvenelor proprii cu cele aleexcitaiei). Se
definesc ca fiind frecvene proprii critice, frecvenele proprii
pentru care frecvenele dinamice ce apar n angrenare devin foarte
mari.Vrfurile din spectrul de frecven corespunztoare frecvenei de
angrenare i armonicelor acesteia sunt create de ocurile periodice
care apar n procesul de angrenare datorit abaterilor de la profilul
ideal aprute n procesul de prelucrare sau rezultate n exploatare
printr-o uzare neuniform a flancurilor.De asemenea ocurile sunt
create i de variaia periodic a deformaiei dinilor aflai n
angrenare, datorit repartiiei sarcinii transmise.Referitor la
uzarea flancurilor se poate arta ca acesta este mai mare de o parte
i alta a cercului de rostogolire, ceea ce provoac o distorsiune
considerabil a vibraiei uniforme generate de procesul de angrenare
i aceast uzare este evideniat mai bine la armonicele superioare ale
frecvenei de angrenare dect la frecvena de angrenare.
Figura 1.
Diagnosticarea vibroacustic la cutiile de viteze cu roi dinate
cu ajutorul analizei CEPSTRUM
Detecia unui defect n condiii de funcionare se poate realiza
prin compararea nivelurilor de vibraii sau zgomot cu nivelurile
admisibile.Utilizarea nivelurilor admisibile standard nu este
recomandat, ntruct impedana mecanic variaz mult chiar la cutii de
viteze de acelai tip.n acelai timp, impedana mecanic variaz cu
frecvena i deci utilizarea criteriilor de apreciere absolute, pe
spectre de frecvene, ar putea conduce la rezultate incerte. De
aceea, pentru rezolvarea problemelor de diagnosticare se recomand
utilizarea unor niveluri de referin de vibraii i zgomot msurate
atunci cnd cutia este recunoscut a fi n perfect stare de funcionare
i care vor servi ca baz pentru criteriile de determinare.Analiza
spectrului de frecven al zgomotului sau vibraiilor generate de
cutiile de viteze, permite att detectarea defectelor incipiente ct
i diagnosticarea cauzei defectului, ntruct pune n eviden frecvenele
la care s-au produs modificri semnificative de nivel i care pot fi
corelate cu frecvenele vibraiilor generate de defecte mecanice
(dezechilibrri, cuplaje cu joc etc.).Analiza evoluiei n timp a
spectrului de frecven permite aprecierea strii mecanice a cutiei de
viteze.Pentru identificarea surselor de zgomot i vibraii din
cutiile de viteze se face o corelare a frecvenelor corespunztoare
maximelor din spectrogramele determinate experimental, cu
frecvenele surselor posibile de vibraii i zgomot calculate pe baza
parametrilor constructivi i funcionali ai cutiei de viteze.n cazul
cutiilor de viteze cu roi dinate, zgomotele i vibraiile specific
procesului de angrenare sunt modulate n amplitudine sau n frecven
datorit defectelor de concepie, execuie i exploatare i de regul
genereaz n spectrul de frecven benzi laterale de frecvene grupate n
jurul frecvenelor de angrenare i a armonicelor lor, localizate la
multiplii frecvenelor de modulaie.n diagnosticarea defectelor
cutiilor de viteze cu construcie relativ complicat, determinarea
acestor frecvene de modulaie poate constitui un indiciu suplimentar
i important. n acest scop, pentru detecia periodicitilor din
spectrul de frecvene al cutiilor de viteze i determinarea cu
precizie a frecvenei de modulaie se utilizeaz tehnica de analiz
CEPSTRUM.
Figura 2.n figura 2.a este reprezentat spectrul de frecvene la o
cutie de viteze nainte de reparaie, n care se evideniaz frecvena de
angrenare (333 Hz) i armonicile acesteia precum i benzile laterale
de frecven, iar n figura 2.b este dat spectrul de frecven la aceeai
cutie de viteze dup reparaie, n care a aprut o component secundar
la 429 Hz.n analiza CEPSRUM, componentele de frecventa de 40 ms i
170 ms au un nivel ridicat indicnd frecvena de rotaie a arborelui
de 8,3 Hz i respectiv a treia armonic de 25 Hz. Modulaia de 8,3 Hz
a rezultat ca urmare a dezaxrii arborelui, care a fost corectat n
timpul reparaiei, iar a treia armonic a rezultat n urma unei uzri
neuniforme a flancurilor roii dinate printr-un rodaj excesiv n
timpul fabricaiei.Dup reparaie, componenta de 40 ms a disprut, iar
componenta de 170 ms s-a redus datorit inversrii pinionului pe
arbore, n scopul angrenrii pe flancul opus.Iniial, au fost
nregistrate spectrele de frecvene i analiza CEPSTRUM, de referin,
pe cutia acceptat ca fiind n condiii corespunztoare de funcionare,
n care pot fi identificate frecvenele de angrenare ale roilor
dinate cuplate precum i armonicele acestora (fig. 3.).
