Vibração e ruído excessivos em engrenagens são um problema que quase todos os engenheiros mecânicos enfrentam.
Você fez os cálculos e desenhos necessários e o modelo 3D parece perfeito. No entanto, quando o protótipo chega e é ligado-há fortes vibrações e ruídos agudos. Neste ponto, a primeira reação de muitas pessoas é culpar a má precisão da usinagem ou a montagem inadequada.
Mas será que esse é realmente o caso?
A causa raiz da vibração das engrenagens não está na usinagem ou montagem.
O engrenamento de engrenagens é inerentemente um processo periódico. À medida que cada par de dentes se move do engate para o desengate, a rigidez da malha muda constantemente. Essas flutuações periódicas na rigidez,-combinadas com erros de perfil do dente, desvios de fabricação e até mesmo-ressonância em todo o sistema-geram vibração. E a vibração é a fonte do ruído.
Essas vibrações viajam através dos eixos até os rolamentos e depois até a carcaça da caixa de engrenagens. A caixa funciona como um alto-falante, amplificando a vibração no ruído que ouvimos.
Portanto, a conclusão é: a natureza fundamental da vibração e do ruído é uma questão de projeto, não de fabricação.
Taxa de contato: o primeiro parâmetro-chave esquecido
Muitos engenheiros se concentram apenas na resistência e na distância central ao projetar engrenagens, tratando a relação de contato como uma preocupação secundária-desde que seja "suficiente".
No entanto, a relação de contato determina diretamente a suavidade do engate das engrenagens. Uma relação de contato mais alta significa que mais dentes são encaixados simultaneamente; a carga é distribuída por mais dentes, reduzindo a força em cada par individual. Consequentemente, o impacto durante o engate e desengate é minimizado, resultando naturalmente em menor vibração.
A relação de contato para engrenagens de dentes retos normalmente varia de 1 a 2, enquanto engrenagens helicoidais podem atingir 2 a 2,5. Os dados mostram que aumentar a relação de contato de 1,19 para 2,07 pode reduzir o ruído em 4 dB a 1.000 rpm e em 6 dB a 2.000 rpm. As engrenagens helicoidais são 3 a 10 dB mais silenciosas do que as engrenagens de dentes retos, e sua maior taxa de contato é a principal razão para isso.
Relação de engrenagem: evite valores inteiros
Projetar uma relação de transmissão como um número inteiro -como 2:1 ou 3:1 pode parecer legal, mas cria problemas significativos. Uma relação de engrenagem inteira significa que o mesmo par de dentes engata repetidamente, concentrando o desgaste em dentes específicos. À medida que o desgaste progride, tanto a vibração como o ruído aumentam. Desviar-se ligeiramente de uma proporção inteira perturba o padrão de malha fixa, distribuindo o desgaste de maneira mais uniforme e reduzindo significativamente a vibração.
Módulo e Número de Dentes: Grandes ou Pequenos?
Desde que os requisitos de distância central e resistência sejam atendidos, é preferível um projeto com mais dentes e um módulo menor.
Com mais dentes e módulo menor, os espaços entre os dentes são menores, resultando em uma distribuição mais uniforme da rigidez da engrenagem. As mudanças de rigidez durante a malha são mais suaves, reduzindo o impacto e, consequentemente, a vibração. Esta é uma questão de controle de vibração, não apenas de resistência estrutural.
Ressonância-O "assassino" facilmente esquecido
Todo sistema mecânico tem uma frequência natural. Se a velocidade de operação da engrenagem se aproximar desta frequência, ocorre ressonância.
Uma vez iniciada a ressonância, a amplitude da vibração é amplificada acentuadamente, os níveis de ruído aumentam e o desgaste das engrenagens acelera; em casos graves, os dentes podem até quebrar. A análise modal é essencial durante a fase de projeto para calcular com precisão a frequência natural do sistema; idealmente, a velocidade operacional deve ficar pelo menos 20% a 30% distante dessa frequência.
Largura do rosto: maior nem sempre é melhor
Embora uma largura de face maior melhore a capacidade de suporte-de carga, a largura excessiva leva a uma distribuição desigual de carga-onde um lado suporta mais força que o outro-aumentando assim a vibração.
Geralmente, é recomendado manter o coeficiente de largura de face abaixo de 1,4. É necessário cuidado especial para projetos em balanço, onde o coeficiente deve ser mantido abaixo de 0,8; para projetos com suporte simétrico, uma faixa de 1,2 a 1,4 é aceitável.
