Modulazione del rumore tramite modifica topografica delle superfici

Il rumore emesso da una trasmissione meccanica è principalmente legato dall’eccitazione data dall’ingranamento. I metodi tradizionali di progettazione e calcolo si concentrano solamente sulla riduzione del livello di eccitazione. Tuttavia, spesso le caratteristiche fisiche del suono non sono strettamente connesse alla sua percezione da parte dell’orecchio umano. In altre parole, non sempre livelli maggiori di emissione vengono percepiti come più fastidiosi. Pertanto, sono necessarie regole e linee guida per una progettazione degli ingranaggi in grado di valutare l’eccitazione in base alla percezione umana. In questo articolo viene studiato il comportamento di ingranaggi conici su cui è stata applicata una modifica topografica mirata.

La crescente sensibilizzazione al rumore ha reso sempre più importante lo studio del comportamento NVH delle trasmissioni. Soprattutto a causa delle caratteristiche tonali emesse degli ingranaggi in esercizio, il rumore viene percepito in modo negativo dal cliente [1]. Uno dei criteri più importanti nella valutazione qualitativa delle trasmissioni ad ingranaggi nel settore automobilistico è il comportamento NVH [2]. Le vibrazioni e l’emissione acustica percepite all’interno del veicolo rappresentano pertanto un importante aspetto da ottimizzare durante le fasi di sviluppo [3]. Gran parte delle vibrazioni e dei rumori all’interno di un veicolo derivano dalla trasmissione. Nei veicoli con motore a combustione interna, questo effetto è in parte mascherato dal propulsore. L’elettrificazione e l’ibridazione però aumentano l’importanza di una trasmissione a bassa emissione acustica dato che il rumore non viene più coperto da quello del propulsore [4].

Tuttavia, anche un aumento della qualità degli ingranaggi e una conseguente riduzione dell’eccitazione non impedisce che il rumore emesso venga percepito come fastidioso dalla clientela. Per un miglioramento della qualità del rumore percepito, la sola riduzione del livello di emissione non è sempre la soluzione migliore. Le caratteristiche del rumore e quindi la percezione umana sono decisive [5].

Nella progettazione delle trasmissioni è possibile agire sull’emissione modificando la topologia locale delle superfici. È necessario trovare un compromesso tra bassa eccitazione degli ingranaggi, sufficiente capacità di carico ed elevata efficienza. La scelta della topografia migliore, ovvero che garantisca un comportamento ottimizzato in un ampio spettro di condizioni operative, è una una delle principali sfide nello sviluppo di ingranaggi [6]. Fino ad ora, l’errore di trasmissione quasi-statico è stato l’unico strumento di confronto tra soluzioni costruttive differenti. L’errore di trasmissione di una trasmissione è infatti la fonte di eccitazione dinamica del sistema, che porta a una fluttuazione del carico su denti e ne determina il comportamento NVH [5].

Stato dell’arte

Percorso sorgente-ricevitore

L’emissione acustica degli ingranaggi è caratterizzata da emissioni ad alte frequenze. È causata dall’ingranamento sotto carico. La Figura 1 mostra il concetto di percorso sorgente-ricevitore di un ingranaggio, evidenziando l’origine e la trasmissione delle vibrazioni dell’ingranaggio fino all’orecchio umano. La trasmissione può essere rappresentata da una catena di trasferimento acustico con una fonte di eccitazione del rumore (sorgente, ingranamento), un percorso di trasferimento (rumore trasmesso dalla struttura) e la radiazione (ricevitore, rumore in aria).

Il punto di partenza (generazione del rumore) si ha con l’eccitazione quasi statica dell’ingranaggio. L’eccitazione è quantificabile a partire dall’errore di trasmissione che, in esercizio, causa impatti dinamici che dipendono dal punto di funzionamento della trasmissione causando una fluttuazione dinamica del carico. Le vibrazioni risultanti vengono trasmesse dalla struttura dagli ingranaggi ai cuscinetti dell’albero e, successivamente, alla superficie della cassa. A seconda delle proprietà della trasmissione, le vibrazioni trasmesse dalla struttura vengono convertite in rumore sotto forma di fluttuazioni di pressione. Per valutarne la percezione da parte dell’orecchio umano è stata fatta una valutazione psicoacustica. Il principio illustra la connessione tra l’eccitazione dell’ingranaggio, le caratteristiche del rumore e la percezione umana [5].