Figura 3.
n continuare a fost introdus o roat dinat cu btaie radial, n
lanul cinematic al cutiei de viteze analizate, ceea ce a produs
modificri ale spectrului de frecven la frecvena de angrenare i
armonicele acesteia i respectiv n analiza CEPSTRUM, la frecvena de
rotaie a roii, de 10,55 Hz (fig. 4.).
Figura 4.
Prezena rotii defecte n lanul cinematic studiat, din cutia de
viteze, a modificat nivelul global al zgomotului cu numai 3 dB, de
la 79 dB(A) la 82 dB(B).Aceast cretere arat c s-a modificat starea
de funcionare a cutiei de viteze, fr s pun n eviden cauza acestei
modificri.
n spectrul de frecvene, vrful corespunztor frecventei de
angrenare de 253,3 Hz care este generat de roata analizat a crescut
cu 20,5 dB fa de nivelul de referin, iar n analiza CEPSTRUM,
amplitudinea ramonicei 1 de 94,7 ms, care corespunde frecvenei de
modulaie de 10,55 Hz, egal cu frecvena de rotaie a roii studiate, a
crescut de aproximativ 3 ori fa de nivelul de referin.
n spectrele de frecven ale zgomotului generat de cutia de viteze
dup introducerea roii excentrice, de o parte i alta a frecvenei de
angrenare i armonicelor acesteia, se pot observa benzi laterale de
frecven generate de btaia roii dinate.Pentru a separa convenabil
benzile laterale este necesar s se fac analiza de frecven cu filtre
cu limea de band mai mic cu un ordin dect distana minim dintre
benzile laterale.Se constat experimental c un numr mare de factori
(raportul semnal/zgomot, limea de band i factorul de form al
filtrelor, distana dintre benzile laterale etc.) influeneaz
valorile CEPSTRUM i de aceea trebuie s se compare numai analize
CEPSTRUM obinute n condiii identice.
Avantajul analizei CEPSTRUM, n comparaie cu analiza de frecven
obinuit, rezid n sensibilitatea sporit a acesteia i simplificarea
interpretrii rezultatelor experimentale, ntruct n CEPSTRUM,
vrfurile periodice din spectrul de frecvene sunt cumulate.
Diagnosticarea sunetelor (zgomotelor) produse in cutia de
vitezeSunetele produse in cutia de viteze a unei masini este un
fenomen complex. Acestea pot fi transmise prin structura caii de
transmisie si/sau aer in interiorul vehiculului. La frecvente mai
mari de (500-2000 Hz), testele simple de deconectare si de
peturbare pot aduce rezultate ambigue, ceea ce duce la concluzii
gresite. Folosind analiza caii de transfer (TPA-Transfer Parth
Analysis) poate fi creat un model care permit inginerilor sa
gaseasca cai prin care zgomotele produse in cutie sa fie
transferate.Figura 5.In figura 5, se prezinta zgomotul din
interiorul autovehiculului, iar regiunea selectata se refera la
zgomotul datorat cutiei de viteze.Zgomotul podus in cutie este
determinat de fluctuatia punctului de contact dintre doua roti. TPA
ne ajuta sa intelegem modul in care fluxurile de energie de la
rotile dintate la carcasei transmisiei si caroseria autovehiculului
sunt in interior.In functie de zona de interes, TPA poate fi
folosit la niveluri diferite, pentru a optimiza fluxul de energie:
Identificarea fortelor interne care actioneaza asupra rulmentilor
arborelui rotii. Aceste forte pot fi folosite ca intrare pentru
modelele de simulare multi-corp. Identificarea punctelor critice in
transmisia acestor sarcini ale rulmentilot de la transmiterea
punctelor de fixare. Panoul de analiza contribuie la identificarea
cuantificarea acustica a punctelor ferbinti de pe carcasa
transmisiei (cuantificare sursa calda).
Figura 6.Figura 7.In figura 6, 7, se prezinta fluxul de energie
din interiorul transmisiei in ceea ce priveste analiza sunetului
precum si producerea acestuia.In continuare sunt prezentate niste
imagini cu privire la rezultate dintr-o analiza, aratand radiatia
acustica a zgomotului de la carcasa transmisiei, precum si locul
aparitiei zgomotului.
Figura 8.Tehnica TPA ne detaliaza punctele si zonele slabe de pe
suprafata analizata si identifica calea principala de transfer a
zgomotelor precum si suprafetele radiante de zgomot.
