Contrôle d'engrenages et gestion de la qualité : Méthodes pour les tests NVH des engrenages

Dans les domaines modernes des transports ferroviaires, de l'aéronautique et des équipements mécaniques haut de gamme, la transmission par engrenages exige non seulement une haute efficacité et fiabilité, mais également des performances NVH (Noise, Vibration, Harshness) excellentes. Le niveau de performance NVH affecte directement l'expérience utilisateur et la durée de vie du matériel, tout en ayant un impact profond sur les coûts d'entretien et l'image de marque. Cet article présente de manière systématique les méthodes de test, les facteurs influençant les performances NVH, ainsi que les stratégies d'optimisation des engrenages.

1. Importance du NVH dans les boîtes de vitesses

Durant la transmission des engrenages, la moindre erreur géométrique, déviation d'assemblage ou défaut du matériau peut se transformer en source de vibrations et de bruit pendant l'engrènement. Concernant les boîtes d'engrenages des trains ferroviaires, un niveau de bruit élevé n'affecte pas seulement le confort des passagers, mais accroît également la fatigue et les dommages sur des composants tels que les roulements et les engrenages, réduisant ainsi la durée de vie de l'ensemble de la machine. Sans modifier le matériau ni le schéma de transmission, grâce à des tests et une optimisation NVH scientifiques, nous pouvons atteindre une double amélioration : réduction du bruit et prolongation de la durée de vie.

Les vibrations et le bruit générés dans la boîte de vitesses se transmettent à d'autres parties du véhicule par la réponse du boîtier. La source d'excitation provient principalement de l'erreur de transmission, et les chemins de transmission comprennent l'engrenage-arbre-roulement-boîtier ainsi que l'engrenage-air-boîtier.

2. Sources principales du bruit des engrenages

Erreurs de profil et d'hélice : l'engrènement irrégulier causé par ces erreurs entraîne des chocs à l'engrènement, provoquant une augmentation des pics de bruit.

Rugosité excessive de la surface des engrenages : Elle affecte directement l'état de contact d'engrènement et génère un bruit à haute fréquence.

Excentricité et battement radial de l'assemblage : Ceux-ci provoquent une force inégale sur les points d'engrènement, entraînant un bruit périodique.

Superposition des fréquences de résonance : Lorsque la fréquence d'engrènement des engrenages est proche de la fréquence de résonance de la boîte, de l'arbre ou d'une structure externe, le bruit sera considérablement amplifié.

3. Méthodes d'essai du bruit des engrenages

3.1 Mesure acoustique

Utiliser des microphones en champ libre pour mesurer le niveau de pression acoustique (dB) de la boîte de vitesses en fonctionnement.

L'analyse de l'intensité sonore peut localiser les principales sources de bruit.

Les essais doivent être réalisés dans une chambre anéchoïque ou un environnement semi-anéchoïque afin d'éviter les interférences dues au bruit ambiant.

Par exemple, lors des essais acoustiques de tramways, des réseaux de microphones sont utilisés pour détecter les sources de bruit dans des composants tels que la caisse du tramway, la structure du bogie et les éléments de l'essieu. Les zones acoustiques concernent notamment la boîte de vitesses, le couvercle du bogie, etc.

3.2 Analyse des vibrations

Utiliser des accéléromètres triaxiaux pour enregistrer les signaux de vibration dans différentes directions de la boîte de vitesses.

Par analyse FFT (Fast Fourier Transform), convertir les signaux de vibration en spectrogrammes afin d'identifier la présence de composantes de fréquence anormales.

Elle peut être combinée à l'analyse d'ordre pour distinguer la fréquence d'engrènement des engrenages des vibrations provenant d'autres composants mécaniques.

Le spectre de fréquence peut afficher l'amplitude correspondant à différentes fréquences, telles que 1x Engrenage, 1x Pignon, 1xGMF (Fréquence d'engrènement des engrenages), 2xGMF, 3xGMF, etc. Pour les engrenages droits, les vibrations radiales sont plus prononcées, tandis que pour les engrenages hélicoïdaux, les vibrations axiales sont plus visibles.

3.3 Essai de rugosité de surface

Utiliser des rugosimètres (tels que le Taylor Hobson Talysurf) pour mesurer des paramètres tels que Ra et Rz de la surface des dents.

Une rugosité de surface excessive augmente non seulement le frottement, mais aussi l'amplitude du bruit d'engrènement.

Pour les engrenages à grande vitesse, il est recommandé que Ra ≤ 0,4 μm afin de réduire les composantes du bruit haute fréquence.

4. Stratégies d'optimisation NVH

4.1 Optimisation de la modification de la surface des dents

Dégagement à l'extrémité et à la racine : atténuer l'impact lors de l'engrènement de la racine de la dent.

Frettage : réduire la concentration de la charge dans la direction de la dent. En optimisant la modification, la force d'impact au moment de l'engrènement peut être efficacement réduite, supprimant ainsi le bruit à la source.

Il existe diverses méthodes de modification, telles que les engrenages hélicoïdaux doublement bombés avec différents profils paraboliques (secondaire, quartique et sextique), les engrenages à bombage de contour avec des caractéristiques telles que réduction de la pression au fond et jeu à l'extrémité, etc. Les différentes méthodes de modification entraînent des chemins de contact différents pendant l'engrènement.

4.2 Amélioration de la rugosité de surface

Utiliser des technologies de rectification précise, d'abrasage ou de polissage et de galetage pour réduire la rugosité de surface.

Grâce au renforcement par laminage, non seulement la valeur Ra peut être réduite, mais aussi la qualité de la couche durcie de la surface des dents peut être améliorée.

Le rodage est un procédé efficace. L'axe de l'outil de rodage est correctement réglé, et l'outil de rodage (un engrenage interne de précision réalisé en céramique abrasive telle que l'alumine, avec un angle d'hélice spécifique) usine l'engrenage pièce. Pendant le fonctionnement, la direction de traitement (de contact) sur la surface des dents est presque identique à celle pendant l'engrènement réel des engrenages.

4.3 Équilibre Dynamique et Précision d'Assemblage

Effectuer des tests d'équilibre dynamique sur les engrenages et les arbres afin de réduire les sources de vibrations.

Contrôler le battement radial (Fr) et le battement axial (Fa) pendant l'assemblage afin d'éviter des charges inégales.

5. Normes et Exigences d'Essai

Les normes internationales et sectorielles définissent clairement les exigences relatives aux performances NVH des engrenages :

ISO 1328 : Spécifie les classes de précision des engrenages ainsi que les plages d'erreurs admissibles.

ISO 8579 : Traite les mesures du bruit émis par les transmissions d'engrenages.

ISO 10816 : Couvre les normes de surveillance et d'évaluation des vibrations.

En intégrant les tests NVH dans le contrôle qualité de l'ensemble du processus de production, il est possible d'assurer la tranquillité et la stabilité du système de transmission avant la sortie du produit d'usine.

Les tests NVH des engrenages ne constituent pas seulement une partie des inspections usine, ils devraient également être appliqués tout au long du processus de conception, d'usinage et d'assemblage des engrenages. Grâce à des mesures acoustiques systématiques, une analyse des vibrations et une mesure de la rugosité de surface, combinées à une optimisation des corrections et à des technologies d'usinage de précision, il est possible d'améliorer sensiblement le niveau de bruit en fonctionnement et la durée de vie de la boîte de vitesses sans augmenter les coûts. Cela représente non seulement une démonstration de la compétitivité du produit, mais aussi une tendance incontournable vers un développement de haute qualité dans l'industrie mécanique moderne.