Eliminare il fruscio degli ingranaggi

Il rumore intrusivo noto come fruscio degli ingranaggi è causato dalle vibrazioni generate dagli ingranaggi quando si ingranano come risultato di imperfezioni causate da design, carico, effetti della temperatura e variazioni di produzione. Ridurre il rumore degli ingranaggi a un livello accettabile è una grande sfida, specialmente per i cambi complessi come il moderno cambio automatico planetario. Strumenti avanzati di progettazione, simulazione e analisi come RomaxDesigner danno agli ingegneri la possibilità di identificare rapidamente e accuratamente i problemi, trovare la causa principale e proporre soluzioni realistiche entro i vincoli di progettazione consentiti. Con un tale strumento, i progetti esistenti possono essere ottimizzati per rimuovere i problemi di rumore, e possono essere creati nuovi progetti che sono noti per essere privi di problemi anche prima che qualsiasi metallo sia tagliato. Qui sviluppiamo un processo di ottimizzazione di un progetto esistente per ridurre un problema di rumore e mostriamo come funziona con un esempio del mondo reale.

Il ronzio del motore non deve essere forte per essere un problema. È per sua natura un rumore tonale, che è fastidioso per i conducenti e i passeggeri perché taglia gli altri rumori all’interno del veicolo. Ingranaggi perfetti in un ambiente operativo perfetto non producono alcun rumore, ma purtroppo non viviamo in un mondo perfetto. Il mondo reale è fatto di tolleranze di fabbricazione e di assemblaggio, e di componenti che si deformano sotto i carichi che li sottoponiamo. La differenza tra il trasferimento fluido del movimento da parte di ingranaggi perfetti e quello che si ottiene in pratica si chiama “errore di trasmissione” o “TE”. Questa è la vera fonte del rumore degli ingranaggi. Il TE causa una vibrazione all’ingranaggio che viene trasmessa attraverso i componenti interni del cambio all’alloggiamento, dove viene irradiata direttamente come rumore o trasferita attraverso il telaio sotto forma di vibrazioni per essere irradiata come rumore altrove. Anche se non è l’unico metodo per controllare il fruscio degli ingranaggi, la riduzione del rumore alla fonte riducendo il TE è chiaramente una buona idea.

Il modo usuale di regolare il TE è attraverso modifiche alla superficie dei denti a livello microscopico. Queste modifiche di “micro-geometria” possono essere fatte su misura per ridurre il TE, ma per sapere quali cambiamenti fare bisogna capire come si comportano i denti dell’ingranaggio a livello microscopico. Bisogna anche considerare che qualsiasi modifica alla microgeometria avrà anche un impatto sulla durata e sull’efficienza del cambio. Non va bene avere un cambio tranquillo che si rompe dopo 50.000 km.

Fig. 1: Modello RomaxDesigner di un cambio automatico a sei velocità.

Un rapido sguardo alla figura 1 vi dirà che un moderno cambio automatico è una bestia complessa, con molti ingranaggi che si ingranano simultaneamente. Queste complessità rendono difficile prevedere il comportamento dell’ingranaggio che si ingrana e identificare le modifiche ottimali di micro-geometria necessarie. L’unico modo per ottenere questo risultato è considerare gli ingranaggi nel contesto della trasmissione completa. Gli effetti e le interazioni tra tutti questi ingranaggi significano che una simulazione a livello di sistema come quella fornita da RomaxDesigner della Romax Technology (uno strumento di sviluppo virtuale del prodotto rapido e accurato con la capacità di simulare, analizzare e ottimizzare le prestazioni NVH, durata ed efficienza dei progetti più intricati) è uno strumento necessario nel processo di rendere silenziosi questi cambi.

La simulazione rapida e accurata di questi comportamenti complessi è la chiave per un prodotto migliore. Ovviamente l’accuratezza è importante; dobbiamo poterci fidare dei risultati e prendere decisioni di design basate su di essi. Quando questo è combinato con prestazioni di calcolo veloci, diventa un abilitatore per tutti i tipi di analisi utili e metodi di ottimizzazione che si basano sulla simulazione ripetuta di progetti sottilmente diversi, come vedremo più avanti.

