Inspeksi Gigi Roda dan Pengendalian Kualitas: Metode Pengujian NVH Gigi Roda

Dalam bidang transportasi rel modern, penerbangan, dan peralatan mekanis kelas atas, transmisi gigi roda tidak hanya membutuhkan efisiensi dan keandalan tinggi tetapi juga performa NVH yang unggul (Noise, Vibration, Harshness). Tingkat NVH secara langsung mempengaruhi pengalaman pengguna dan umur pakai peralatan, serta juga berdampak besar pada biaya pemeliharaan peralatan dan citra merek. Artikel ini akan memperkenalkan secara sistematis metode pengujian, faktor-faktor yang mempengaruhi, serta strategi optimasi NVH gigi roda.

1. Pentingnya NVH dalam Kotak Percepatan

Selama transmisi gigi, kesalahan geometris terkecil sekalipun, penyimpangan perakitan, atau cacat material dapat berubah menjadi sumber getaran dan kebisingan selama proses meshing. Pada roda gigi kereta rel, tingkat kebisingan yang tinggi tidak hanya memengaruhi kenyamanan penumpang, tetapi juga memperparah kerusakan kelelahan pada komponen seperti bantalan dan roda gigi, sehingga memperpendek usia pakai seluruh mesin. Tanpa mengubah material dan skema transmisi, melalui pengujian dan optimasi NVH yang ilmiah, kita dapat mencapai manfaat ganda berupa pengurangan kebisingan dan peningkatan usia pakai.

Getaran dan kebisingan yang dihasilkan dalam kotak roda gigi ditransmisikan ke bagian lain kendaraan melalui respons rumah (housing). Sumber eksitasi utama adalah kesalahan transmisi, sementara jalur transmisi mencakup roda gigi-sumbu-bantalan-rumah dan roda gigi-udara-rumah.

2. Sumber Utama Kebisingan Roda Gigi

Kesalahan Profil Gigi dan Heliks: Kesalahan ini menyebabkan meshing tidak merata yang menghasilkan benturan meshing, meningkatkan puncak kebisingan.

Kasar Permukaan Gigi Roda Berlebihan: Hal ini secara langsung mempengaruhi keadaan kontak meshing dan menghasilkan kebisingan frekuensi tinggi.

Eksentrisitas Perakitan dan Runout Radial: Hal ini menyebabkan gaya tidak merata pada titik meshing, mengakibatkan kebisingan periodik.

Tumpang Tindih Frekuensi Resonansi: Ketika frekuensi meshing roda gigi mendekati frekuensi resonansi dari kotak, poros, atau struktur eksternal, kebisingan akan meningkat secara signifikan.

3. Metode Pengujian Kebisingan Roda Gigi

3.1 Pengukuran Akustik

Gunakan mikrofon free-field untuk mengukur tingkat tekanan suara (dB) dari transmisi selama operasi.

Analisis intensitas suara dapat menentukan sumber utama kebisingan.

Pengujian harus dilakukan di dalam ruang kedap suara atau lingkungan semi-anechoic untuk menghindari gangguan kebisingan lingkungan.

Contohnya, dalam pengujian akustik kereta api ringan (tram), array mikrofon digunakan untuk mendeteksi sumber kebisingan pada komponen seperti bodi tram, struktur bogie, dan elemen roda gandar. Wilayah akustik mencakup transmisi, penutup bogie, dll.

3.2 Analisis Getaran

Gunakan akselerometer triaksial untuk merekam sinyal getaran dalam berbagai arah pada roda gigi.

Melalui analisis FFT (Fast Fourier Transform), ubah sinyal getaran menjadi spektrogram untuk menentukan adanya komponen frekuensi yang tidak normal.

Dapat dikombinasikan dengan analisis urutan untuk membedakan frekuensi penggigian dari getaran komponen mekanis lainnya.

