Eliminación del ruido de los engranajes

El ruido intrusivo conocido como ruido de los engranajes está causado por las vibraciones generadas por los engranajes al engranar como resultado de las imperfecciones causadas por el diseño, la carga, los efectos de la temperatura y las variaciones de fabricación. Reducir el ruido de los engranajes a un nivel aceptable es un gran reto, especialmente en el caso de cajas de cambios complejas como la moderna transmisión automática planetaria. Las herramientas avanzadas de diseño, simulación y análisis, como RomaxDesigner, proporcionan a los ingenieros la capacidad de identificar rápidamente y con precisión los problemas, encontrar la causa raíz y proponer soluciones realistas dentro de las limitaciones de diseño permitidas. Con una herramienta de este tipo, se pueden optimizar los diseños existentes para eliminar los problemas de ruido, y se pueden crear nuevos diseños que se sabe que no tienen problemas incluso antes de cortar cualquier metal. Aquí desarrollamos un proceso para optimizar un diseño existente con el fin de reducir un problema de ruido y mostramos cómo funciona con un ejemplo del mundo real.

El silbido del engranaje no tiene que ser fuerte para ser un problema. Es, por naturaleza, un ruido tonal, que resulta molesto para los conductores y los pasajeros porque corta otros ruidos en el interior del vehículo. Los engranajes perfectos en un entorno de funcionamiento perfecto no producen ningún ruido, pero desgraciadamente no vivimos en un mundo perfecto. El mundo real es el de las tolerancias de fabricación y montaje, y el de los componentes que se desvían bajo las cargas que les imponemos. La diferencia entre la transferencia suave del movimiento por parte de los engranajes perfectos y lo que realmente se obtiene en la práctica se denomina «error de transmisión» o «TE». Este es el verdadero origen del ruido de los engranajes. El TE provoca una vibración en el engranaje que se transmite a través de los componentes internos de la caja de cambios a la carcasa, donde se irradia directamente como ruido o se transfiere a través del chasis en forma de vibraciones para ser irradiadas como ruido en otro lugar. Aunque no es el único método para controlar el zumbido de los engranajes, la reducción del ruido en la fuente mediante la reducción del TE es claramente una buena idea.

La forma habitual de ajustar el TE es mediante la realización de cambios en la superficie de los dientes a nivel microscópico. Estas modificaciones de la «microgeometría» pueden adaptarse para reducir el TE, pero para saber qué cambios hacer hay que entender cómo se comportan los dientes del engranaje a nivel microscópico. También hay que tener en cuenta que cualquier cambio de microgeometría que se haga también afectará a la durabilidad y al rendimiento de la caja de cambios. De nada sirve tener una caja de cambios silenciosa que se rompa después de 50.000 km.

Fig. 1: Modelo RomaxDesigner de una caja de cambios automática de seis velocidades.

Un rápido vistazo a la Figura 1 le dirá que una transmisión automática moderna es una bestia compleja, con muchos engranajes que se engranan simultáneamente. Estas complejidades dificultan la predicción del comportamiento del engranaje y la identificación de las modificaciones microgeométricas óptimas necesarias. La única manera de lograrlo es considerar los engranajes en el contexto de la transmisión completa. Los efectos y las interacciones entre todos estos engranajes hacen que una simulación a nivel de sistema como la que proporciona RomaxDesigner de Romax Technology (una herramienta de desarrollo de productos virtual, rápida y precisa, con capacidad para simular, analizar y optimizar el rendimiento NVH, la durabilidad y la eficiencia de los diseños más intrincados) sea una herramienta necesaria en el proceso de hacer que estas cajas de cambios sean silenciosas.

La simulación rápida y precisa de estos complejos comportamientos es la clave para un producto mejorado. Obviamente, la precisión es importante; necesitamos poder confiar en los resultados y tomar decisiones de diseño basadas en ellos. Cuando esto se combina con un rendimiento computacional rápido, se convierte en un facilitador para todo tipo de métodos útiles de análisis y optimización que se basan en la simulación repetida de diseños sutilmente diferentes, como veremos más adelante.

