بازرسی چرخدنده و کنترل کیفیت: روش‌های آزمون NVH چرخدنده

در زمینه‌های حمل‌ونقل ریلی مدرن، هوانوردی و تجهیزات مکانیکی پیشرفته، انتقال قدرت با چرخدنده نه تنها بهره‌وری و قابلیت اطمینان بالا، بلکه عملکرد عالی NVH (سروصدا، ارتعاش، نامطبوعی) را نیز می‌طلبد. سطح NVH مستقیماً بر تجربه کاربری و عمر مفید تأثیر می‌گذارد و همچنین تأثیر عمیقی بر هزینه‌های نگهداری و تصویر برند دارد. این مقاله به‌صورت سیستماتیک روش‌های آزمون، عوامل مؤثر و راهکارهای بهینه‌سازی NVH چرخدنده را معرفی می‌کند.

1. اهمیت NVH در جعبه دنده

در هنگام انتقال دنده، هرگونه خطای هندسی کوچک، انحراف در مونتاژ یا عیب ماده می‌تواند در هنگام درگیری به منبع ارتعاش و سر و صدا تبدیل شود. در جعبه دنده قطارهای ریلی، سروصدای زیاد نه تنها راحتی مسافران را تحت تأثیر قرار می‌دهد، بلکه خستگی و آسیب دیدگی قطعاتی مانند یاتاقان‌ها و چرخ دنده‌ها را نیز تشدید می‌کند و در نتیجه عمر مفید کل دستگاه را کاهش می‌دهد. بدون تغییر در ماده و طرح انتقال، از طریق آزمایش و بهینه‌سازی علمی NVH (سر و صدا، ارتعاش و سفتی)، می‌توانیم به بهبود هم‌زمان کاهش سروصدای دستگاه و افزایش عمر مفید آن دست یابیم.

ارتعاش و سروصدای تولید شده در جعبه دنده از طریق پاسخ پوسته به سایر قطعات خودرو منتقل می‌شود. منبع تحریک عمدتاً خطای انتقال است و مسیرهای انتقال شامل چرخدنده-شافت-یاتاقان-پوسته و چرخدنده-هوا-پوسته می‌باشد.

2. منابع اصلی سروصدای چرخ دنده

خطاهای پروفیل دندانه و خطای هلیکس: درگیری نامنظم ناشی از این خطاها منجر به ضربه درگیری شده و باعث افزایش نویزهای نوکی می‌شود.

زبری بیش از حد سطح چرخ دنده: این عامل به طور مستقیم وضعیت تماس درگیری چرخ دنده را تحت تأثیر قرار می‌دهد و باعث ایجاد نویز با فرکانس بالا می‌شود.

عدم هم‌محوری و دویدگی شعاعی مونتاژ: این دو عامل باعث ایجاد نیروی نامنظم در نقاط درگیری می‌شوند و منجر به تولید نویز دوره‌ای می‌گردند.

همپوشانی فرکانس تشدید: هنگامی که فرکانس درگیری چرخ دنده به فرکانس تشدید جعبه، شفت یا سازه خارجی نزدیک باشد، نویز به طور قابل توجهی تقویت خواهد شد.

3. روش‌های آزمون نویز چرخ دنده

3.1 اندازه‌گیری صوتی

برای اندازه‌گیری سطح فشار صوت (dB) جعبه دنده در حین کارکرد از میکروفون‌های فیلد آزاد استفاده کنید.

تحلیل شدت صوت می‌تواند منبع اصلی نویز را مشخص کند.

آزمایش باید در محیطی بدون پژواک یا نیمه بدون پژواک انجام شود تا از تداخل نویز محیطی جلوگیری شود.

به عنوان مثال، در آزمون صوتی ترامواها، از آرایه‌های میکروفون برای شناسایی منابع نویز در اجزایی مانند بدنه تراموا، سازه بوگی و عناصر چرخ استفاده می‌شود. مناطق صوتی شامل گیربکس، پوشش بوگی و غیره می‌شود.

۳.۲ تحلیل ارتعاشات

برای ضبط سیگنال‌های ارتعاشی در جهات مختلف گیربکس از شتاب‌سنج‌های سه‌محوره استفاده کنید.

سیگنال‌های ارتعاشی را از طریق تحلیل FFT (تبدیل فوریه سریع) به تصاویر فرکانسی تبدیل کنید تا وجود مؤلفه‌های فرکانسی غیرطبیعی مشخص شود.

این روش می‌تواند با تحلیل مرتبه‌بندی ترکیب شود تا فرکانس چرخدنده از ارتعاشات دیگر قطعات مکانیکی متمایز شود.

