Misura del rumore nei cuscinetti a sfera e nei rulli

Uno dei parametri principali che sia i cuscinetti a sfera che quelli a rulli devono soddisfare durante la rotazione nella maggior parte delle applicazioni è il rispetto dei severi limiti di generazione di rumore.

È evidente il crescente bisogno degli utenti di non essere disturbati da condizionatori d’aria e lavatrici rumorosi o da alternatori delle auto e motori elettrici fastidiosi, solo per fare alcuni esempi. In aggiunta a ciò, lo sviluppo e la diffusione prevista della soluzione di trazione elettrica nelle auto del futuro aumenterà ulteriormente la richiesta del mercato di cuscinetti molto silenziosi: il rumore di fondo degli attuali motori a combustione scomparirà e automaticamente i requisiti acustici dei cuscinetti dovranno essere ulteriormente migliorati.

È un dato di fatto che la silenziosità è un punto chiave del processo di vendita. Ecco perché le più grandi società multinazionali hanno aumentato i loro sforzi pur di immettere sul mercato cuscinetti super silenziosi, ognuno declamando di offrire la migliore qualità in assoluto. Low dB, Gen C, Q44 e altre nomenclature interne di classi di qualità dei cuscinetti sono state definite di conseguenza e comunicate ai clienti.

Riuscire a misurare in modo accurato il rumore del cuscinetto generato durante la sua rotazione è un’attività chiave in particolare nella produzione di cuscinetti radiali rigidi a sfere di dimensione medie, piccole e ultra-piccole. Tuttavia questa capacità, da sola, non è più sufficiente. Infatti, negli ultimi anni è diventato fondamentale fornire ai team di produzione strumenti on-line e off-line per comprendere le diverse cause che possono generare vibrazioni/rumori nel cuscinetto, al fine di consentire ai tecnici di produzione di operare in tempo reale azioni correttive e di miglioramento nel loro processo. Questa capacità nell’analisi del rumore dei cuscinetti è diventata il vero elemento distintivo tra un’apparecchiatura standard di misurazione del rumore e una di classe superiore.

I vari tipi di vibrazione e rumore nei cuscinetti volventi possono essere raggruppati in quattro categorie principali: strutturale, di produzione, di movimentazione e altro. La vibrazione strutturale consiste principalmente nel rumore della pista, in quello cosiddetto di click, nel rumore stridente e in quello della gabbia: essa può essere continua o intermittente a seconda dei casi specifici. La vibrazione di produzione è invece correlata al rumore generato dalle imperfezioni geometriche dell’anello interno ed esterno e dei corpi volventi (errori di ondulosità), essendo essa sempre di natura continua. La cosiddetta vibrazione di manipolazione è normalmente associata a difetti locali e a fenomeni di contaminazione: essa genera, nella maggior parte dei casi, rumore irregolare. Poi ci sono altri tipi di vibrazione che includono il rumore generato dagli schermi e dal lubrificante (irregolare) o da errori di eccentricità (continua).

L’entità del rumore o della vibrazione strutturale è parzialmente correlata al processo di produzione. Quando viene generato il rumore, nella maggior parte dei casi si verifica una vibrazione e quando si verifica una vibrazione, di solito viene generato del rumore. Ad esempio, quando la vibrazione è causata dall’ondulosità, si presume che allo stesso tempo venga generato un rumore “ondulato”. Mentre vibrazione e rumore si accompagnano quasi sempre l’uno con l’altro, i problemi di vibrazione e rumore sono generalmente caratterizzati dall’uno o dall’altro. Questo perché l’abilità o l’incapacità degli umani di sentire o percepire la vibrazione dipende dalla frequenza. Il suono a bassa frequenza è appena udibile mentre le vibrazioni ad alta frequenza non possono essere percepite dall’orecchio umano. Per questo motivo i problemi a bassa frequenza sono “problemi di vibrazione” e quelli ad alta frequenza sono “problemi di rumore”. Come regola generale, il confine arbitrario che separa i problemi di vibrazione dai problemi di rumore è 1000 Hz. In altre parole, sotto i 1000 Hz viene considerata una vibrazione e oltre 1000 Hz si parla di rumore.

Il rumore della pista è il suono di base nei cuscinetti volventi. È generato in tutti i cuscinetti ed è un rumore regolare e continuo: la sua ampiezza viene utilizzata per valutare la qualità del cuscinetto. La rumorosità è circa 1/100 della grandezza di una normale conversazione tra persone e l’energia ad essa associata è molto limitata. Le sue caratteristiche principali sono:

a) La frequenza del rumore non cambia anche quando cambia la velocità di rotazione (la sua frequenza è quella naturale delle piste degli anelli);
b) Più elevata è la velocità, più forte è il rumore;
c) Se il gioco radiale è ridotto, il rumore diventa più forte;
d) Se la viscosità del lubrificante è superiore, il rumore si riduce;
e) Maggiore è la rigidità dell’alloggiamento, minore è l’ampiezza del rumore.