Desafíos de la simulación

La optimización del diseño de cajas de cambios planetarias de malla múltiple presenta una serie de problemas en comparación con los diseños más simples de transmisiones manuales, lo que significa que Romax Technology ha tenido que desarrollar métodos específicos para tratar las cajas de cambios automáticas.

Complejidad del diseño

Una caja de cambios automática planetaria es compleja con muchos componentes. Para simularla necesitamos representar esa complejidad, pero sólo al nivel de detalle necesario para darnos los resultados que necesitamos-no queremos un modelo engorroso que requiera mucho tiempo de computación para ejecutarse, pero sí necesitamos incluir detalles donde sean importantes. Por ejemplo, necesitamos una descripción muy detallada de la geometría de los engranajes y un modelo detallado del contacto de los dientes de los engranajes, pero sólo necesitamos considerar la simulación de los frenos y embragues a nivel conceptual. También necesitamos incluir el efecto de las condiciones de contorno de la caja de cambios, ya sea en el vehículo o en el banco de pruebas, para que nuestro modelo represente lo que realmente estamos probando.

Reparto de cargas y desalineación

Las transmisiones automáticas consiguen su alta densidad de potencia repartiendo la transferencia de par a través de varios engranajes planetarios simultáneamente. Las desviaciones del sistema debidas a las cargas internas, los errores de fabricación y las cargas radiales externas (como la gravedad y las del engranaje de transferencia que se muestra en la figura 1) destruyen la simetría del sistema planetario y provocan un reparto desigual de ese par entre los planetas. Para empeorar las cosas, esta desigualdad varía a medida que el portador gira en relación con el sol y el anillo debido a los cambios en la rigidez del portador, los efectos de la gravedad y las ligeras variaciones en la posición del pasador planetario dentro de las tolerancias de fabricación y montaje permitidas. El efecto de esto es que los diferentes pares en cada malla de engranaje significan diferentes desalineaciones en cada malla de engranaje y éstas también varían a medida que el portador gira. Una última complicación son las interacciones entre las diferentes mallas de los engranajes. En una disposición de engranajes planetarios, un engranaje planetario está conectado con al menos otros dos engranajes. La desalineación en una malla de engranaje influye en la desalineación en otras mallas de engranaje porque todas están conectadas por el mismo engranaje.

Lo que esto significa en la práctica es que el análisis detallado de estas mallas de engranaje que se requiere para predecir correctamente el TE debe simular el efecto de todas las mallas de engranaje simultáneamente (el caso de estudio de la pág. 48 tiene 9 mallas). Además, la simulación debe incluir los efectos de la variación del par y la desalineación a medida que los componentes giran.

Figura 2: Proceso para identificar y resolver un problema de ruido de engranajes en una transmisión automática.

En RomaxDesigner esto se consigue realizando un análisis estático iterativo de toda la caja de cambios en varias posiciones diferentes de rotación del portador para construir un perfil completo del comportamiento del contacto del engranaje considerando todas las complicaciones anteriores. Se trata de un proceso relativamente rápido gracias a los algoritmos optimizados que se utilizan, dando una respuesta en cuestión de segundos.

Fase de malla de engranajes

Cuando observamos el ruido de los engranajes causado por un par de engranajes simple, podemos decir que el ruido de los engranajes resultante es directamente proporcional al TE. Esto significa que si descubrimos que necesitamos reducir el ruido en un 50 por ciento, entonces sabemos que tenemos que reducir el TE en un 50 por ciento. Como todo lo demás, la caja de cambios planetaria no se comporta tan bien.

