Rumorosità, qualità e produzione degli ingranaggi e-drive

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L’articolo illustra il fenomeno delle generazione di rumore nelle trasmissioni a ingranaggi per l’elettromobilità e i metodi di progettazione utilizzabili per influenzare la rumorosità.

Nei veicoli moderni, il rumore derivante dal cambio rappresenta sempre più un problema. La ragione principale è il ridotto rumore di mascheramento del motore, che scompare quasi completamente nel caso dei propulsori elettrici. Una migliore qualità degli ingranaggi, purtroppo, non è sempre correlata a una migliore prestazione acustica. Un’elevata qualità degli ingranaggi significa solamente che i fianchi del dente rientrano in tolleranze strette e che tutti i denti risultano pressoché identici tra loro. Anche se durante il funzionamento un siffatto riduttore mostra un livello di pressione sonora contenuto, la percezione del rumore per l’orecchio umano può raggiungere livelli fastidiosi.

Figura 2 – Modifiche della forma del fianco.

Causa principale dell’eccitazione acustica negli ingranaggi

Diagramma di Campbell

Il rumore dato da una trasmissione a ingranaggi è un suono e, quindi, si propaga nell’ambiente. I componenti di un veicolo vibrano ed emettono suoni causando onde di pressione nell’aria. Per ridurre al minimo il rumore sono disponibili misure primarie e secondarie. Le misure primarie si concentrano sulla minimizzazione della causa principale della vibrazione, mentre le misure secondarie si occupano di ottimizzare il percorso di trasferimento acustico dalla sorgente di vibrazione all’orecchio umano.

Il presente studio tratta le misure primarie, concentrandosi sull’eccitazione data dall’ingranamento. Non tutti i tipi di eccitazione date dall’ingranamento sono critici in termini di rumore. Solo quando tale eccitazione stimola un modo proprio del sistema si arriverà ad un rumore “di origine strutturale”, ovvero dato dalla vibrazione dell’intera struttura. La conversione del rumore di origine strutturale in rumore aereo dipende dal percorso di trasferimento acustico.

L’interazione tra l’eccitazione data dall’ingranamento (avente una sua frequenza caratteristica: la frequenza di ingranamento, ndr) e gli autovalori sistema (inteso come l’insieme di tutti ci componenti della trasmissione) può essere rappresentata nel diagramma di Campbell, come mostrato in Figura 1.

Il diagramma di Figura 1 mostra il diagramma velocità – frequenza di eccitazione per una trasmissione.
L’asse orizzontale rappresenta la velocità dell’albero di uscita, l’asse verticale riporta la frequenza
del rumore di origine strutturale. Quanto più chiari sono i colori, tanto maggiore sarà l’ampiezza del rumore di origine strutturale.

Le linee orizzontali nel diagramma di Campbell rappresentano gli autovalori del sistema (modi propri, ndr). La loro frequenza è costante e indipendente dalla velocità di rotazione. Le linee ascendenti rappresentano gli effetti dell’ingranamento. La linea leggermente inclinata è la prima armonica della frequenza di ingranamento, mentre le linee più inclinate sono armoniche di ordine superiore o frequenze fantasma. Le eccitazioni critiche date dall’ingranamento sono solo quelle in cui una linea inclinata incrocia una linea orizzontale. In questo caso, l’eccitazione data dall’ingranamento eccita una frequenza propria della trasmissione e, a seconda del percorso di trasferimento acustico, il rumore della struttura si trasforma in rumore aereo udibile.

Modifiche e imperfezioni della forma del fianco

Qual è la ragione dell’eccitazione durante l’ingranamento? Se il profilo del dente è perfetto, l’errore di trasmissione è teoricamente nullo, dunque l’eccitazione non dovrebbe manifestarsi. A causa delle tolleranze di fabbricazione e delle deflessioni del sistema indotte dal carico, un profilo ad evolvente non modificato porta però a contatti dello spigolo di testa. L’applicazione delle modifiche di forma mostrate in Figura 2 può favorire un contatto più progressivo in tutte le condizioni diminuendo, di conseguenza, l’eccitazione. In particolare, gli smussi di testa (Ca) e di estremità (Ce) sono ampiamente utilizzati a scopo di ottimizzazione. La bombatura del fianco (Cα) ha un’influenza significativa sull’errore di trasmissione dell’ingranaggio e dovrebbe essere mantenuta piccola.

È chiaro come il progettista di ingranaggi debba trovare un compromesso tra l’errore di trasmissione dell’ingranaggio e la quantità e il tipo di modifiche della forma del fianco in funzione della capacità di carico richiesta. Gli ingranaggi, essendo altamente sensibili agli spostamenti e alle deflessioni indotte dal carico, richiedono modifiche importanti.

(Hartmuth Mueller, Christoph Gorgels – Klingelnberg)

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