การตรวจสอบเกียร์และการควบคุมคุณภาพ: วิธีการทดสอบ NVH ของเกียร์

ในสาขาการขนส่งทางรถไฟสมัยใหม่ การบิน และอุปกรณ์เครื่องจักรระดับสูง เกียร์ทดรอบไม่เพียงแต่ต้องการประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือสูง แต่ยังต้องมีคุณสมบัติ NVH ที่ยอดเยี่ยม (Noise, Vibration, Harshness) ระดับของ NVH ส่งผลโดยตรงต่อประสบการณ์การใช้งานและอายุการใช้งานของผู้ใช้ รวมถึงยังมีผลกระทบอย่างลึกซึ้งต่อต้นทุนการบำรุงรักษาอุปกรณ์และภาพลักษณ์ของแบรนด์ บทความนี้จะนำเสนออย่างเป็นระบบถึงวิธีการทดสอบ ปัจจัยที่มีผล และกลยุทธ์การปรับปรุงประสิทธิภาพ NVH ของเกียร์

1. ความสำคัญของ NVH ในกล่องเกียร์

ระหว่างการส่งผ่านแรงบิดของเกียร์ ความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิตเล็กน้อย การเบี่ยงเบนในการประกอบ หรือข้อบกพร่องของวัสดุ สามารถเปลี่ยนเป็นแหล่งกำเนิดการสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนในช่วงที่ฟันเกียร์มีการสัมผัสกันได้ สำหรับกล่องเกียร์รถไฟราง เสียงรบกวนระดับสูงไม่เพียงแต่ส่งผลต่อความสะดวกสบายของผู้โดยสาร แต่ยังทำให้เกิดความเสียหายจากความล้าของชิ้นส่วน เช่น แบริ่งและฟันเฟืองมากขึ้น ส่งผลให้อายุการใช้งานของเครื่องจักรทั้งชุดลดลง โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงวัสดุหรือแผนการส่งกำลัง การทดสอบและปรับปรุง NVH อย่างเป็นระบบสามารถช่วยให้บรรลุผลประโยชน์สองประการ ได้แก่ การลดเสียงรบกวนและการยืดอายุการใช้งาน

การสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนที่เกิดขึ้นภายในกล่องเกียร์จะถูกส่งผ่านไปยังส่วนอื่นๆ ของยานพาหนะผ่านการตอบสนองของตัวเครื่อง แหล่งกระตุ้นหลักคือข้อผิดพลาดในการส่งกำลัง และเส้นทางการส่งผ่านรวมถึงเฟือง-เพลา-แบริ่ง-ตัวเครื่อง และเฟือง-อากาศ-ตัวเครื่อง

2. แหล่งกำเนิดเสียงของเกียร์หลัก

ความคลาดเคลื่อนของรูปทรงฟันเกียร์และแนวเกลียว: การสัมผัสกันของฟันเกียร์ที่ไม่สม่ำเสมอซึ่งเกิดจากความคลาดเคลื่อนเหล่านี้ ก่อให้เกิดแรงกระแทกขณะสัมผัสกัน ส่งผลให้ระดับเสียงรบกวนเพิ่มสูงขึ้น

พื้นผิวฟันเกียร์หยาบเกินไป: ส่งผลโดยตรงต่อสภาพการสัมผัสกันของฟันเกียร์ และก่อให้เกิดเสียงรบกวนความถี่สูง

การไม่ตรงศูนย์และการวิ่งหนีศูนย์ตามแนวรัศมี: สิ่งเหล่านี้ก่อให้เกิดแรงที่ไม่สม่ำเสมอในจุดฟันเกียร์สัมผัสกัน นำไปสู่เสียงรบกวนแบบเป็นคาบ

การทับซ้อนของความถี่เรโซแนนซ์: เมื่อความถี่ของการสัมผัสฟันเกียร์ใกล้เคียงกับความถี่เรโซแนนซ์ของกล่อง เพลา หรือโครงสร้างภายนอก เสียงรบกวนจะถูกขยายขึ้นอย่างมาก