Simulazione delle sfide

Ottimizzare la progettazione di riduttori epicicloidali multi-mesh presenta una serie di problemi rispetto ai più semplici progetti di trasmissioni manuali, il che significa che Romax Technology ha dovuto sviluppare metodi specifici per trattare i riduttori automatici.

Complessità della progettazione

Un riduttore planetario automatico è complesso con molti componenti. Per simularlo abbiamo bisogno di rappresentare tale complessità ma solo al livello di dettaglio necessario per darci i risultati di cui abbiamo bisogno – non vogliamo un modello ingombrante che richiede molto tempo al computer per funzionare, ma abbiamo bisogno di includere dettagli dove è importante. Per esempio, abbiamo bisogno di una descrizione molto dettagliata della geometria degli ingranaggi e di un modello dettagliato del contatto dei denti degli ingranaggi, ma dobbiamo considerare la simulazione di freni e frizioni solo a livello concettuale. Dobbiamo anche includere l’effetto delle condizioni al contorno del cambio, sia nel veicolo che sul banco di prova, in modo che il nostro modello rappresenti ciò che stiamo effettivamente testando.

Load Sharing e Misalignment

Le trasmissioni automatiche raggiungono la loro alta densità di potenza dividendo il trasferimento della coppia attraverso diversi ingranaggi planetari contemporaneamente. Le deflessioni del sistema dovute a carichi interni, errori di fabbricazione e carichi radiali esterni (come la gravità e quelli provenienti dall’ingranaggio di trasferimento mostrato nella Figura 1) distruggono la simmetria del sistema planetario e provocano una ripartizione ineguale di quella coppia tra i pianeti. A peggiorare le cose, questa disuguaglianza varia mentre il portatore ruota rispetto al sole e all’anello a causa dei cambiamenti nella rigidità del portatore, gli effetti della gravità e le leggere variazioni nella posizione del perno del pianeta entro le tolleranze di fabbricazione e di montaggio consentite. L’effetto a catena di questo è che coppie diverse in ogni maglia dell’ingranaggio significa diversi disallineamenti in ogni maglia dell’ingranaggio e questi variano anche quando il supporto ruota. Un’ultima complicazione è costituita dalle interazioni tra le diverse maglie degli ingranaggi. In un ingranaggio planetario, un ingranaggio planetario è collegato ad almeno altri due ingranaggi. Il disallineamento di una maglia dell’ingranaggio ha un’influenza sul disallineamento delle altre maglie dell’ingranaggio perché sono tutte collegate dallo stesso ingranaggio.

Quello che significa praticamente è che l’analisi dettagliata di queste maglie dell’ingranaggio, necessaria per prevedere correttamente TE, deve simulare l’effetto di tutte le maglie dell’ingranaggio simultaneamente (il caso studio a pag. 48 ha 9 maglie). Inoltre la simulazione deve includere gli effetti della variazione della coppia e del disallineamento durante la rotazione dei componenti.

Fig. 2: Un processo per identificare e risolvere un problema di rumore di marcia in un cambio automatico.

In RomaxDesigner questo si ottiene eseguendo un’analisi statica iterativa dell’intero cambio in diverse posizioni di rotazione del vettore per costruire un profilo completo del comportamento del contatto degli ingranaggi considerando tutte le complicazioni di cui sopra. Questo è un processo relativamente veloce grazie agli algoritmi ottimizzati utilizzati, dando una risposta nel giro di pochi secondi.

Fasatura delle maglie degli ingranaggi

Quando guardiamo il rumore degli ingranaggi causato da una semplice coppia di ingranaggi, possiamo dire che il rumore risultante è direttamente proporzionale al TE. Questo significa che se scopriamo che abbiamo bisogno di ridurre il rumore del 50% allora sappiamo che dobbiamo ridurre il TE del 50%. Come per tutto il resto, il cambio planetario non si comporta così bene.