Figura 9.Contributia caii de transfer prin suprafata ne arata
locul producerii zgomotului dintre dinti ca fiind o combinatie a
zgomotului produs in structura cutiei (carcasa) si a zgomotului din
aer (produs in interiorul carcasei ).Modelul TPA poate fi folosit
pentru a obtine date in scurt timp, care la randul lor pot fi
folosite pentru analiza caii pentru o analiza mai detaliata a
calitatii sunetului. Efectul modificarilor de proiectare, (ex.:
modificari de montare) pot fi prezise si analizate, deasemenea. LMS
ofera toata tehnologia si instrumentele pentru o executie eficienta
si de success a analizei TPA, ca un proces complet integrat. Atat
hardul cat si software-ul sunt incluse. Ca un exemplu LMS Qsources,
mini-vibratoare permite pozitionarea la locul de montaj a
rulmentilor pentru excitare , masurand frecventele locale ca
raspuns a functiei.
Figura 10.
Figura 11.
Figura 12.
Msurarea geometric i vibroacustic a angrenajului conic cu dini
curbi
Deoarece profilele i curbura dinilor, precum i unghiurile
conurilor, difer considerabil, nu numai la diferite metode de
danturare, dar i la diferite rapoarte de transmitere, nu a fost
posibil utilizarea controlului prin rulare cu roi etalon
standardizate. S-au utilizat metoda testrii prin rulare a
pinionului i roii conjugate, care sunt montate pereche n angrenaje.
n prezent, 90% din totalul angrenajelor sunt controlate numai prin
rulare n pereche i doar 5% sunt controlate prin rulare pe un singur
flanc.
Din totalul roilor dinate manufacturate, doar 10% sunt supuse
analizei privind proveniena zgomotului, din structur sau din
aer
Se tie c micarea vibratorie ntr-un punct al unui sistem elastic
poate fi rspunsul la o excitaie aplicat sistemului ,
caracteristicile micrii depinznd de proprietile dinamice ale
acestuia. Simplificnd lucrurile, orice problem de vibraii poate fi
schematizat ca n figura 13.
Figura 13.Att la msurarea excitaiei ct i la msurarea rspunsului
unui sistem elastic intervin trei categorii de mrimi, i anume,
mrimi ce caracterizeaz micarea (deplasarea, viteza, acceleraia,
deformaia specific dinamic), mrimi ce caracterizeaz solicitarea
(fore, cupluri, presiuni, eforturi unitare), i mrimi auxiliare
(frecvena, turaia, unghiul de faz, perioada, etc.)
Lucrarea propune o procedur de msurare geometric i vibroacustic
a angrenajelor conice cu dini curbi, n vederea comparrii cu
limitele admisibile stabilite prin norme sau recomandri (roata
etalon) i verificarea unor concluzii privind comportamentul
vibroacustic al acestor angrenaje.
In figura 14, utiliznd metodele de grafic asistat i software-uri
specifice, s-a schematizat o procedur expertde efectuare a
msurtorilor att din punct de vedere geometric ct i
vibroacustic.
Figura 14.Msurarea dimensiunilor nscrise pe desen, care nu se
refer la dantur, se efectueaz cu instrumente de msur i control
obinuite, iar controlul complex al danturii conice cu dini curbi n
arc de cerc se face cu ajutorul mainii de msurat n coordonate
Brown&Sharpe DEA utiliznd software-ul QUINDOS, opiunea GearBV i
comanda SPIRBV. Maina este de fabricaie italian de ultim generaie,
capabil s preia parametrii geometrici ai roii de msurat - numrul de
dini, modulul, unghiul median de nclinare al danturii, unghiul
conului de divizare, unghiul conului de cap, unghiul conului de
picior, lungimea exterioar a generatoarei de divizare, distana de
montaj, corecia distanei de montaj, limea danturii, unghiul de
presiune normal, raza capului de frezat, excentricitatea s-i
stocheze, s efectueze msurarea i s fac evaluarea msurtorilor.
Msurarea vibroacustic complex a angrenajului se poate efectua cu
Data- Colectorul- Seria 2526, B&K, prelucrarea datelor fiind
realizat cu SENTINEL-Software de monitorizare a mainilor, care se
constituie ca un atractiv pachet software sub Windows, combinnd
facilittile de vizualizare si diagnosticare cu simplitatea
Windows-ului. Folosit mpreun cu Data-Colectorul tip 2526, programul
SENTINEL permite concepia unei strategii specifice de monitorizare.
Sistemul realizat cu ajutorul Data-Colectorului 2526 ofer o solutie
eficient de monitorizare off-line care include colectarea simpl si
rapid de date.
BIBLIOGRAFIE
1. B. Drgan, Controlul vibraiilor i zgomotului, editura Gh.
Asachi, Iasi, 2003;2.
http://www.nordtech.ubm.ro/issues/2002/2002.01.17.pdf;3.
http://www.lmsintl.com/gear-whine.
14