Control de ruido y vibración en engranajes de transmisiones

Control de ruido y vibración en engranajes de transmisiones para vehículos eléctricos

Las unidades de accionamiento eléctrico eliminaron la máscara del motor. Sin el ruido de combustión detrás del cual ocultarse, cada zumbido, quejido y traqueteo dentro de un reductor se vuelve audible para el conductor. Para los fabricantes de engranajes y los constructores de cajas de transmisión, esto desplaza el enfoque de la ingeniería desde la capacidad de carga únicamente hacia el comportamiento de excitación: cómo el propio engrane genera vibración y con qué precisión debe mantenerse la geometría para mantener baja esa excitación.

Este artículo describe los mecanismos detrás del ruido de engranajes en transmisiones para vehículos eléctricos y las palancas prácticas disponibles en el diseño, la fabricación y la inspección.

Por qué las cajas de engranajes para vehículos eléctricos son acústicamente diferentes

Un tren de potencia de combustión interna ralentiza alrededor de 700–900 rpm y circula a 2000–3000 rpm. Un motor de imán permanente puede girar desde cero hasta 15,000 rpm o más, y entrega par casi instantáneamente. Se derivan dos consecuencias.

Primero, la frecuencia de engrane barre una banda amplia durante cada aceleración. Un par de engranajes que es silencioso a 3000 rpm puede producir un zumbido distintivo a 9000 rpm si su error de transmisión tiene un armónico que coincide con una resonancia estructural de la carcasa.

Segundo, la ondulación de par del motor y la conmutación del inversor excitan la línea de transmisión a frecuencias no relacionadas con el engrane. El par de engranajes actúa como un filtro y a veces como un amplificador. Por esto los reductores para vehículos eléctricos suelen usar dos etapas con relaciones cuidadosamente elegidas, y por esto dominan los engranajes helicoidales: la relación de recubrimiento de un engrane helicoidal distribuye el contacto sobre más dientes, suavizando la transferencia de carga que un par de dientes rectos realiza de forma abrupta.

Las causas raíz del zumbido de engranajes

El ruido de engranajes no es causado por “dientes rugosos” en un sentido general. Es causado por el error de transmisión: la diferencia entre la posición angular ideal del engranaje de salida y su posición real mientras gira la entrada. Cada desviación en la geometría del flanco del diente, el paso y la hélice contribuye.

Los principales contribuyentes son:

• Desviación del perfil del diente — error de ángulo de presión, alivio de punta demasiado pequeño o demasiado grande, y coronamiento del perfil que no coincide con la carga aplicada.
• Desviación de hélice (lead) — desalineación entre el engranaje y su pieza conjugada, ya sea por fabricación o por deflexión del eje bajo carga.
• Desviación de paso y error de paso acumulado — estos crean componentes de una vez por revolución y de orden bajo que se perciben como un gruñido en lugar de un zumbido.
• Excentricidad y descentramiento — la excentricidad del agujero de montaje respecto al círculo de paso produce un fuerte componente de primer orden.
• Acabado superficial — la rugosidad del flanco por encima de aproximadamente Ra 0.4 µm en un flanco rectificado añade excitación de banda ancha, especialmente a altas frecuencias de engrane.
• Patrón de contacto — el contacto en el borde concentra la carga y eleva la deflexión local, lo que se manifiesta como un pico agudo en el espectro.

En la práctica, un zumbido a la frecuencia de engrane y sus armónicos apunta a problemas de perfil y hélice. Un gruñido a una o dos veces la velocidad del eje apunta a problemas de paso, descentramiento o balanceo.

Palancas de fabricación que realmente mueven los números

Rectificado de engranajes y modificación del perfil

Para los reductores de vehículos eléctricos, los flancos rectificados son la norma más que la excepción. Tanto el rectificado de forma como el rectificado por generación permiten un alivio controlado de punta y raíz, además de coronamiento longitudinal para compensar la deflexión del eje. El objetivo es un patrón de contacto que permanezca centrado en todo el rango de carga, no solo a la carga de inspección.

Control de distorsión por tratamiento térmico

El cementado por carburación proporciona la dureza superficial y la tenacidad del núcleo que necesitan los engranajes de vehículos eléctricos de alto par, pero también distorsiona la pieza. La distorsión que no se corrige después del tratamiento térmico aparecerá directamente como error de hélice y perfil. Dos enfoques son comunes: rectificar después del tratamiento térmico, o usar un temple por prensa controlado y una compensación de distorsión conocida incorporada en la geometría previa al tratamiento térmico. La nitruración produce menos distorsión pero una capa más superficial, lo que conviene a algunas etapas de menor par.