Nel cambio automatico abbiamo molte maglie attive contemporaneamente, ognuna delle quali produce i propri TE tutti allo stesso tempo e tutti alla stessa frequenza. Tuttavia le fasi relative di questi segnali TE non sono sempre le stesse. L’effetto di rumore combinato di tutti i segnali TE insieme dipende da questa fase. In alcuni casi i segnali si sommano e rafforzano le vibrazioni risultanti (e quindi il suono udito dal conducente); in altri i segnali si annullano a vicenda e la vibrazione in una particolare direzione viene ridotta. Queste differenze di fase sono generate a due livelli: la maggior parte di questa sfasatura è determinata dal numero di denti degli ingranaggi, dal numero e dal posizionamento dei planetari e dal fatto che il cambio nel suo insieme sia più sensibile alle forze dinamiche laterali o torsionali. Piccole modifiche alla fasatura sono anche causate dal design della microgeometria dei denti. Prestare attenzione a questa fasatura all’inizio del processo di progettazione è fondamentale per una buona progettazione del cambio.

Quello che implica è che non possiamo semplicemente usare TE come misura di quanto saranno buone le nostre prestazioni acustiche per un cambio automatico, poiché non c’è una semplice relazione tra i TE delle singole maglie e il rumore risultante nel veicolo. Invece dobbiamo usare la vibrazione dell’alloggiamento della trasmissione come misura del successo o del fallimento e questo significa che abbiamo bisogno di un modello dinamico del nostro cambio.

Risposta dinamica

Prevedere il comportamento della risposta alle vibrazioni di un cambio richiede due cose: la conoscenza dell’eccitazione – nel nostro caso, il TE, che sappiamo che i nostri metodi possono predire con precisione – e anche un modello dinamico del sistema di trasmissione completo. Possiamo applicare la TE prevista ad ogni maglia (compresa la fasatura) nel modello dinamico e prevedere la risposta in qualsiasi punto della scatola. Questi possono essere confrontati direttamente con le misure di vibrazione sul cambio reale. RomaxDesigner include la capacità di generare automaticamente un modello dinamico e calcolare la risposta.

Così ci sono molte difficoltà associate alla simulazione del rumore degli ingranaggi nei riduttori automatici planetari, ma siamo stati in grado di implementare metodi per farvi fronte nell’ambiente di sviluppo virtuale del prodotto RomaxDesigner.

Fig. 3: Confronto tra la vibrazione misurata della scatola, la vibrazione simulata della scatola e la vibrazione simulata della scatola ottimizzata.

Risoluzione dei problemi

Oltre alla progettazione iniziale di nuovi prodotti, un’altra ragione comune per ottimizzare un progetto per NVH è quando un progetto esistente viene inserito in una nuova applicazione (un nuovo modello di veicolo o abbinato a un nuovo motore, per esempio) e il rumore lamentoso risulta essere un problema. In una situazione come questa, c’è poco spazio per grandi cambiamenti nel design, come cambiare il layout del cambio, il numero di denti o il numero di pianeti. In questi casi l’affinamento della micro-geometria è spesso considerato l’unico approccio. Un esempio di processo di ottimizzazione basato solo su modifiche della micro-geometria è discusso qui e illustrato con un caso di studio del mondo reale più avanti.

Il processo generale di risoluzione dei problemi è mostrato nella Figura 2. Il primo passo è quello di identificare le condizioni in cui si verifica il problema. Questo viene fatto tramite una valutazione soggettiva nel veicolo. Questo è supportato da una misurazione quantitativa del rumore e delle vibrazioni sia nel veicolo che su un banco di prova. I risultati di questi test formano i risultati di base con cui il rumore e le vibrazioni del nuovo progetto possono essere confrontati. Se i risultati del banco di prova mostrano gli stessi sintomi dei risultati nel veicolo, allora tutte le ulteriori simulazioni e prove possono essere eseguite nell’ambiente più controllato del laboratorio. L’analisi dei risultati di questi test fornisce anche informazioni su quale set di ingranaggi planetari sta causando il problema.