En la transmisión automática tenemos muchas mallas activas a la vez, cada una de las cuales produce su propio TE, todas al mismo tiempo y todas a la misma frecuencia. Sin embargo, las fases relativas de estas señales TE no son siempre las mismas. El efecto de ruido combinado de todas las señales TE depende de este desfase. En algunos casos, las señales se suman y refuerzan las vibraciones resultantes (y, por tanto, el sonido que oye el conductor); en otros, las señales se anulan entre sí y la vibración en una dirección concreta se reduce. Estas diferencias de fase se generan a dos niveles: la mayor parte de este desfase viene determinado por el número de dientes de los engranajes, el número y la posición de los engranajes planetarios y si la caja de cambios en su conjunto es más sensible a las fuerzas dinámicas laterales o de torsión. El diseño de la microgeometría de los dientes también provoca pequeños cambios en el desfase. Prestar atención a este desfase en las primeras fases del proceso de diseño es fundamental para un buen diseño de la caja de cambios.

Lo que esto implica es que no podemos utilizar simplemente el TE como medida de lo bueno que será nuestro rendimiento acústico para una transmisión automática, ya que no existe una relación sencilla entre los TE de las mallas individuales y el ruido resultante en el vehículo. En su lugar, debemos utilizar la vibración de la caja de transmisión como medida de éxito o fracaso y eso significa que necesitamos un modelo dinámico de nuestra caja de cambios.

Respuesta dinámica

Predecir el comportamiento de la respuesta a la vibración de una caja de cambios requiere dos cosas: el conocimiento de la excitación -en nuestro caso, el TE, que sabemos que nuestros métodos pueden predecir con precisión- y también un modelo dinámico del sistema de transmisión completo. Podemos aplicar el TE predicho en cada malla (incluido el desfase) en el modelo dinámico y predecir la respuesta en cualquier punto de la caja. Esto puede ser comparado directamente con las mediciones de vibración en la caja de cambios real. RomaxDesigner incluye la capacidad de generar automáticamente un modelo dinámico y calcular la respuesta.

Así que hay muchas dificultades asociadas con la simulación del silbido de los engranajes en las cajas de cambios automáticas planetarias, pero hemos sido capaces de implementar métodos para hacer frente a estos dentro del entorno de desarrollo de productos virtuales RomaxDesigner. A continuación veremos cómo estos métodos pueden ser utilizados en un proceso de solución de problemas de silbido de engranajes.

Fig. 3: Comparación entre la vibración de la carcasa de referencia medida, la vibración de la carcasa de referencia simulada y la vibración de la carcasa optimizada simulada.

Solución de problemas

Además del diseño inicial de nuevos productos, otra razón común para optimizar un diseño para NVH es cuando un diseño existente se pone en una nueva aplicación (un nuevo modelo de vehículo o emparejado con un nuevo motor, por ejemplo) y se encuentra que el ruido de los silbidos es un problema. En una situación como ésta, hay muy poco margen para realizar cambios importantes en el diseño, como cambiar la disposición de la caja de cambios, el número de dientes o el número de planetas. En estos casos, se considera que el único enfoque es perfeccionar la microgeometría. Aquí se discute un ejemplo de proceso de optimización basado únicamente en modificaciones de la microgeometría y se ilustra con un estudio de caso del mundo real más adelante.

El proceso general de resolución de problemas se muestra en la Figura 2. El primer paso es identificar las condiciones en las que se produce el problema. Esto se hace mediante una evaluación subjetiva en el vehículo. Esto se respalda con una medición cuantitativa del ruido y las vibraciones tanto en el vehículo como en un banco de pruebas. Los resultados de estas pruebas constituyen los resultados de referencia con los que se pueden comparar el ruido y las vibraciones del nuevo diseño. Si los resultados del banco de pruebas muestran los mismos síntomas que los resultados en el vehículo, toda la simulación y las pruebas posteriores pueden realizarse en el entorno más controlado del laboratorio. El análisis de estos resultados de las pruebas también arroja información sobre qué conjunto de engranajes planetarios está causando el problema.

