I controlli ingranometrici

Gli ingranaggi vengono sottoposti a numerosi controlli durante il processo di fabbricazione. Ogni fase del ciclo di lavorazione richiede una verifica specifica. I controlli sulla dentatura, però, si dividono in due grandi categorie: di laboratorio e funzionali.

Per i controlli di laboratorio vengono impiegati apparecchi altamente sofisticati, a controllo numerico, di grande precisione e controllano in particolare i tre parametri fondamentali: il profilo, l’elica ed il passo.

Gli apparecchi elettronici di ultima generazione sono dotati di software molto elaborati che permettono anche il controllo totale automatico della ruota. Per esempio, sull’apparecchio si può montare una ruota qualsiasi, di caratteristiche ignote. Nella prima fase del controllo l’apparecchio tasterà i diametri, misurerà il passo e il numero di denti, misurerà l’elica ed in base a questi dati fondamentali calcolerà le caratteristiche degli ingranaggi. Si imposterà autonomamente per la misura voluta e quindi controllerà il profilo, l’elica e il passo facendo i diagrammi relativi. Volendo, può fare anche un esame topologico della superficie del dente fornendo sul monitor o stampando, una rappresentazione tridimensionale del dente con i relativi errori. E’ evidente che tutto ciò richiede del tempo e non è pensabile eseguire questi controlli dettagliati su tutti gli ingranaggi prodotti. Tra parentesi, essi non sarebbero neanche di grande utilità.

Per le produzioni di serie, si può controllare il 100% della produzione con gli ingranometri che permettono un controllo funzionale, chiamato così perché, in certa misura, riproduce le condizioni di impiego delle ruote.

L’ingranometro é un apparecchio di controllo che attraverso la rotazione dell’ingranaggio da controllare accoppiato ad un ingranaggio master, permette di rilevare certi tipi di errore presenti sull’ingranaggio stesso.

Si possono considerare almeno due tipi di apparecchi:
1. ingranometri bifianco (con accoppiamento a gioco zero);
2. ingranomentri monofianco (con accoppiamento con gioco).

Funzionamento dell’ingranometro bifianco

Come si può osservare in Figura 1, l’accoppiamento tra ingranaggio e master avviene con gioco zero, cioè sia il fianco destro che sinistro di un dente sono in contatto. In queste condizioni, ogni imperfezione di ingranamento obbliga il master a spostarsi in direzione radiale e sono appunto questi spostamenti che saranno rilevati sa appositi trasduttori. Il limite di questo tipo di ingranometro, che tuttavia resta valido per molti impieghi, è costituito dall’inerzia del sistema master-carrello portamaster che non permette di raggiungere sensibilità elevate.

Piccole anomalie, quali ad esempio ammaccature inferiori a 0,01 mm non vengono evidenziate perché sono assorbite dai giochi presenti nelle varie parti mobili e dalla elasticità dei vari organi.

Ultimamente a dire il vero ci sono sul mercato ingranometri che invece di usare un carrello portamaster con movimento radiale, montano il master su un braccio oscillante che, eliminando i movimenti lineari, permettono sensibilità maggiori.

Gli spostamenti radiali del master sono inoltre fortemente influenzati dall’angolo di pressione della dentatura.

Infine, naturalmente, non è possibile isolare gli errori relativi ad un fianco da quelli relativi all’altro fianco.

Nonostante questi limiti gli ingranometri a gioco zero hanno molteplici applicazioni nelle linee di produzione. Per esempio, sono frequentemente usati per controllare gli ingranaggi dopo la dentatura con creatore o coltello stozzatore prima di essere caricati sulla macchina di finitura (rasatrice). È un controllo che individua gli ingranaggi con interasse troppo grande, cioè con spessore del dente e quindi con soprametallo eccessivo, oppure con bavature troppo grandi o altre anomalie che possano compromettere la tenuta dell’utensile finitore. Un’altra frequente applicazione è quella di controllare i pezzi dopo il trattamento termico per individuare i denti con ammaccature che produrrebbero una forte rumorosità sulla trasmissione finita. Gli ingranometri di questo tipo possono essere estremamente semplici, come quello rappresentato in Figura 3 con cui si controlla solo la dentatura; oppure possono essere molto più complicati. In Figura 4 è riportato un esempio di controllo simultaneo di 3 ingranaggi di un alberato. Un altro esempio di ingranometro complesso è quello indicato schematicamente in Figura 5. Oltre al controllo della dentatura si monitorano tutti gli elementi della struttura dell’ingranaggio (foro, rasamenti, cono innesto, ecc), con un totale di 13 trasduttori e una importante strumentazione elettronica.

