Zahnradinspektion und Qualitätskontrolle: Methoden zur NVH-Prüfung von Zahnrädern

In den Bereichen moderner Schienenverkehr, Luftfahrt und hochwertiger Maschinentechnik erfordert die Zahnradübertragung nicht nur hohe Effizienz und Zuverlässigkeit, sondern auch exzellente NVH-Performance (Noise, Vibration, Harshness). Das NVH-Niveau beeinflusst nicht nur das Benutzererlebnis und die Lebensdauer, sondern hat auch einen tiefgreifenden Einfluss auf die Wartungskosten der Geräte und das Markenimage. Dieser Artikel stellt systematisch die Prüfmethoden, Einflussfaktoren und Optimierungsstrategien für Zahnrad-NVH vor.

1. Die Bedeutung von NVH in Getrieben

Während der Kraftübertragung können kleine geometrische Fehler, Abweichungen bei der Montage oder Materialfehler während des Zahneingriffs in Schwingungs- und Geräuschquellen umgewandelt werden. Bei Schienenfahrzeug-Getrieben beeinträchtigt ein hohes Maß an Geräuschen nicht nur den Reisekomfort der Passagiere, sondern verstärkt auch die Ermüdungsschäden an Komponenten wie Lagern und Zahnrädern und verkürzt dadurch die Lebensdauer der gesamten Maschine. Ohne Material oder das Antriebskonzept zu verändern, können durch wissenschaftliche NVH-Tests und Optimierungen gleichzeitig Geräuschreduktion und Lebensdauerverlängerung erreicht werden.

Die im Getriebe erzeugten Vibrationen und Geräusche werden über die Gehäuseresponse auf andere Fahrzeugteile übertragen. Die Erregungsquelle ist hauptsächlich die Übertragungsgenauigkeit, und die Übertragungswege umfassen die Ketten Zahnrad-Welle-Lager-Gehäuse sowie Zahnrad-Luft-Gehäuse.

2. Hauptgeräuschquellen von Zahnrädern

Zahnprofil- und Schräganordnungsfehler: Diese Fehler führen zu ungleichmäßigem Eingriff und verursachen Eingriffsstöße, wodurch die Geräuschspitzen ansteigen.

Übermäßige Zahnrad-Oberflächenrauheit: Sie wirkt sich direkt auf den Eingriffs-Kontaktzustand aus und erzeugt hochfrequente Geräusche.

Unrundheit und radiales Spiel bei der Montage: Diese verursachen eine ungleichmäßige Belastung an den Eingriffspunkten und führen zu periodischen Geräuschen.

Überlagerung der Resonanzfrequenzen: Wenn die Zahnrad-Eingriffs-Frequenz nahe der Resonanzfrequenz der Gehäuse, Welle oder äußeren Struktur liegt, wird das Geräusch deutlich verstärkt.

3. Zahnrad-Geräusch-Prüfverfahren

3.1 Schallmessung

Freifeld-Mikrofone werden verwendet, um während des Betriebs das Schalldruckniveau (dB) des Getriebes zu messen.

Die Schallintensitätsanalyse kann die Hauptgeräuschquellen lokalisieren.

Die Prüfung sollte in einer schalltoten Kammer oder in einer halb schalltoten Umgebung durchgeführt werden, um Störungen durch Umgebungsgeräusche zu vermeiden.

Beispielsweise werden bei der Schallprüfung von Straßenbahnen Mikrofonarrays eingesetzt, um Geräuschquellen an Komponenten wie dem Straßenbahndrehgestell, der Drehgestellstruktur und den Radsätzen zu erkennen. Zu den betroffenen akustischen Bereichen zählen das Getriebe, die Drehgestellabdeckung usw.

3.2 Schwingungsanalyse

Dreidimensionale Beschleunigungssensoren verwenden, um Schwingungssignale in verschiedenen Richtungen des Getriebes aufzuzeichnen.

Durch FFT (Fast-Fourier-Transformation)-Analyse die Schwingungssignale in Spektrogramme umwandeln, um das Vorhandensein von abnormalen Frequenzkomponenten zu bestimmen.

Kann in Kombination mit Ordnungsanalyse verwendet werden, um die Zahnrad-Eingriffsfrquenz von Schwingungen anderer mechanischer Komponenten zu unterscheiden.