Calidad de la interfaz eje-carcasa

Un engranaje perfecto sobre un eje excéntrico sigue funcionando con ruido. La concentricidad entre el agujero y el círculo de paso, la rectitud del eje y el ajuste entre engranaje y eje son todos importantes. Para las conexiones estriadas, el juego y la alineación de hélice de la estría afectan cómo asienta el engranaje. Aquí es donde la fabricación integrada de engranajes y ejes bajo una misma cadena de procesos da sus frutos: consulte la descripción de capacidades para ver cómo se secuencian el torneado, el rectificado y el corte de engranajes.

Montaje y precarga

La precarga de los rodamientos, la selección de calzos y la alineación de los agujeros de la carcasa determinan la alineación final del engrane. Un par de engranajes que mide bien en un banco de pruebas aún puede ser ruidoso en la unidad si el apilamiento del montaje inclina el eje.

Inspección: qué medir y por qué

Los problemas de ruido de engranajes rara vez se resuelven solo con inspección, pero casi nunca se resuelven sin ella. Un centro de medición de engranajes que reporta perfil, hélice, paso y descentramiento según tolerancias DIN, ISO, AGMA o GB da al ingeniero de fabricación un vínculo directo entre un pico espectral y una desviación específica.

Prácticas útiles:

• Mida el patrón de contacto bajo carga ligera además del informe geométrico. La geometría le dice cómo se ve el flanco; el patrón le dice cómo se comporta.
• Registre el paso individual y el paso acumulado por separado. Impulsan órdenes de ruido diferentes.
• Registre la rugosidad superficial del flanco como variable de control del proceso, no solo como verificación final.
• Para etapas de alta velocidad, considere los resultados del ensayo de rodadura de un solo flanco, que capturan el efecto combinado de ambos miembros del par.

El flujo de trabajo de calidad e inspección en un taller de engranajes de precisión normalmente combina un centro de medición de engranajes, CMM, instrumentos de redondez y rugosidad, y verificación de dureza, con informes de material y tratamiento térmico emitidos junto con los datos dimensionales.

Puntos prácticos de selección para aplicaciones de vehículos eléctricos y alta velocidad

Al especificar engranajes para un accionamiento eléctrico o un reductor de alta velocidad, estas preguntas dan forma al resultado:

1. ¿Cuál es la frecuencia máxima de engrane y se superpone con una resonancia estructural? Si es así, la clase de tolerancia y la modificación del perfil deben ajustarse, o cambiarse la relación.
2. ¿El espectro de carga está dominado por un solo par o es ampliamente variable? El coronamiento y el alivio se optimizan para un rango de carga, no para un solo punto.
3. ¿Qué clase de tolerancia es alcanzable en producción, no solo en un prototipo? Un DIN 4–5 estable en producción en serie con flancos rectificados que alcanzan DIN 4-5 donde se requiera es un objetivo realista para procesos bien controlados.
4. ¿Cómo se posicionará el engranaje? Ajuste de agujero, ajuste estriado, chavetero o eje integral. Cada uno tiene un efecto diferente sobre la alineación de hélice.
5. ¿Qué documentación se necesita? Certificados de material, informes de tratamiento térmico con dureza y profundidad de capa, informes dimensionales e informes de precisión de engranajes son entregables estándar para clientes de transmisiones.

Para formas de dientes no estándar, perfiles modificados o piezas integradas de engranaje-eje, la ruta de fabricación de engranajes personalizados permite ajustar la geometría del diente al objetivo específico de ruido y carga en lugar de seleccionarla de un catálogo. Áreas de aplicación como vehículos eléctricos y automoción, robótica y cajas de engranajes industriales tienen cada una prioridades diferentes: una articulación robótica se preocupa por el juego perdido y la repetibilidad, un reductor se preocupa por la eficiencia y el ruido.

Resumen

El ruido de engranajes en transmisiones para vehículos eléctricos es un problema de error de transmisión expresado en el dominio de la frecuencia. Las variables controlables son la microgeometría del flanco del diente, la distorsión por tratamiento térmico, la alineación de eje y carcasa, y la precarga de montaje. El rectificado con modificación deliberada de perfil y hélice, combinado con la corrección posterior al tratamiento térmico y una inspección disciplinada, es la ruta práctica hacia un engrane silencioso. Debido a que el objetivo acústico lo establece todo el sistema, las conversaciones más efectivas ocurren temprano —entre el diseñador de la caja de transmisión, el fabricante de engranajes y el equipo de inspección— antes de que se corte el primer diente.

Explore la gama de productos para componentes de transmisión estándar y no estándar, o revise la biblioteca técnica para notas de proceso relacionadas. Para discutir una aplicación específica de engranaje o eje, contacte al equipo de ingeniería con su caso de carga, relación y objetivo acústico.