طیف فرکانسی می‌تواند دامنه مربوط به فرکانس‌های مختلف را نشان دهد، مانند ۱x چرخدنده، ۱x پینیون، ۱xGMF (فرکانس چرخدنده)، ۲xGMF، ۳xGMF و غیره. در چرخدنده‌های صاف، ارتعاش شعاعی برجسته‌تر است، در حالی که در چرخدنده‌های مارپیچ، ارتعاش محوری برجسته‌تر است.

۳.۳ آزمون زبری سطح

برای اندازه‌گیری پارامترهایی مانند Ra و Rz سطح دندانه از دستگاه‌های زبری‌سنج (مانند تیلور هابسون تالی‌سافت) استفاده کنید.

زبری بیش از حد سطح نه تنها اصطکاک را افزایش می‌دهد، بلکه صدای چرخدنده را نیز تقویت می‌کند.

برای دنده‌های سرعت بالا، توصیه می‌شود Ra ≤ 0.4 μm باشد تا مولفه‌های نویز فرکانس بالا کاهش یابد.

4. راهکارهای بهینه‌سازی NVH

4.1 بهینه‌سازی اصلاح سطح دندانه

تیپ و ریلیف ریشه: کاهش ضربه در هنگام درگیر شدن ریشه دندانه.

کراونینگ: کاهش تمرکز بار در راستای دندانه. با بهینه‌سازی این اصلاح، می‌توان نیروی ضربه درگیری را به‌طور مؤثر کاهش داد و نویز را از منبع سرکوب کرد.

روش‌های مختلفی از اصلاح وجود دارد، مانند دنده‌های مارپیچ دوبل با پروفایل‌های سهموی متفاوت (درجه دو، چهار و شش)، دنده‌های کراون دارای ویژگی‌هایی مانند کاهش فشار در پایین و فاصله اضافی در نوک دندانه و غیره. روش‌های اصلاح مختلف، مسیرهای تماس متفاوتی در هنگام درگیری ایجاد می‌کنند.

4.2 بهبود زبری سطح

استفاده از فناوری‌های سنگ‌زنی دقیق، هونینگ یا پولیش کردن و نورد برای کاهش زبری سطح.

با استحکام‌دهی غلطکی، نه تنها می‌توان مقدار Ra را کاهش داد، بلکه می‌توان کیفیت لایه سخت‌شده سطح دندانه را نیز بهبود بخشید.

سورفینگ (Honing) یک فرآیند مؤثر است. محور ابزار سورفینگ به‌درستی تنظیم می‌شود و ابزار سورفینگ (چرخدنده داخلی دقیق از جنس سرامیک‌های ساینده مانند آلومینا با زاویه هلیکس مشخص) چرخدنده قطعه کار را پردازش می‌کند. در حین عملیات، جهت پردازش (تماس) سطح دندانه چرخدنده تقریباً مشابه جهت تماس در هنگام جفت‌شدن واقعی چرخدنده‌ها است.

4.3 تعادل دینامیکی و دقت مونتاژ

آزمون تعادل دینامیکی را روی چرخدنده‌ها و میلگرد انجام دهید تا منابع ارتعاش کاهش یابند.

در هنگام مونتاژ، میزان دندانه‌های شعاعی (Fr) و دندانه‌های محوری (Fa) را کنترل کنید تا از بارگذاری نامساوی جلوگیری شود.

5. استانداردها و الزامات آزمایش

استانداردهای بین‌المللی و صنعتی نیازمندی‌های مشخصی از عملکرد NVH چرخدنده دارند:

ISO 1328: درجه‌های دقت چرخدنده و محدوده خطاها را مشخص می‌کند.

ISO 8579: به اندازه‌گیری سر و صدای انتقال چرخدنده می‌پردازد.

ISO 10816: شامل استانداردهای نظارت و ارزیابی ارتعاشات می‌شود.

با یکپارچه‌سازی آزمون NVH در کنترل کیفیت کل فرآیند تولید، می‌توان قبل از خروج محصول از کارخانه، سکوت و پایداری سیستم ترانسمیسیون را تضمین کرد.

آزمون NVH گیربکس تنها بخشی از بازرسی کارخانه نیست، بلکه باید در تمام مراحل طراحی، ماشین‌کاری و مونتاژ گیربکس گنجانده شود. از طریق اندازه‌گیری منظم صدا، تحلیل ارتعاشات و اندازه‌گیری زبری سطح، همراه با بهینه‌سازی اصلاح هندسه دنده و استفاده از فناوری ماشین‌کاری دقیق، می‌توان بدون افزایش هزینه، سکوت عملیاتی و عمر مفید گیربکس را به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای بهبود بخشید. این موضوع تنها نمودی از قدرت رقابتی محصول نیست، بلکه یک روند اجتناب‌ناپذیر در توسعه باکیفیت صنعت ماشین‌آلات مدرن محسوب می‌شود.