Das Frequenzspektrum kann die Amplitude der entsprechenden verschiedenen Frequenzen zeigen, wie z.B. 1x Getriebe, 1x Pinion, 1xGMF (Zahnrad-Eingriffsfrquenz), 2xGMF, 3xGMF usw. Bei Stirnrädern ist die radiale Schwingung deutlicher, während bei Schrägzahnradrädern die axiale Schwingung stärker ausgeprägt ist.

3.3 Oberflächenrauheitsprüfung

Oberflächenrauheitsmessgeräte (z.B. Taylor Hobson Talysurf) verwenden, um Parameter wie Ra und Rz der Zahnfläche zu messen.

Eine übermäßige Oberflächenrauheit erhöht nicht nur die Reibung, sondern verstärkt auch das Eingriffsgeräusch der Zähne.

Für Hochgeschwindigkeitsgetriebe wird empfohlen, dass Ra ≤ 0,4 μm beträgt, um hochfrequente Geräuschkomponenten zu reduzieren.

4. NVH-Optimierungsstrategien

4.1 Optimierung der Zahnflankenmodifikation

Kopf- und Fußentlastung: Verringert den Aufprall beim Eingriff des Zahnfußes.

Profilverjüngung (Crowning): Reduziert die Lastkonzentration entlang der Zahnräder. Durch die Optimierung der Modifikation kann die Eingriffsstoßkraft effektiv reduziert werden, wodurch das Geräusch an der Quelle unterdrückt wird.

Es gibt verschiedene Modifikationsmethoden, wie beispielsweise doppelt gekröpfte Schrägzahnräder mit unterschiedlichen parabolischen Profilen (quadratische, quartische und sextische Parabeln) oder konturmodifizierte Zahnräder mit Eigenschaften wie Druckreduktion am Boden und Kopfspiel. Unterschiedliche Modifikationsmethoden führen zu unterschiedlichen Kontaktpfaden während des Eingriffs.

4.2 Verbesserung der Oberflächenrauheit

Einsatz von Präzisions schleifen, Honen oder Politur- und Walztechnologien zur Reduzierung der Oberflächenrauheit.

Durch Walzverfestigung lässt sich nicht nur der Ra-Wert reduzieren, sondern auch die Qualität der gehärteten Zahnflächen verbessern.

Das Honen ist ein effektives Verfahren. Die Achse des Honswerkzeugs wird entsprechend eingestellt, und das Honswerkzeug (ein präzise gefertigtes Innengebtriebe aus schmirgelnden Keramiken wie Aluminiumoxid mit einem bestimmten Schräganstellwinkel) bearbeitet das Werkstückzahnrad. Während des Betriebs ist die Bearbeitungs- (Kontakt-) Richtung der Zahnflanken fast identisch mit der während des tatsächlichen Zahnradzusammengriffs.

4.3 Dynamisches Gleichgewicht und Montagegenauigkeit

Führen Sie dynamische Wuchttests an Zahnrädern und Wellen durch, um Vibrationsquellen zu reduzieren.

Kontrollieren Sie das radiale und axiale Spiel (Fr bzw. Fa) während der Montage, um ungleichmäßige Belastungen zu vermeiden.

5. Normen und Prüfanforderungen

Internationale und branchenspezifische Normen enthalten klare Anforderungen an das NVH-Verhalten von Zahnrädern:

ISO 1328: Legt die Genauigkeitsklassen und Fehlerbereiche von Zahnrädern fest.

ISO 8579: Bezieht sich auf Messungen des Geräusches von Zahnradgetrieben.

ISO 10816: Deckt die Normen für Schwingungsüberwachung und -bewertung ab.

Durch die Integration von NVH-Prüfungen in die Qualitätskontrolle des gesamten Produktionsprozesses kann vor der Auslieferung des Produkts die Geräuschlosigkeit und Stabilität des Antriebssystems gewährleistet werden.

Die NVH-Prüfung von Zahnrädern ist nicht nur ein Bestandteil der Werksinspektion, sondern sollte den gesamten Prozess des Zahnradkonstruktions-, Fertigungs- und Montageprozesses durchziehen. Durch systematische Schallmessung, Vibrationsanalyse und Oberflächenrauheitsmessung, kombiniert mit Optimierung der Modifikation und Präzisionsfertigungstechnologie, kann die Betriebsgeräuschlosigkeit und Lebensdauer des Getriebes ohne Kostensteigerung deutlich verbessert werden. Dies ist nicht nur ein Nachweis für Wettbewerbsfähigkeit des Produkts, sondern auch ein unausweichlicher Trend in der hochwertigen Entwicklung der modernen Maschinenbauproduktion.