El siguiente paso es crear el modelo RomaxDesigner de la transmisión. Este modelo debe representar lo más fielmente posible la transmisión real probada y las condiciones de contorno deben representar las de la prueba (en el vehículo o en el banco de pruebas). Por lo general, esto significa que se debe medir la microgeometría de la caja de cambios que se está probando y utilizar la microgeometría exacta en el modelo. También deben medirse las dimensiones críticas, como las posiciones de los pasadores planetarios, las ubicaciones de los orificios de los cojinetes de la carcasa y las holguras axiales y radiales de los componentes críticos, para asegurarse de que se ajustan a las especificaciones de diseño. Lo ideal es que estas mediciones se realicen en varias cajas de cambios de la línea de producción para comprobar la variabilidad de la fabricación. Si alguno de los componentes está fuera de tolerancia (especialmente la microgeometría), estos problemas de fabricación deben abordarse en primer lugar antes de seguir investigando. En cuanto a las condiciones de contorno, tenemos que simular, al menos de forma aproximada, la inercia rotativa y la rigidez torsional aguas arriba y aguas abajo, así como las condiciones de apoyo de la carcasa de la caja de cambios.

Las predicciones del modelo deben compararse con los resultados de las pruebas de referencia para confirmar que el modelo recrea los síntomas del problema original. Esto significa que podemos estar seguros de que cualquier cambio de diseño que hagamos en el mundo virtual tendrá el mismo efecto en el mundo real y ahora podemos pasar a la fase de optimización.

Fig. 4: Componentes del conjunto de engranajes planetarios traseros en la transmisión de seis velocidades.

Es importante que las condiciones de carga que elijamos para la optimización no incluyan únicamente aquellas condiciones en las que se produce un problema de gemelos. También tenemos que considerar aquellas condiciones en las que el ruido no se percibe como molesto. Esto es para asegurar que cualquier cambio de diseño que hagamos no tenga un efecto perjudicial y evitemos la posibilidad de resolver un problema pero causar otro.

Los detalles de la fase de optimización del proceso de resolución de problemas se amplían en la Figura 2. El corazón del proceso es un estudio de sensibilidad paramétrica en el que se varían los parámetros más importantes y se identifica su efecto sobre el patrón de contacto y el TE. En el ejemplo mostrado, sólo se consideran los parámetros de microgeometría, pero podrían evaluarse otros parámetros de la misma manera. En general, buscamos reducir el TE de las mallas individuales y el TE combinado de todas las mallas juntas, al tiempo que mantenemos un patrón de contacto centralizado y una tensión superficial aceptable para garantizar que la durabilidad no se vea comprometida.

El análisis de sensibilidad se realiza primero en las mallas del engranaje de anillo planetario y la microgeometría revisada se aplica a los engranajes del modelo (normalmente esta microgeometría se aplica sólo al engranaje planetario, ya que el acabado duro o blando preciso de un engranaje interno es difícil en un entorno de producción en serie). A continuación, se realiza el mismo proceso en las mallas del engranaje planetario y se aplica de nuevo la microgeometría revisada. Recordemos que una de las dificultades de la simulación del ruido de los engranajes planetarios es que los cambios realizados en una malla afectan al rendimiento de todas las mallas. Esto significa que ahora tenemos que volver a repetir el análisis en las mallas de los anillos planetarios para ver si es necesario revisarlas. Teóricamente podríamos repetir este bucle iterativo hasta lograr una convergencia perfecta, sin embargo, en la práctica, una iteración suele ser suficiente.

Por supuesto, nuestro objetivo para cuantificar el rendimiento del ruido no es el TE y el patrón de contacto, sino la vibración de la carcasa; así que con la fase de optimización completa, los pasos finales son confirmar que la nueva respuesta de vibración simulada para el diseño optimizado se reduce a un nivel aceptable. A continuación, esto se confirma en la caja de cambios real mediante una prueba de prototipo única antes de poder reanudar la producción de la transmisión con el diseño de engranaje revisado.

Fig. 5: Comparación del ruido radiado de la caja de cambios antes y después de la optimización.

Estudio de caso

En un documento de la SAE, Hyundai describió cómo utilizó estos métodos para solucionar un problema de silbido de engranajes, en una caja de cambios automática planetaria de seis velocidades, que se identificó mediante pruebas subjetivas. Las pruebas cuantitativas posteriores identificaron un aumento de los niveles de ruido en el rango de par medio y alto (60 Nm-200 Nm), a velocidades del motor de 900 rpm-1300 rpm.

