Cause del rumore del cambio e soluzioni suggerite

Tradizionalmente, i tre fattori principali per la valutazione delle prestazioni dei riduttori sono la capacità di carico, la durata a fatica e l'accuratezza operativa, spesso trascurando il rumore di trasmissione. Con la successiva emanazione degli standard ISO 14000 e ISO 18000, l'importanza del controllo del rumore di trasmissione nei riduttori è diventata sempre più evidente. Lo sviluppo industriale e le relative esigenze impongono requisiti più severi sugli errori di trasmissione dei riduttori e richieste più elevate sul controllo del rumore.

Attualmente, i fattori che contribuiscono al rumore della scatola ingranaggi del riduttore possono essere analizzati sotto diversi aspetti, inclusi la progettazione, la produzione, l'installazione, l'uso e la manutenzione degli ingranaggi a dentatura interna ed esterna.

Cause Progettuali e Contromisure

1. Classe di Precisione dell'Ingranaggio all'interno del Riduttore

Nella progettazione dei riduttori, i progettisti spesso considerano fattori economici e determinano il grado di precisione degli ingranaggi nel modo più conveniente possibile, trascurando che il grado di precisione è un indicatore del rumore e del gioco degli ingranaggi. L'Associazione dei Produttori di Ingranaggi degli Stati Uniti (GMA) ha stabilito, grazie a estese ricerche sugli ingranaggi, che ingranaggi ad alta precisione producono un rumore significativamente inferiore rispetto a quelli a bassa precisione. Pertanto, quando le condizioni lo permettono, il grado di precisione degli ingranaggi dovrebbe essere aumentato il più possibile per ridurre sia gli errori di trasmissione sia il rumore.

2. Larghezza dell'ingranaggio all'interno del riduttore

Quando lo spazio di trasmissione del riduttore lo consente, aumentare la larghezza del dente può ridurre il carico unitario a coppia costante. Ciò riduce la deflessione del dente, diminuisce l'eccitazione del rumore e, di conseguenza, riduce il rumore di trasmissione. La ricerca di H. Opaz in Germania mostra che, a coppia costante, una larghezza del dente minore comporta un gradiente della curva del rumore più elevato rispetto a una larghezza del dente maggiore. Aumentare la larghezza del dente aumenta anche la capacità portante dell'ingranaggio e migliora la capacità di coppia del riduttore.

3. Passo del dente e angolo di pressione all'interno del riduttore

Un passo del dente più piccolo garantisce un contatto simultaneo di un numero maggiore di denti, aumentando il rapporto di ricoprimento, riducendo la deflessione individuale dell'ingranaggio, abbassando il rumore di trasmissione e migliorando la precisione della trasmissione. Un angolo di pressione minore, grazie a un angolo di contatto maggiore e a un rapporto di sovrapposizione laterale più elevato, determina un rumore di funzionamento più basso e una maggiore precisione.

4. Selezione del coefficiente di correzione del dente all'interno del riduttore

La selezione corretta e ragionevole del coefficiente di modifica può non solo regolare la distanza tra i centri, evitare l'undercut dei denti, garantire la concentricità, migliorare le prestazioni di trasmissione degli ingranaggi, aumentare la capacità portante ed estendere la vita utile degli ingranaggi, ma anche controllare efficacemente il gioco, l'aumento di temperatura e il rumore. Nei riduttori chiusi, per ingranaggi con superfici dentate temprate (durezza: 350 HBS), la principale modalità di guasto è la frattura per fatica alla base del dente. La progettazione di questo tipo di trasmissione a ingranaggi si basa generalmente sulla resistenza alla fatica flessionale; quando si sceglie il coefficiente di spostamento, si deve garantire che i denti in presa abbiano uguale resistenza flessionale. Per ingranaggi con superfici dentate morbide (durezza <350 HBS), la principale modalità di guasto è la pitting da fatica. La progettazione di questo tipo di trasmissione a ingranaggi si basa generalmente sulla resistenza alla fatica di contatto; nella scelta del coefficiente di spostamento, si deve garantire la massima resistenza possibile alla fatica di contatto e la massima durata in termini di fatica.