Il passo successivo è quello di creare il modello RomaxDesigner della trasmissione. Questo modello dovrebbe rappresentare il più fedelmente possibile la reale trasmissione testata e le condizioni al contorno dovrebbero rappresentare quelle del test (a bordo del veicolo o al banco prova). Tipicamente questo significa che la micro-geometria del cambio in prova dovrebbe essere misurata e l’esatta micro-geometria usata nel modello. Anche le dimensioni critiche come le posizioni dei perni del pianeta, le posizioni dei fori dei cuscinetti della scatola e le distanze assiali e radiali dei componenti critici dovrebbero essere misurate per assicurarsi che siano conformi alle specifiche di progetto. Idealmente queste misure dovrebbero essere eseguite su un certo numero di riduttori della linea di produzione per controllare la variabilità di produzione. Se qualche componente è fuori tolleranza (specialmente la micro-geometria) allora questi problemi di produzione dovrebbero essere affrontati prima di continuare qualsiasi altra indagine. In termini di condizioni al contorno, abbiamo bisogno di simulare, almeno approssimativamente, l’inerzia rotativa a monte e a valle e la rigidità torsionale, così come le condizioni di supporto per la scatola del cambio.

Le previsioni del modello dovrebbero essere confrontate con i risultati del test di base per confermare che il modello sta ricreando i sintomi del problema originale. Questo significa che possiamo essere sicuri che qualsiasi modifica al progetto che facciamo nel mondo virtuale avrà lo stesso effetto nel mondo reale e possiamo ora procedere alla fase di ottimizzazione.

Fig. 4: Componenti del set di ingranaggi planetari posteriori nella trasmissione a sei velocità.

È importante che le condizioni di carico che scegliamo per l’ottimizzazione non includano solo quelle condizioni in cui c’è un problema di fruscii. Dobbiamo anche considerare quelle condizioni in cui il rumore non è percepito come fastidioso. Questo per garantire che qualsiasi cambiamento di progettazione che facciamo non abbia un effetto dannoso ed evitare la possibilità di risolvere un problema ma di causarne un altro.

I dettagli della fase di ottimizzazione del processo di risoluzione dei problemi sono ampliati nella figura 2. Il cuore del processo è uno studio di sensibilità parametrica in cui i parametri più importanti sono variati e il loro effetto sul modello di contatto e su TE identificato. Nell’esempio mostrato stiamo considerando solo i parametri della microgeometria, ma altri parametri potrebbero essere valutati allo stesso modo. Nel complesso stiamo cercando di ridurre il TE delle singole maglie e il TE combinato di tutte le maglie insieme, pur mantenendo un modello di contatto centralizzato e uno stress superficiale accettabile per garantire che la durata non sia compromessa.

L’analisi di sensibilità viene prima eseguita sulle maglie dell’ingranaggio planetario e la microgeometria rivista viene applicata agli ingranaggi nel modello (di solito questa microgeometria viene applicata solo all’ingranaggio planetario poiché una finitura precisa dura o morbida di un ingranaggio interno è difficile in un ambiente di produzione di massa). Lo stesso processo viene poi eseguito sulle maglie dell’ingranaggio sole-pianeta e la microgeometria rivista viene nuovamente applicata. Ora ricordate che una delle difficoltà nel simulare il fruscio degli ingranaggi planetari è che le modifiche apportate a una maglia dell’ingranaggio influenzano le prestazioni di tutte le maglie dell’ingranaggio. Questo significa che ora dobbiamo tornare indietro e ripetere l’analisi sulle maglie dell’anello-pianeta di nuovo per vedere se queste devono essere riviste. Teoricamente potremmo ripetere questo ciclo iterativo fino al raggiungimento di una perfetta convergenza, ma in pratica, un’iterazione è di solito sufficiente.

Ovviamente il nostro obiettivo per quantificare le prestazioni del rumore non è il TE e lo schema di contatto, ma la vibrazione dell’alloggiamento; così, con la fase di ottimizzazione completata, i passi finali sono di confermare che la nuova risposta di vibrazione simulata per il progetto ottimizzato è ridotta a un livello accettabile. Questo viene poi confermato nel cambio reale da un test prototipo una tantum prima che la produzione della trasmissione con il design rivisto del cambio possa essere ripresa.

Fig. 5: Confronto del rumore irradiato del cambio prima e dopo l’ottimizzazione.

Caso di studio

In un documento SAE, Hyundai ha descritto come ha utilizzato questi metodi per affrontare un problema di fruscio in un cambio automatico transaxle planetario a sei velocità, che è stato identificato da test soggettivi. I successivi test quantitativi hanno identificato un aumento dei livelli di rumore nella gamma di coppia medio-alta (60 Nm-200 Nm), a velocità del motore di 900 rpm-1300 rpm.