Accoppiamento con gioco

L’accoppiamento tra ruota e controruota, nella quasi totalità dei casi, avviene con gioco.
Ciò vuol dire che l’interasse tra i due ingranaggi è leggermente maggiore di quello teorico e quindi il contatto avviene solo su un fianco del dente. I due fianchi dei denti di un ingranaggio si identificano in pratica come fianco in tiro e fianco in ritorno, secondo che il contatto su quel dente avvenga durante la trasmissione normale del moto o nella fase di decelerazione della trasmissione. Il motivo per cui gli ingranaggi lavorano in queste condizioni deriva dalla necessità di compensare certi errori di costruzione dell’ingranaggio, primo fra tutti l’errore di eccentricità. Se supponiamo di lavorare con interasse fisso teorico, cioè con i due fianchi a contatto, anche una piccola eccentricità di una delle due ruote creerebbe una interferenza tale da bloccare la trasmissione. Anche una leggera maggiorazione dello spessore dei denti procurerebbe lo stesso inconveniente. Il valore del gioco sui fianchi varia molto da caso a caso e dipende dal tipo di trasmissione, dalla potenza trasmessa, dal modulo… Per i cambi automobilistici l’entità del gioco non si discosta molto da 0,1 mm. È importante quindi disporre di uno strumento che indichi se l’accoppiamento in queste condizioni avviene in maniera corretta, uno strumento cioè, che simulando le condizioni di funzionamento, evidenzi gli errori di ingranamento. Bisogna precisare che in realtà durante il funzionamento della trasmissione i denti dell’ingranaggio sono soggetti a forze che modificano la condizione di un puro rotolamento come avviene nel caso del controllo con l’ingranometro monofianco. La simulazione del controllo quindi è solo approssimativa e serve per evidenziare alcuni errori geometrici; non va intesa come prova di funzionamento, anche perché molte altre condizioni non sono rispettate, come ad esempio la velocità di rotazione dell’accoppiamento.

Il rumore generato da una coppia di ingranaggi che ingranano girando ad una certa velocità, dipende da una serie di fattori non tutti ancora ben identificati. In sostanza si tratta di vibrazioni provocate da anomalie nell’accoppiamento, cioè di variazioni istantanee della velocità angolare. La frequenza e l’ampiezza di queste vibrazioni determinano rispettivamente l’acutezza del rumore e la sua intensità. L’analisi con il metodo di Fourier delle vibrazioni generate da una coppia di ingranaggi in moto mette in evidenza che ogni singola onda di vibrazione è la sovrapposizione di onde di varie frequenze, il che significa che molte differenti irregolarità entrano in gioco provocando il rumore. Se durante la trasmissione del moto, a una certa velocità angolare W1 dell’ingranaggio conduttore corrisponde sempre, in ogni singolo istante, una velocità angolare W2 dell’ingranaggio condotto, la trasmissione è silenziosa. Ma se sul fianco di un dente è presente una irregolarità tale da far variare per un istante la velocità W2, tale irregolarità diventa una fonte di vibrazioni e quindi di rumore. In Figura 6 è indicato quello che succede nell’istante Δt. È evidente che esistono diversi tipi di irregolarità, cioè diversi errori che il più delle volte sommano i loro effetti rendendo praticamente impossibile una discriminazione dei singoli errori. Le imperfezioni più comuni presenti in una dentatura sono:
• errori di profilo;
• errori di elica;
• errori di passo;
• eccentricità;
• colpi (ammaccature).

Tutte queste imperfezioni provocano effetti indesiderati sulla regolarità del moto, cioè vibrazioni e quindi rumore. È quindi fondamentale avere un mezzo, che anche in assenza di un’analisi metrologica della dentatura, metta in evidenza gli errori di ingranamento riflettendo, per quanto è possibile, le condizioni di ingranamento.