I vincoli per la selezione ragionevole del coefficiente di spostamento sono:

(1) Assicurarsi che l'ingranaggio da tagliare non presenti undercut;

(2) Garantire la regolarità della trasmissione tra gli ingranaggi; il rapporto di ricoprimento deve essere maggiore di 1, generalmente maggiore di 1,2;

(3) Assicurarsi che la punta del dente abbia uno spessore adeguato;

(4) Quando una coppia di ingranaggi si accoppia, se l'evolvente della punta del dente di un ingranaggio entra in contatto con la curva di raccordo alla base del dente dell'altro ingranaggio, poiché tale curva di raccordo non è un'evolvente, la normale comune dei due profili dentari nel punto di contatto non può passare per un nodo fisso, causando così una variazione del rapporto di trasmissione e potenzialmente il bloccaggio dei due ingranaggi. Questo "interferenza con la curva di raccordo" deve essere evitata nella scelta del coefficiente di spostamento.

5. Rettifica del profilo del dente (sagomatura del bordo e della radice) e smussatura della punta del dente all'interno del riduttore

Il profilo del dente sulla testa del dente è tagliato in una forma leggermente convessa rispetto alla corretta curva evolvente. Quando la superficie del dente dell'ingranaggio viene deformata da una forza esterna, è possibile evitare interferenze con l'ingranaggio accoppiato, ridurre il rumore ed estendere la durata dell'ingranaggio. È importante notare che si deve evitare un eccessivo smussamento, poiché ciò aumenterebbe l'errore del profilo del dente e avrebbe effetti negativi sull'accoppiamento.

6. Analisi delle Caratteristiche di Irradiazione del Rumore degli Ingranaggi

Quando si selezionano ingranaggi con diverse forme strutturali, si stabilisce un modello di irradiazione acustica specifico per la struttura in questione ed è eseguita un'analisi dinamica per prevedere il rumore del sistema di trasmissione a ingranaggi. Ciò consente la selezione in base a diverse esigenze degli utenti (luogo di utilizzo, presenza o assenza di operatori, ubicazione in aree urbane, requisiti specifici per edifici sopra o sotto il livello del suolo, esigenze di protezione dal rumore, oppure assenza di altri requisiti specifici).

7. Velocità di Rotazione della Sorgente di Potenza del Riduttore

I test sul riduttore sotto diverse condizioni di velocità mostrano che il rumore aumenta con l'aumentare della velocità di ingresso del riduttore.

8. Struttura del Carter del Cambio

Studi sperimentali mostrano che l'uso di un alloggiamento cilindrico è vantaggioso per la riduzione delle vibrazioni. Nelle stesse condizioni, un alloggiamento cilindrico presenta un livello medio di rumore inferiore di 5 dB rispetto ad altri tipi di alloggiamenti. Viene effettuato un test di risonanza sull'alloggiamento del riduttore per identificare le posizioni di risonanza. L'aggiunta di opportune nervature (piastre) può migliorare la rigidità dell'alloggiamento, ridurre le vibrazioni e ottenere una riduzione del rumore. Per trasmissioni multistadio, la variazione istantanea del rapporto di trasmissione dovrebbe essere minimizzata per garantire una trasmissione fluida, con basso impatto e vibrazioni, e un rumore ridotto.

Cause di Produzione e Contromisure

1. Influenza degli errori degli ingranaggi interni nel riduttore

Gli errori di produzione degli ingranaggi, inclusi l'errore del profilo del dente, la deviazione del passo base, l'errore di direzione del dente e l'errore di eccentricità radiale della corona dentata, sono i principali responsabili del rumore nelle trasmissioni con riduttori planetari. Sono inoltre fattori chiave nel controllo dell'efficienza della trasmissione dei riduttori planetari. Spiegheremo ora brevemente l'errore del profilo del dente e l'errore di direzione del dente.