È stato creato un modello completo del cambio con alberi dettagliati, cuscinetti, ingranaggi e alloggiamento (Figura 1). Le distanze radiali delle boccole e le distanze interne dei cuscinetti sono state calcolate in base alla tolleranza di progetto, tenendo conto della dilatazione termica in condizioni operative. I dettagli del cambio di prova reale (gioco e microgeometria misurata) sono stati usati nel modello per la massima accuratezza della simulazione. Per i test e l’analisi sono stati usati tre casi di carico per coprire la gamma di coppia operativa. RomaxDesigner è stato poi usato per prevedere le vibrazioni sulla scatola del cambio, i cui risultati sono stati ben confrontati con le misure del test di base (Figura 3).

L’analisi delle misure del rumore ha mostrato che il sistema planetario posteriore era la fonte del rumore del cambio (Figura 4). Questo set di ingranaggi è una disposizione planetaria inversa che comprende un ingranaggio solare, tre ingranaggi planetari interni ed esterni e un ingranaggio ad anello. Il processo di ottimizzazione della micro-geometria descritto sopra è stato applicato al set di ingranaggi ed è stato generato un progetto di micro-geometria rivisto. La Figura 3 mostra un confronto tra la risposta alle vibrazioni prevista in un punto per il progetto di base e quello ottimizzato. C’è un chiaro e significativo miglioramento previsto a causa delle modifiche al progetto della microgeometria raccomandata. Come prova finale della validità del progetto ottimizzato, sono stati prodotti e installati nella trasmissione degli ingranaggi prototipo. Il rumore e le vibrazioni della trasmissione migliorata sono stati misurati sul banco di prova, e i risultati nella figura 5 mostrano una riduzione di 6dB nel rumore irradiato nella gamma di velocità problematica e l’obiettivo di rumore richiesto è stato raggiunto.

Conclusione

I problemi di rumore con macchinari complessi sono sempre difficili da risolvere e il rumore degli ingranaggi nelle trasmissioni automatiche non fa eccezione. I metodi qui dimostrati mostrano chiaramente che può essere fatto in modo rapido e affidabile, a condizione che siano disponibili gli strumenti giusti. La chiave del successo è avere la capacità di modellare la trasmissione completa con sufficiente dettaglio e di tenere conto delle interazioni tra tutti i componenti simultaneamente. Combinando questo con tempi di calcolo veloci, l’ottimizzazione della progettazione parametrica diventa una realtà pratica.

Il caso di studio presentato qui dimostra che queste non sono solo affermazioni vuote. Ottenere una riduzione di 6dB del rumore irradiato da un cambio mentre ci si limita ad apportare modifiche alla micro-geometria degli ingranaggi è un risultato considerevole in un ambiente di produzione di massa.

Dare agli ingegneri strumenti come RomaxDesigner porta a una migliore qualità del prodotto con tempi di sviluppo e costi ridotti, non solo nella risoluzione dei problemi dei progetti esistenti ma anche quando si crea un nuovo cambio da zero. Chiaramente, progettare i problemi di rumore al computer è più veloce ed economico che aspettare fino alla fase di prototipazione e nel caso di un nuovo prodotto di solito porta ad un design migliore piuttosto che uno che è compromesso da modifiche correttive messe in atto per eliminare i problemi che vengono identificati in seguito nel processo di sviluppo.

Letture aggiuntive

1) Shin, W et al. “6 Speed Automatic Transmission Vibration Magnitude Prediction and Whine Noise Improvement through Transmission System Modeling,” SAE Paper 2011-01-1553.
2) Pears, J et al. “An Analytical Method to Reduce Gear Whine Noise, Including Validation with Test Data,” SAE Paper 2007-01-2241.
3) Pears, J et al. “Predicting Variation in the NVH Characteristics of an Automatic Transmission using a Detailed Parametric Modeling Approach,” 2007-01-2234.
4) Parker, R G. “Una spiegazione fisica dell’efficacia della fasatura dei pianeti per sopprimere le vibrazioni degli ingranaggi planetari”, Journal of Sound and Vibration, Vol 236, pp 561-573, 2000.