Spektrum frekuensi dapat menunjukkan amplitudo yang bersesuaian dengan frekuensi berbeda, seperti 1x Gear, 1x Pinion, 1xGMF (Gear Meshing Frequency), 2xGMF, 3xGMF, dan sebagainya. Untuk roda gigi lurus (spur gears), getaran radial lebih menonjol, sedangkan untuk roda gigi heliks (helical gears), getaran aksial lebih jelas terlihat.

3.3 Pengujian Kekasaran Permukaan

Gunakan alat pengukur kekasaran permukaan (seperti Taylor Hobson Talysurf) untuk mengukur parameter seperti Ra dan Rz pada permukaan gigi.

Kekasaran permukaan yang berlebihan tidak hanya meningkatkan gesekan, tetapi juga memperbesar kebisingan penggigian.

Untuk gigi kecepatan tinggi, disarankan Ra ≤ 0,4 μm untuk mengurangi komponen kebisingan frekuensi tinggi.

4. Strategi Optimasi NVH

4.1 Optimasi Modifikasi Permukaan Gigi

Relief Ujung dan Akar: Kurangi dampak saat gigi bagian akar terlibat.

Crowning: Mengurangi konsentrasi beban sepanjang arah gigi. Dengan mengoptimalkan modifikasi, gaya benturan saat gigi mengait dapat efektif dikurangi, sehingga menekan kebisingan dari sumbernya.

Terdapat berbagai metode modifikasi, seperti gigi heliks ganda dengan profil parabola berbeda (parabola kuadratik, quartik, dan sextik), gigi crowning dengan kontur yang memiliki karakteristik pengurangan tekanan pada dasar dan celah pada ujung, dll. Metode modifikasi yang berbeda menghasilkan lintasan kontak yang berbeda selama proses pengaitan.

4.2 Peningkatan Kekerasan Permukaan

Gunakan teknologi penggerindaan presisi, pengasaran, atau pengilapan dan penggilingan untuk mengurangi kekasaran permukaan.

Melalui penguatan dengan rolling, nilai Ra tidak hanya dapat dikurangi, tetapi juga kualitas lapisan keras pada permukaan gigi roda dapat ditingkatkan.

Honing adalah proses yang efektif. Sumbu alat honing diatur secara tepat, dan alat honing (roda gigi internal presisi yang terbuat dari keramik abrasif seperti alumina dengan sudut heliks tertentu) memproses roda gigi benda kerja. Selama operasi, arah pemrosesan (kontak) pada permukaan gigi roda hampir sama dengan arah kontak selama penggigian aktual.

4.3 Keseimbangan Dinamis dan Presisi Perakitan

Lakukan uji keseimbangan dinamis pada roda gigi dan poros untuk mengurangi sumber getaran.

Kontrol runout radial (Fr) dan runout aksial (Fa) selama perakitan untuk menghindari beban yang tidak merata.

5. Standar dan Persyaratan Pengujian

Standar internasional dan industri memiliki persyaratan jelas terhadap performa NVH roda gigi:

ISO 1328: Menentukan tingkat ketelitian roda gigi dan rentang kesalahan.

ISO 8579: Mengatur pengukuran kebisingan transmisi roda gigi.

ISO 10816: Mencakup standar pemantauan dan evaluasi getaran.

Dengan mengintegrasikan pengujian NVH ke dalam kontrol kualitas seluruh proses produksi, ketenangan dan stabilitas sistem transmisi dapat dijamin sebelum produk meninggalkan pabrik.

Pengujian NVH roda gigi bukan hanya bagian dari inspeksi pabrik tetapi juga harus dilakukan sepanjang proses perancangan, pengolahan, dan perakitan roda gigi. Melalui pengukuran akustik yang sistematis, analisis getaran, dan pengukuran kekasaran permukaan, dikombinasikan dengan optimasi modifikasi dan teknologi pengolahan presisi, ketenangan operasional serta umur pakai gearbox dapat ditingkatkan secara signifikan tanpa peningkatan biaya. Hal ini bukan hanya wujud dari daya saing produk, tetapi juga merupakan tren tak terelakkan dalam pengembangan berkualitas tinggi di industri manufaktur mesin modern.