Modificação dentária: uma técnica severamente subestimada
A modificação dentária é uma das maneiras mais eficazes de mitigar a vibração e o ruído das engrenagens, mas muitos consideram isso problemático ou desnecessário.
A modificação do perfil do dente envolve a remoção de uma pequena quantidade de material da ponta ou raiz do dente. O objetivo é eliminar o impacto durante a entrada e saída da malha. Em engrenagens evolventes padrão, a deformação elástica durante o engrenamento pode fazer com que a ponta do dente interfira na raiz do dente da engrenagem correspondente; remover esta pequena quantidade de material elimina o impacto.
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Modificação do traço dentário, incluindo coroamento e modificação do perfil-K. As engrenagens sofrem deformação por flexão e torção sob carga, fazendo com que a linha de contato ao longo da largura do dente se desloque. A modificação do dente envolve pré-moldar o perfil do dente em uma forma "coroada" ou "K-de modo que, sob carga, ele assuma um padrão de contato em linha reta-ideal.
Estudos de caso mostram que a modificação apropriada da micro{0}}geometria pode reduzir o ruído do redutor em mais de 18%. Tais modificações podem reduzir o erro de transmissão em até 56% e reduzir o ruído em 4 dB.
Após a modificação, o padrão de contato deve ser inspecionado. Sob condições sem-carga, o padrão de contato deve estar localizado entre 50% a 60% da largura do dente.
Eixos e rolamentos: as “rodovias” para transmissão de vibrações
A vibração da engrenagem viaja através do eixo até os rolamentos e depois até a carcaça. A rigidez do eixo afeta diretamente a distribuição da carga ao longo da largura do dente. Se o eixo for muito flexível, a engrenagem inclina-se sob carga, causando carga irregular e aumento da vibração. Recomenda-se limitar a deformação por flexão do eixo entre 0,01 e 0,02 vezes o módulo.
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Velocidades críticas também devem ser evitadas. Os eixos têm suas próprias frequências naturais; as velocidades de operação devem ficar fora destas em pelo menos ±20%–30%.
Selecionar a folga correta do rolamento é crucial. Escolha folga CN ou C2 para temperaturas normais de operação e C3 ou C4 para condições-de alta temperatura.
Existe uma regra de ouro para a disposição dos rolamentos: trave uma extremidade e deixe a outra flutuar. Se ambas as extremidades estiverem travadas, a expansão térmica não terá para onde ir; o eixo fica "preso", resultando em alta vibração. Se ambas as extremidades flutuarem, ocorrerá movimento axial excessivo, levando também a alta vibração. Um arranjo fixo-flutuante é a solução mais racional.
A rigidez do alojamento do rolamento também deve ser suficiente. Se a espessura da parede for inadequada, adicione nervuras de reforço radiais. A deformação do alojamento deve ser mantida dentro da metade do valor da quantidade de modificação do dente.
Lubrificação: mais do que apenas prevenção de desgaste
Muitas pessoas pensam que o óleo lubrificante serve apenas para lubrificar e prevenir o desgaste. Na realidade, a película de óleo também proporciona um efeito de amortecimento.
Uma película de óleo suficientemente espessa entre as superfícies dos dentes amortece os impactos diretos e reduz a vibração. Se o filme for muito fino ou a viscosidade for insuficiente, o contato direto-com{2}}dente ocorre durante a operação em alta-velocidade, resultando em aumento de vibração e ruído. Voltemos à questão inicial: quem é realmente o culpado pelo excesso de vibração e ruído?
Estrutura de transmissão de vibração, caminho de transmissão, condução de impulso - Galeria de imagens Dashangu
Existe um problema com a precisão da usinagem? Possivelmente. Há algum problema com a montagem? Isso também é possível.
Contudo, em 90% dos casos, a causa raiz está no design.
Cálculos incorretos da relação de contato, relações de transmissão definidas como números inteiros, seleções inadequadas de módulo e contagem de dentes, falta de análise de ressonância, coeficiente de largura de face excessivo, falha na modificação do perfil do dente, rigidez insuficiente do eixo, mau layout do rolamento...
Esses são problemas que não podem ser resolvidos por meio de usinagem ou remediados durante a montagem.
Portanto, se o seu protótipo apresentar vibração e ruído excessivos, não culpe imediatamente a oficina; dê um passo para trás e revise seu design primeiro.