Ingranaggi con piccoli errori del profilo del dente e bassa rugosità della superficie del dente presentano livelli di rumore inferiori di 10 dB rispetto a ingranaggi ordinari nelle stesse condizioni di prova. Ingranaggi con piccoli errori di passo del dente hanno livelli di rumore inferiori di 6–12 dB rispetto a ingranaggi ordinari nelle stesse condizioni di prova. Tuttavia, se è presente un errore di passo del dente, l'impatto del carico sul rumore dell'ingranaggio sarà ridotto.

Un errore nella direzione del dente provocherà la mancata trasmissione della potenza su tutta la larghezza del dente. L'area di contatto sarà spostata verso una delle due estremità del dente. A causa dell'aumento della sollecitazione locale, il dente si deformera, causando un incremento del livello di rumore. Tuttavia, sotto carichi elevati, la deformazione del dente può parzialmente compensare l'errore di direzione del dente.

2. Coassialità di montaggio e bilanciamento dinamico

Un allineamento errato durante il montaggio provocherà uno squilibrio nel sistema dell'albero, e l'ingranamento irregolare dei denti (da un lato lento, dall'altro stretto) peggiorerà ulteriormente il rumore. Lo squilibrio nel montaggio di trasmissioni a ingranaggi di alta precisione influirà gravemente sull'accuratezza del sistema di trasmissione.

3. Durezza della superficie del pignone all'interno del riduttore

Con lo sviluppo della tecnologia di tempra degli ingranaggi, l'elevata capacità di carico, le ridotte dimensioni, il peso leggero e l'elevata precisione di trasmissione hanno portato a un'applicazione sempre più diffusa degli ingranaggi. Tuttavia, il processo di cementazione e tempra utilizzato per ottenere superfici dentate indurite provoca una deformazione degli ingranaggi, causando un aumento del rumore di trasmissione e una riduzione della durata. Per ridurre il rumore, la superficie dei denti deve essere lavorata con precisione. Attualmente, oltre ai tradizionali metodi di rettifica degli ingranaggi, è stata sviluppata una tecnica di rasatura su superfici indurite. Questo metodo riduce l'impatto durante l'ingranamento e lo sfratto modificando la testa e la radice del dente, oppure riducendo il profilo dei denti sia del pignone che della ruota, riducendo così il rumore di trasmissione.

4. Verifica delle prestazioni del sistema di cambio

La precisione di lavorazione dei componenti e il metodo di selezione dei componenti prima del montaggio (intercambiabilità completa, selezione per gruppi, selezione individuale, ecc.) influiscono sul livello di precisione del sistema assemblato, e anche il livello di rumore rientra nell'ambito di tale influenza. Pertanto, la verifica (o calibrazione) di vari indicatori del sistema dopo il montaggio è fondamentale per il controllo del rumore del sistema.

Cause legate all'installazione e contromisure

1. Misure di riduzione e intercettazione delle vibrazioni

Durante l'installazione del cambio, si dovrebbe evitare per quanto possibile la risonanza tra il corpo del cambio e il supporto della fondazione e le parti di collegamento, al fine di prevenire la generazione di rumore. La risonanza si verifica spesso in una o più marce all'interno del cambio entro determinati intervalli di velocità. Oltre a ragioni progettuali, ciò è direttamente correlato al mancato riconoscimento della posizione di risonanza durante i test a vuoto e alla mancata adozione di misure corrispondenti di riduzione o isolamento delle vibrazioni. Per alcuni cambi che richiedono un basso rumore e vibrazioni di trasmissione, devono essere selezionati materiali di base ad alta tenacità e ad alto smorzamento per ridurre rumore e vibrazioni.

2. Regolazione della precisione geometrica dei componenti

Se la precisione geometrica non soddisfa i requisiti standard durante l'installazione, possono verificarsi fenomeni di risonanza nei componenti del cambio, causando rumore. Ciò è direttamente correlato al miglioramento del processo di installazione, all'aumento dell'uso di attrezzature ausiliarie e alla garanzia della qualità complessiva del personale di assemblaggio.

