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