Se creó un modelo completo de caja de cambios con ejes, cojinetes, engranajes y carcasa detallados (Figura 1). Los juegos radiales en los casquillos y los juegos internos de los rodamientos se calcularon a partir de la tolerancia de diseño, teniendo en cuenta la expansión térmica en condiciones de funcionamiento. Los detalles de la caja de cambios de prueba real (holguras y microgeometría medida) se utilizaron en el modelo para obtener la máxima precisión de la simulación. Se utilizaron tres casos de carga para las pruebas y el análisis con el fin de cubrir la gama de pares de funcionamiento. A continuación, se utilizó RomaxDesigner para predecir la vibración en la carcasa de la caja de cambios, cuyos resultados se compararon bien con las mediciones de la prueba de referencia (Figura 3).

El análisis de las mediciones de ruido mostró que el sistema planetario trasero era la fuente del ruido de los engranajes (Figura 4). Este conjunto de engranajes es una disposición planetaria inversa que comprende un engranaje solar, tres engranajes planetarios interiores y exteriores y una corona dentada. El proceso de optimización de la microgeometría descrito anteriormente se aplicó al conjunto de engranajes y se generó un diseño de microgeometría revisado. La figura 3 muestra una comparación de la respuesta de vibración prevista en un punto para el diseño de referencia y el optimizado. Se observa una mejora clara y significativa gracias a los cambios recomendados en el diseño de la microgeometría. Como prueba final de la validez del diseño optimizado, se fabricaron engranajes prototipo y se instalaron en la transmisión. El ruido y las vibraciones de la transmisión mejorada se midieron en el banco de pruebas, y los resultados de la Figura 5 muestran una reducción de 6dB en el ruido radiado en el rango de velocidades problemático y se cumplió el objetivo de ruido requerido.

Conclusión

Los problemas de ruido en la maquinaria compleja son siempre difíciles de resolver y el ruido de los engranajes en las transmisiones automáticas no es una excepción. Los métodos demostrados aquí muestran claramente que se puede hacer de forma rápida y fiable siempre que se disponga de las herramientas adecuadas. La clave del éxito es tener la capacidad de modelar la transmisión completa con suficiente detalle y tener en cuenta las interacciones entre todos los componentes simultáneamente. La combinación de esto con tiempos de cálculo rápidos hace que la optimización del diseño paramétrico sea una realidad práctica.

El estudio de caso que se presenta aquí demuestra que estas no son sólo afirmaciones vacías. Lograr una reducción de 6dB en el ruido radiado de una caja de cambios mientras se limita a realizar cambios en la microgeometría de los engranajes es un logro considerable en un entorno de producción en masa.

Dar a los ingenieros herramientas como RomaxDesigner conduce a una mejora de la calidad del producto con la reducción de los tiempos de desarrollo y los costes no sólo cuando se solucionan los diseños existentes, sino también cuando se crea una nueva caja de cambios desde cero. Claramente, el diseño de los problemas de ruido en el ordenador es más rápido y más barato que esperar hasta la fase de creación de prototipos y, en el caso de un nuevo producto, suele conducir a un mejor diseño en lugar de uno que se ve comprometido por los cambios correctivos puestos en marcha para eliminar los problemas que se identifican más tarde en el proceso de desarrollo.

Lectura adicional

1) Shin, W et al. «6 Speed Automatic Transmission Vibration Magnitude Prediction and Whine Noise Improvement through Transmission System Modeling», SAE Paper 2011-01-1553.
2) Pears, J et al. «An Analytical Method to Reduce Gear Whine Noise, Including Validation with Test Data,» SAE Paper 2007-01-2241.
3) Pears, J et al. «Predicting Variation in the NVH Characteristics of an Automatic Transmission using a Detailed Parametric Modeling Approach,» 2007-01-2234.
4) Parker, R G. «A Physical Explanation for the Effectiveness of Planet Phasing to Suppress Planetary Gear Vibration,» Journal of Sound and Vibration, Vol 236, pp 561-573, 2000.