Ispezione e Controllo Qualità degli Ingranaggi: Metodi per i Test NVH degli Ingranaggi

Nei settori della moderna mobilità ferroviaria, dell'aviazione e dell'equipaggiamento meccanico di alta gamma, la trasmissione mediante ingranaggi non richiede soltanto alta efficienza e affidabilità, ma anche un'eccellente prestazione NVH (Noise, Vibration, Harshness). Il livello NVH influenza direttamente l'esperienza dell'utente e la durata del prodotto, e ha inoltre un impatto significativo sui costi di manutenzione dell'equipaggiamento e sull'immagine del marchio. Questo articolo presenta in modo sistematico i metodi di test, i fattori influenzanti e le strategie di ottimizzazione per le prestazioni NVH degli ingranaggi.

1. Importanza del NVH nei Riduttori

Durante il cambio marcia, eventuali piccoli errori geometrici, deviazioni di assemblaggio o difetti del materiale possono trasformarsi in fonti di vibrazioni e rumore durante l'ingranamento. Per i cambi delle locomotive ferroviarie, un alto livello di rumore non influisce soltanto sul comfort dei passeggeri, ma accelera anche l'usura dei componenti come cuscinetti e ingranaggi, riducendo la vita utile dell'intera macchina. Senza modificare materiali e schema di trasmissione, grazie a test e ottimizzazione scientifica NVH, possiamo ottenere il doppio beneficio della riduzione del rumore e del prolungamento della vita utile.

Le vibrazioni e il rumore generati all'interno del cambio vengono trasmessi ad altre parti del veicolo attraverso la struttura del carter. La fonte di eccitazione è principalmente l'errore di trasmissione, mentre i percorsi di trasmissione includono ingranaggio-albero-cuscinetto-carter e ingranaggio-aria-carter.

2. Principali fonti del rumore degli ingranaggi

Errori di Profilo e di Elica: L'ingranamento irregolare causato da questi errori genera impatti nell'ingranamento, provocando un aumento dei picchi di rumore.

Rugosità eccessiva della superficie dei denti: influisce direttamente sullo stato di contatto tra gli ingranaggi e genera rumore ad alta frequenza.

Sbarramento e gioco radiale dell'assieme: provocano forze irregolari nei punti di ingranamento, causando rumore periodico.

Sovrapposizione delle frequenze di risonanza: quando la frequenza di ingranamento degli ingranaggi è vicina alla frequenza di risonanza del contenitore, dell'albero o di una struttura esterna, il rumore verrà amplificato significativamente.

3. Metodi di prova per il rumore degli ingranaggi

3.1 Misurazione acustica

Utilizzare microfoni in campo libero per misurare il livello di pressione sonora (dB) del riduttore durante il funzionamento.

L'analisi dell'intensità sonora può individuare le principali fonti di rumore.

Le prove devono essere effettuate in una camera anecoica o in un ambiente semi-anecoico per evitare interferenze da parte del rumore ambientale.

Ad esempio, nella prova acustica dei tram, vengono utilizzati array di microfoni per rilevare le fonti di rumore nei componenti come la carrozzeria del tram, la struttura del bogie e gli elementi dell'asse. Le aree acustiche coinvolgono il riduttore, il coperchio del bogie, ecc.

3.2 Analisi delle Vibrazioni

Utilizzare accelerometri triassiali per registrare i segnali di vibrazione in varie direzioni del cambio.

Tramite analisi FFT (Fast Fourier Transform), convertire i segnali di vibrazione in spettrogrammi per determinare la presenza di componenti di frequenza anomali.

Può essere combinata con l'analisi d'ordine per distinguere la frequenza di ingranamento delle ruote dentate da vibrazioni di altri componenti meccanici.

Lo spettro di frequenza può mostrare l'ampiezza corrispondente a diverse frequenze, come 1x Gear, 1x Pinion, 1xGMF (Gear Meshing Frequency), 2xGMF, 3xGMF, ecc. Per ingranaggi dritti, la vibrazione radiale è più evidente, mentre per ingranaggi elicoidali, la vibrazione assiale è più marcata.

3.3 Verifica della Rugosità Superficiale

Utilizzare rugosimetri (come Taylor Hobson Talysurf) per misurare parametri come Ra e Rz della superficie dei denti.

Un'elevata rugosità superficiale non solo aumenta l'attrito, ma amplifica anche il rumore di ingranamento.

Per ingranaggi ad alta velocità, si raccomanda che Ra ≤ 0,4 μm per ridurre le componenti di rumore ad alta frequenza.

4. Strategie di ottimizzazione NVH

4.1 Ottimizzazione della modifica della superficie dei denti

Scarico di punta e radice: alleviare l'impatto quando il dente entra in presa.

Bombatura: ridurre la concentrazione del carico lungo la direzione del dente. Ottimizzando la modifica, è possibile ridurre efficacemente la forza d'impatto dell'ingranamento, sopprimendo il rumore alla fonte.

Esistono vari metodi di modifica, come ingranaggi elicoidali doppiamente bombati con profili parabolici differenti (secondari, quartici e sestici), ingranaggi a profilo bombato con caratteristiche come riduzione della pressione alla base e gioco in punta, ecc. Diversi metodi di modifica producono percorsi di contatto differenti durante l'ingranamento.

4.2 Miglioramento della rugosità superficiale

Utilizzare tecnologie di rettifica precisa, superfinishing o lucidatura e rullatura per ridurre la rugosità superficiale.

Attraverso il rinforzo a rullatura, non solo si può ridurre il valore Ra, ma si può anche migliorare la qualità dello strato indurito della superficie dei denti.

La rettifica è un processo efficace. L'asse dello strumento di rettifica è regolato opportunamente, e lo strumento di rettifica (una ruota dentata interna di precisione realizzata con ceramiche abrasive come l'allumina, con un determinato angolo di elica) lavora il pignone in lavorazione. Durante il funzionamento, la direzione di lavorazione (contatto) della superficie dei denti è quasi la stessa di quella durante l'effettivo ingranamento delle ruote dentate.

4.3 Bilanciamento Dinamico e Precisione di Assemblaggio

Eseguire test di bilanciamento dinamico su ingranaggi e alberi per ridurre le fonti di vibrazione.

Controllare il gioco radiale (Fr) e il gioco assiale (Fa) durante l'assemblaggio per evitare carichi irregolari.

5. Normative e Requisiti di Prova

Le norme internazionali e del settore prevedono requisiti chiari per le prestazioni NVH degli ingranaggi:

ISO 1328: Specifica i gradi di precisione degli ingranaggi e i relativi campi di tolleranza.

ISO 8579: Tratta la misurazione del rumore trasmesso dagli ingranaggi.

ISO 10816: Copre gli standard di monitoraggio e valutazione delle vibrazioni.

Integrando i test NVH nel controllo qualità dell'intero processo produttivo, è possibile garantire la silenziosità e la stabilità del sistema di trasmissione prima che il prodotto lasci la fabbrica.

I test NVH per ingranaggi non sono solo parte dell'ispezione in fabbrica, ma dovrebbero accompagnare l'intero processo di progettazione, lavorazione e assemblaggio degli ingranaggi. Attraverso misurazioni acustiche sistematiche, analisi delle vibrazioni e misurazione della rugosità superficiale, unite all'ottimizzazione del profilo e alle tecnologie di lavorazione di precisione, è possibile migliorare significativamente la silenziosità operativa e la durata del cambio senza aumentare i costi. Questo non è solo un segno della competitività del prodotto, ma anche una tendenza inevitabile nello sviluppo di alta qualità della moderna industria meccanica.