3. วิธีการทดสอบเสียงของเกียร์

3.1 การวัดเสียง

ใช้ไมโครโฟนแบบสนามอิสระ (free-field) วัดระดับความดันเสียง (dB) ของกล่องเกียร์ขณะทำงาน

การวิเคราะห์ความเข้มของเสียงสามารถระบุแหล่งกำเนิดเสียงหลักได้

การทดสอบควรดำเนินการในห้องปราศจากเสียงสะท้อน (anechoic chamber) หรือสภาพแวดล้อมกึ่งปราศจากเสียงสะท้อน (semi-anechoic) เพื่อป้องกันการรบกวนจากเสียงรบกวนในสภาพแวดล้อม

ตัวอย่างเช่น ในการทดสอบเสียงของรถไฟฟ้ารางเบา (tram) จะใช้แถวรับเสียง (microphone arrays) เพื่อตรวจจับแหล่งกำเนิดเสียงในชิ้นส่วนต่าง ๆ เช่น ตัวรถ โครงสร้างกระบอกเพลา (bogie) และชุดล้อ โดยพื้นที่ที่เกี่ยวข้องรวมถึงกล่องเกียร์ ฝาครอบกระบอกเพลา เป็นต้น

3.2 การวิเคราะห์การสั่นสะเทือน

ใช้เครื่องวัดความเร่งแบบสามแกน (triaxial accelerometers) เพื่อบันทึกสัญญาณการสั่นสะเทือนในทิศทางต่างๆ ของกล่องเกียร์

ผ่านการวิเคราะห์แบบ FFT (Fast Fourier Transform) แปลงสัญญาณการสั่นสะเทือนให้เป็นภาพสเปกตรัม เพื่อระบุว่ามีองค์ประกอบความถี่ที่ผิดปกติหรือไม่

สามารถใช้ร่วมกับการวิเคราะห์ลำดับเพื่อแยกแยะความถี่การสัมผัสฟันเกียร์ออกจากความสั่นสะเทือนของชิ้นส่วนเครื่องจักรอื่น ๆ

สเปกตรัมความถี่สามารถแสดงแอมพลิจูดที่สอดคล้องกับความถี่ต่างๆ เช่น 1x Gear, 1x Pinion, 1xGMF (Gear Meshing Frequency), 2xGMF, 3xGMF เป็นต้น สำหรับเกียร์ตรง (spur gears) การสั่นสะเทือนในแนวรัศมีจะชัดเจนกว่า ในขณะที่สำหรับเกียร์เอียง (helical gears) การสั่นสะเทือนในแนวแกนจะชัดเจนกว่า

3.3 การทดสอบความหยาบของพื้นผิว

ใช้เครื่องวัดความหยาบของพื้นผิว (เช่น Taylor Hobson Talysurf) เพื่อวัดค่าพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น Ra และ Rz ของพื้นผิวฟันเกียร์

ความหยาบของพื้นผิวที่มากเกินไปไม่เพียงแต่เพิ่มแรงเสียดทาน แต่ยังขยายเสียงรบกวนจากการสัมผัสฟันเกียร์ให้ดังขึ้นด้วย

สำหรับเกียร์ความเร็วสูง แนะนำให้ค่า Ra ≤ 0.4 μm เพื่อลดองค์ประกอบของเสียงความถี่สูง

4. กลยุทธ์การปรับปรุง NVH

4.1 การปรับปรุงพื้นผิวฟันเกียร์

การลดแรงกระแทกที่ปลายฟันและรากฟัน: ช่วยลดแรงกระแทกเมื่อรากฟันเข้าสู่การสัมผัส

การโค้งพื้นผิว (Crowning): ลดการรวมตัวของแรงโหลดตามแนวฟันเกียร์ โดยการปรับปรุงพื้นผิวให้เหมาะสม สามารถลดแรงกระแทกขณะฟันเกียร์สัมผัสกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ และช่วยลดเสียงรบกวนตั้งแต่ต้นทาง

