Il problema del rumore generato dalle trasmissioni è diventato sempre più pressante negli ultimi anni, anche a causa della maggiore esigenza di combattere l’inquinamento acustico, specie negli ambienti di lavoro. Inoltre, nell’industria dell’autotrazione, minor rumore è quasi sinonimo di migliore qualità. Per questi motivi, la lotta al rumore è proseguita con ritmo incessante per molti anni, con risultati eccellenti.
L’origine e la trasmissione del rumore prodotto da una coppia di ingranaggi, o più precisamente, il rumore che esce da una scatola cambio o da un riduttore o da un ruotismo qualsiasi, è un fenomeno tra i più studiati e analizzati nel campo della meccanica. Sul problema della rumorosità sono stati scritti in tutto il mondo molte centinaia di articoli e studi più o meno approfonditi. Per tale motivo su questo argomento è molto difficile dire cose nuove: è già stato detto tutto ed è anche evidente che in questo articolo non si possono affrontare in modo completo tutte le criticità connesse al rumore degli ingranaggi, ma egualmente credo sia utile a molti lettori fare un riepilogo dei concetti consolidati relativi a questo argomento.
In effetti bisognerebbe più propriamente parlare di rumore delle trasmissioni piuttosto che rumore degli ingranaggi, perché le vibrazioni indotte da un imperfetto ingranamento sono trasmessi, amplificate o attenuate attraverso i corpi degli ingranaggi, ai supporti degli alberi, ai cuscinetti ed infine alla carcassa della scatola cambio. Quindi è tutto il sistema che viene coinvolto in questo fenomeno e, schematizzando un po’, si può affermare che la strada che il rumore segue sia la seguente:
• eccitazione da ingranamento;
• vibrazioni torsionali e laterali e risonanza del corpo degli ingranaggi;
• forze dinamiche di ingranamento e sui cuscinetti;
• interazione tra cuscinetti e scatola;
• vibrazioni della scatola;
• superfici radianti e altri percorsi delle vibrazioni;
• rumore finale generato e percepito.
Molta importanza ha l’analisi delle frequenze che compongono il rumore.
L’onda sonora percepita dall’orecchio umano è composta da una serie di frequenze che si sovrappongono alla frequenza primaria; si tratta delle varie armoniche di intensità più o meno grande, che possono venire rappresentate da una serie di Fourier. Esse determinano il carattere del suono trasmesso.
La frequenza primaria (o frequenza di ingranamento), è funzione del numero di denti dei due ingranaggi e dalla velocità di rotazione (numero di giri); essa si calcola con le seguenti formule:
fm = fs1 ・ Z1 = fs2 ・ Z2
con:
fs1 = N1/60 fs2 = N2/60
fs2 = N2/60 = fs1 ・ Z1/Z2
dove si ha:
fs1 = frequenza dell’albero conduttore
fs2 = frequenza dell’albero condotto
fm = frequenza di ingranamento
N1, N2, Z1, Z2 = sono rispettivamente il numero di giri e il numero di denti della ruota conduttrice e di quella condotta
Principali cause di generazione del rumore
Gli elementi più importanti che generano rumore durante il funzionamento di un accoppiamento tra due ingranaggi sono ben individuati e sono i seguenti:
• Variazione della rigidezza di ingranamento. Per rigidezza di ingranamento si intende il rapporto tra la forza tangenziale lungo la retta d’azione e la flessione del dente in quella direzione. Bisogna notare che la forza applicata su un dente è variabile come intensità, come direzione e come punto di applicazione. Ne consegue che la flessione del dente è continuamente variabile. Il caso più eclatante si verifica negli ingranaggi a denti dritti, con rapporto di condotta inferiore a 2. In questo caso si alternano due coppie di denti in presa con una sola coppia; si può facilmente intuire la forte variazione di carico e di flessione su ogni singolo dente. Questa condizione è evidentemente da evitare. Normalmente essa può verificarsi solo con accoppiamenti di ingranaggi a denti dritti, mentre sugli ingranaggi a denti elicoidali il rapporto di condotta totale è generalmente superiore a 2, per cui si hanno sempre almeno due coppie di denti in presa.
• Si distinguono quindi gli ingranaggi LCR (Low Contact Ratio), cioè ingranaggi con un rapporto di ricoprimento inferiore a 2, e gli ingranaggi HCR (High Contact Ratio), cioè ingranaggi con rapporto di ricoprimento superiore a 2.
• Errore di trasmissione. È la differenza tra la posizione effettiva dell’ingranaggio condotto e la posizione che esso occuperebbe nel caso di una coniugazione perfetta. È il fattore principale nella generazione del rumore. Si può misurare come deviazione angolare o come spostamento lineare lungo la linea d’azione. Esso si distingue inoltre in due componenti di cui si parlerà più avanti:
– errori di costruzione;
– errori generati dal carico.
• Urti fra i denti. Si verificano quando le deformazioni o gli errori di passo provocano un contatto prematuro con il dente che sta per entrare in presa. Il contatto avviene fuori dalla retta d’azione e può risultare di una forza dinamica elevata che oltre ad elevare il livello della pressione sonora alla frequenza di ingranamento, può ridurre la vita dell’ingranaggio.
• Forze dinamiche di ingranamento. Sono il risultato delle variazioni di rigidezza di ingranamento e degli errori di trasmissione. Queste forze, variabili nel corso della rotazione, attraverso i cuscinetti ed i supporti eccitano delle vibrazioni nella carcassa. Queste vibrazioni, se hanno frequenza uguale o prossima a quella di risonanza propria della carcassa, vengono amplificate e costituiscono una fonte importante di rumore.
• Forze di attrito. Come è noto, l’accoppiamento di due profili ad evolvente è un puro rotolamento solo in corrispondenza del diametro primitivo. Nelle zone sopra e sotto il diametro primitivo si ha uno strisciamento in direzione dell’altezza del dente, in un senso sopra e nel senso opposto sotto. Quando la direzione della forza d’attrito si inverte si può innescare una vibrazione che è più evidente negli ingranaggi a denti dritti. Negli ingranaggi elicoidali, questo fenomeno è, in genere, trascurabile.
• Air Pocketing (soffi d’aria). È il rumore generato dalla rapida compressione dell’aria provocata dai denti durante l’ingranamento. Per ingranaggi veloci, la velocità dell’aria si può avvicinare a quella del suono, provocando rumori di forte intensità alla frequenza di ingranamento.
• Compressione del lubrificante. Se i giochi tra i fianchi e sul fondo dente non sono sufficienti, il lubrificante può rimanere compresso tra i due ingranaggi. Quando viene espulso genera rumore, specie se colpisce le pareti della carcassa.