3. Componenti allentati

Durante l'installazione, il allentamento di singoli componenti (ad esempio meccanismi di precarico dei cuscinetti, meccanismi di posizionamento degli alberi, ecc.) può causare un posizionamento impreciso del sistema, un ingranamento anomalo, movimenti dell'albero e vibrazioni e rumori. Ciò richiede un approccio progettuale strutturale per garantire connessioni stabili tra i meccanismi e l'utilizzo di più metodi di collegamento.

4. Componenti della trasmissione danneggiati

Un'operazione impropria durante l'installazione può danneggiare i componenti della trasmissione, provocando movimenti del sistema imprecisi o instabili; il danno a parti in movimento ad alta velocità può generare vibrazioni del film d'olio; errori umani possono causare squilibrio dinamico nelle parti mobili; tutti questi fattori generano vibrazioni e rumori. Tali cause devono essere attentamente valutate ed evitate durante l'installazione. I componenti danneggiati che non possono essere riparati devono essere sostituiti per garantire un livello di rumorosità stabile del sistema.

Cause e contromisure relative all'uso e alla manutenzione
L'uso e la manutenzione corretti del riduttore non possono ridurre il livello di rumore del sistema né garantire la precisione della trasmissione, ma possono prevenire il degrado delle prestazioni e prolungare la durata utile.

1. Pulizia interna

La pulizia delle parti interne del riduttore è fondamentale per il suo funzionamento normale. L'ingresso di qualsiasi impurità o contaminante influirà e danneggerà il sistema di trasmissione, causando la generazione di rumore.

2. Temperatura di funzionamento

Assicurarsi che il riduttore funzioni alla temperatura normale per evitare la deformazione dei componenti a causa dell'elevato aumento di temperatura, garantire un corretto ingranamento delle ruote dentate e quindi prevenire l'aumento del rumore.

3. Lubrificazione tempestiva e uso corretto dell'olio

Una lubrificazione inadeguata e un uso scorretto del grasso lubrificante causano danni incalcolabili al riduttore. A elevate velocità, l'attrito tra i denti delle ruote dentate genera una notevole quantità di calore. Una lubrificazione impropria porta al danneggiamento dei denti delle ruote, influendo sulla precisione e aumentando il rumore. La progettazione richiede un gioco appropriato nella coppia di ingranaggi (il gioco tra le superfici non operative dei denti accoppiati per compensare la deformazione termica e accumulare il grasso lubrificante). Un uso e una selezione corretti del grasso lubrificante possono garantire un funzionamento sicuro ed efficiente del sistema, rallentare il degrado e stabilizzare i livelli di rumorosità.

4. Uso corretto del riduttore

Un uso corretto del riduttore può ridurre al minimo i danni ai componenti e garantire un livello di rumorosità stabile. Il rumore del riduttore aumenta con il carico, pertanto dovrebbe essere utilizzato entro il normale intervallo di carico.

5. Manutenzione periodica

La manutenzione regolare (cambi d'olio, sostituzione di parti usurate, serraggio di elementi di fissaggio allentati, rimozione di detriti interni, regolazione dei giochi dei componenti ai valori standard e verifica dell'accuratezza geometrica, ecc.) può migliorare la resistenza del riduttore al degrado del livello di rumorosità e mantenere condizioni operative stabili.

Il controllo del rumore nella trasmissione del riduttore è un progetto sistematico che coinvolge l'intero processo di progettazione, produzione, installazione, utilizzo, manutenzione e persino sostituzione del sistema di trasmissione (ingranaggi, carcassa, parti di collegamento, cuscinetti, ecc.). Esso richiede competenze non solo da parte di progettisti e produttori, ma anche da installatori, utilizzatori e personale addetto alla manutenzione. Se uno qualsiasi di questi aspetti non viene adeguatamente controllato, il controllo del rumore nella trasmissione a ingranaggi fallirà.