มีหลายวิธีในการปรับปรุงพื้นผิว เช่น การใช้เกียร์ลิ่นสองชั้นที่มีลักษณะพาราโบลาต่างกัน (พาราโบลาแบบกำลังสอง กำลังสี่ และกำลังหก) หรือเกียร์ที่มีลักษณะการโค้งพื้นผิวแบบร่องลดแรงดันและช่องว่างที่ปลายฟัน เป็นต้น วิธีการปรับปรุงที่แตกต่างกันจะให้เส้นทางการสัมผัสที่แตกต่างกันขณะฟันเกียร์สัมผัสกัน

4.2 การปรับปรุงความหยาบของพื้นผิว

ใช้เทคโนโลยีการเจียระไน การขัดเงา หรือการกลิ้งเพื่อลดความหยาบของพื้นผิว

ด้วยการเสริมความแข็งแรงแบบรีดขึ้นรูป ไม่เพียงแต่ค่า Ra จะถูกลดลง แต่ยังสามารถปรับปรุงคุณภาพของชั้นผิวที่ผ่านการชุบแข็งแล้วให้ดีขึ้นได้

การเจียระไนเป็นกระบวนการทำงานที่มีประสิทธิภาพ แกนของเครื่องมือเจียระไนจะถูกตั้งค่าให้เหมาะสม และเครื่องมือเจียระไน (ซึ่งเป็นเฟืองภายในที่ถูกกลึงด้วยความแม่นยำจากเซรามิกส์ที่มีความหยาบ เช่น อลูมิเนีย ที่มุมเกลียวเฉพาะเจาะจง) จะทำการประมวลผลเฟืองชิ้นงาน ในระหว่างการปฏิบัติงาน ทิศทางการประมวลผล (การสัมผัส) บนผิวฟันเฟืองเกือบจะเหมือนกับทิศทางในขณะที่เฟืองเกียร์ทำงานจริง

4.3 การสมดุลแบบไดนามิกและความแม่นยำในการประกอบ

ดำเนินการทดสอบสมดุลแบบไดนามิกสำหรับเฟืองและเพลา เพื่อลดแหล่งกำเนิดการสั่นสะเทือน

ควบคุมการวิ่งหนีศูนย์ตามแนวรัศมี (Fr) และการวิ่งหนีศูนย์ตามแนวแกน (Fa) ในระหว่างการประกอบ เพื่อหลีกเลี่ยงการรับน้ำหนักที่ไม่สม่ำเสมอ

5. มาตรฐานและข้อกำหนดในการทดสอบ

มาตรฐานสากลและอุตสาหกรรมมีข้อกำหนดที่ชัดเจนสำหรับสมรรถนะ NVH ของเฟือง

ISO 1328: กำหนดระดับความแม่นยำของเฟืองและช่วงความผิดพลาด

ISO 8579: เกี่ยวข้องกับการวัดเสียงรบกวนของการส่งกำลังด้วยเฟือง

ISO 10816: ครอบคลุมมาตรฐานการตรวจสอบและการประเมินการสั่นสะเทือน

ด้วยการผสานการทดสอบ NVH เข้ากับกระบวนการควบคุมคุณภาพตลอดทั้งกระบวนการผลิต สามารถรับประกันความเงียบและความเสถียรของระบบส่งกำลังได้ก่อนที่ผลิตภัณฑ์จะออกจากโรงงาน

การทดสอบ NVH ของเฟืองไม่ใช่เพียงแค่ส่วนหนึ่งของการตรวจสอบในโรงงานเท่านั้น แต่ควรดำเนินไปตลอดกระบวนการออกแบบ การแปรรูป และการประกอบเฟือง โดยการวัดเสียงอย่างเป็นระบบ การวิเคราะห์การสั่นสะเทือน และการวัดความหยาบของพื้นผิว ร่วมกับเทคโนโลยีการปรับแต่งเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและการแปรรูปความแม่นยำ ส่งผลให้สามารถปรับปรุงความเงียบในการทำงานและอายุการใช้งานของกล่องเกียร์ได้อย่างมาก โดยไม่เพิ่มต้นทุน ซึ่งไม่เพียงเป็นการแสดงถึงความสามารถในการแข่งขันของผลิตภัณฑ์ แต่ยังเป็นแนวโน้มที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ของการพัฒนาอุตสาหกรรมการผลิตเครื่องจักรยุคใหม่ที่มีคุณภาพสูง