Valutazione della percezione del rumore

Il volume è un indicatore della percezione che l’orecchio umano ha del rumore. La normativa DIN 45631/A1 descrive una procedura standardizzata per determinare l’intensità acustica tramite confronto tra segnali (Figura 2). La gamma di frequenze udibili viene sudivisa secondo Zwicker, in 24 bande di frequenza ed il rispettivo livello sonoro viene ponderato in base alla sensibilità dell’udito umano. Il metodo risulta adatto al confronto tra suoni con diversa risoluzione spettrale [7, 8].

Una caratteristica essenziale per la caratterizzazione del suono emesso dagli ingranaggi è la tonalità. Il rumore è percepito come fastidioso se sono presenti toni singoli molto pronunciati o concentrati in bande di frequenza strette. Per determinare la tonalità viene utilizzato il modello di Sottek. Molti algoritmi per il calcolo della tonalità non prendono in considerazione o non hanno tenuto sufficientemente conto delle variazioni a breve termine della tonalità a causa della bassa risoluzione temporale. Inoltre, in questi modelli vengono prese in considerazione anche le tonalità al di sotto della soglia uditiva, sebbene siano irrilevanti per l’udito umano. Il metodo di Sottek prende invece in considerazione il limite dell’udito umano e la dipendenza della percezione del rumore dai parametri psicoacustici. Il metodo determina il volume di ogni componente tonale e non utilizzando una funzione di autocorrelazione. Per mezzo di una elevata discretizzazione temporale, risulta possibile esaminare suoni di breve durata o fortemente fluttuanti. L’algoritmo consente inoltre di determinare l’intensità e la frequenza della tonalità in relazione al tempo e alla velocità di rotazione del riduttore. Il valore tonale secondo il modello uditivo Sottek è descritto nell’unità tuHMS. [9, 10].

Entrambe le metriche psicoacustiche (sonorità e tonalità) hanno una scala lineare di intensità. Inoltre, risultano validate in numerosi test di ascolto [7, 8, 9, 10].

Approcci per l’ottimizzazione della percezione del rumore

Nel paragrafo che segue vengono presentati vari approcci applicabili al campo degli ingranaggi per un’ottimizzazione psicoacustica della percezione del rumore delle trasmissioni. Tali approcci rappresentano la pratica industriale e lo stato della ricerca.
Ottimizzazione dell’emissione acustica di una trasmissione CVT secondo il metodo della sequenza casuale RPS

Una trasmissione a variazione continua (CVT) consente un cambio di velocità regolare agendo ad esempio sul diametro di avvolgimento della catena. I vantaggi di una trasmissione a variazione continua includono un elevato comfort di guida grazie al cambio regolare di velocità, un basso consumo di carburante ed una buona dinamica di guida. La potenza viene trasmessa attraverso la catena. Il comportamento acustico della trasmissione è ottimizzato dall’uso mirato di diverse lunghezze per le maglie della catena. Questa può essere progettata e ottimizzata in termini di emissioni NVH sulla base di simulazioni numeriche andando a regolare in modo specifico il rapporto con cui le varie tonalità emesse si vanno a combinare tra loro. Il risultato è un miglioramento della percezione del rumore in esercizio. La Figura 3 mostra il confronto tra misure acustiche effettuate nell’abitacolo di un veicolo equipaggiato con un cambio CVT prima e dopo l’ottimizzazione. I picchi nel livello sonoro possono essere ridotti [11].

Ottimizzazione dell’emissione acustica mediante superfici stocastica

Un approccio per migliorare il comportamento in termini di eccitazione degli ingranaggi conici rettificati è il processo MicroPulse sviluppato da Stadtfeld et al. Il processo MicroPulse produce modifiche superficiali quasi casuali. La struttura random della superficie del fianco riduce le ampiezze dell’eccitazione armonica date dall’ingranamento [12, 13].

Ottimizzazione dell’emissione acustica mediante errore di trasmissione sinusoidale

Stadtfeld ha mostrato la possibilità di progettare una trasmissione con un errore di trasmissione sinusoidale attraverso un design EaseOff mirato. Questo approccio riduce le ampiezze degli ordini delle armoniche più elevate nello spettro. Un ingranaggio con un errore di trasmissione sinusoidale produce un rumore minore e più omogeneo [14].

Ottimizzazione dell’emissione acustica mediante modifiche topologiche superficiali mirate

Una topografia mirata o una modifica locale della micro-geometria del pignone e dell’ingranaggio consentono di avere un errore di trasmissione che porti ad una eccitazione con maggiore rumore di fondo ma meno picchi. Oltre ad aumentare il livello di rumore di fondo, le ampiezze dei picchi delle armoniche superiori possono essere significativamente ridotte [15].

L’analisi del comportamento NVH tramite parametri psicoacustici mostra come una bassa dispersione topografica su pignone e ingranaggio possano influenzare le caratteristiche del rumore generato dagli ingranaggi conici [16]. La tonalità viene notevolmente ridotta (fino al 50%) aumentando la componente del rumore di fondo e riducendo l’ampiezza dell’errore di trasmissione. Inoltre, i risultati dei test di Geradts et al. mostrano come gli altri parametri psicoacustici non siano influenzati negativamente dalla bassa dispersione della topografia [17].

Nel lavoro di ricerca di Kasten et al. sono state sviluppate indicazioni per una buona progettazione dello scattering topografico per ingranaggi conici rettificati. Inoltre, è possibile dimostrare come sia già possibile ottenere un’ottimizzazione del comportamento NVH applicando uno scattering topografico con 2-4 diverse topografie distribuite casualmente su tutti i denti del componente. Ciò riduce la complessità della produzione e del controllo di qualità degli ingranaggi che si ha con topografie miste. Confrontando diversi tipi di scattering, si è notato come l’applicazione casuale dei parametri della topografia e la distribuzione casuale delle diverse topografie da dente a dente siano un approccio di successo. Le principali variabili che hanno mostrato avere un’influenza significativa sul comportamento NVH sono le modifiche del profilo e l’angolo di inclinazione del fianco. Applicando separatamente lo scattering topografico su pignone e ingranaggio sarebbe possibile aumentare ancora più il potenziale di ottimizzazione di questo approccio [18].

Conclusioni dallo stato dell’arte

La generazione di rumore in una trasmissione è essenzialmente determinata dall’eccitazione vibrazionale data dall’ingranamento [6]. Il miglioramento del comportamento NVH per un ampio intervallo di coppia sembra possibile mediante modifiche mirate della topografia del fianco degli ingranaggi. Tuttavia, il rumore prodotto dagli ingranaggi può essere percepito ancora come fastidioso per l’orecchio umano sebbene la qualità del prodotto sia aumentata e il livello di eccitazione sia ridotto [5]. Pertanto, non è rilevante la riduzione del livello di rumore, ma la ricerca della composizione ideale di tutte le caratteristiche del rumore che portino ad un’ottimizzazione della percezione del rumore da parte dell’orecchio umano [5].

Esistono già molti approcci utilizzati in campo industriale per la riduzione delle componenti tonali dello spettro di emissione come, ad esempio, il ricorso ad una struttura superficiale stocastica per i fianchi dei denti [12, 13] o una sequenza di passi casuali nelle maglie della catena di un cambio CVT [11]. Allo stesso modo, la tonalità del rumore degli ingranaggi può essere ridotta mediante uno scattering mirato della topografia [18].

Lo scattering topografico non è stato ancora applicato a una trasmissione automobilistica. Inoltre, non esistono misure su banco prova o su veicolo che permettano di verificare i risultati dell’ottimizzazione psicoacustica per una progettazione mirata con scattering topografico.

 

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