Il rumore delle piste è considerato causato dalla ondulosità dei componenti del cuscinetto: tale ondulosità si riscontra anche quando viene impiegata la tecnologia di lavorazione più avanzata per lavorare le superfici delle piste e dei corpi di rotolamento. A causa di questa ondulosità, il contatto tra gli anelli di rotolamento e gli elementi volventi si comporta come una molla che fluttua con lievi ampiezze durante il funzionamento del cuscinetto. La vibrazione di questa cosiddetta molla agisce come una forza di eccitazione sugli anelli: conseguentemente si generano vibrazioni e rumori della pista.

Il rumore cosiddetto click tende a verificarsi più spesso in cuscinetti relativamente grandi sottoposti a carichi radiali ed a basse velocità. In condizioni di carico radiale, infatti, all’interno del cuscinetto esiste una zona di carico ed una zona di assenza di carico. Il cuscinetto ha un po’ di spazio nella zona di non carico, poiché gli elementi volventi non toccano l’anello interno, mentre toccano l’anello esterno a causa del fatto che la forza centrifuga generata dalla rotazione “spinge” gli elementi volventi contro di esso. Tuttavia, quando la forza centrifuga è inferiore alla gravità – a causa della bassa velocità di rotazione – i corpi volventi cadono e si scontrano con la gabbia e/o con l’anello interno. È una tale collisione che genera rumore di click.

Il rumore stridente è un suono metallico analogo a quello generato dallo strisciamento relativo di due parti in metallo. Tende a verificarsi con cuscinetti relativamente grandi utilizzati sotto un carico radiale, specialmente nei cuscinetti a rulli cilindrici, ma a volte anche nei cuscinetti a sfere. Sembra dovuto all’attrito tra l’anello esterno e gli elementi volventi, ma non è chiaro se questo contatto si verifichi nella zona di carico o nella zona di non carico. Le caratteristiche del rumore stridente sono:

Tende a verificarsi quando il gioco radiale è grande;
Succede principalmente con la lubrificazione a grasso e raramente con la lubrificazione ad olio;
E’ più frequente a basse temperature;
Si verifica entro un certo intervallo di velocità che tende ad abbassarsi con l’aumentare delle dimensioni del cuscinetto;
La sua generazione è incoerente e abbastanza imprevedibile.

Il rumore della gabbia è determinato dalla collisione della gabbia con gli elementi volventi o con gli anelli. Viene generato in qualsiasi tipo di cuscinetto e la sua ampiezza di solito non è molto elevata: può essere ulteriormente ridotto entro una certa misura riducendo l’errore di montaggio. Le sue caratteristiche sono:

Si verifica con gabbie in acciaio stampato, gabbie lavorate e gabbie di plastica;
Succede sia con lubrificazione a grasso che con olio;
Tende a verificarsi se una coppia viene applicata all’anello esterno del cuscinetto;
È più frequente in caso di cuscinetti radiali di grandi dimensioni.

Oltre a quanto sopra descritto, la gabbia del cuscinetto può anche generare una sorta di rumore cosiddetto di “rana gracchiante” (croaking frog) a bassa frequenza, a causa della vibrazione autoindotta della gabbia provocata dall’attrito radente tra la faccia della gabbia stessa e il componente del cuscinetto che la guida. Tale rumore può diventare anche di grossa entità e quindi assai problematico.

La vibrazione dovuta al passaggio degli elementi volventi è un problema soprattutto nei cuscinetti che operano sotto carico radiale. Quando si verifica questo tipo di vibrazione, il centro di rotazione dell’albero diventa eccentrico sia verticalmente che orizzontalmente e si genera del rumore. L’ampiezza di questa vibrazione è influenzata dal gioco radiale, dal carico radiale e dal numero di corpi volventi. È dimostrato che la sua frequenza può essere espressa come:

f = Z * fc (Hz)

dove Z è il numero di elementi volventi e fc è la loro frequenza di rotazione orbitale (in Hz).

Nonostante la moderna tecnologia di lavorazione di precisione, esistono sempre errori più o meno pronunciati di ondulosità in tutti i componenti del cuscinetto (anelli e corpi volventi). A differenza della maggior parte degli altri rumori generati dai cuscinetti volventi, la frequenza del rumore provocato dall’ondulosità dipende dalla velocità di rotazione: tale caratteristica consente di distinguere il rumore di ondulosità da altri tipi di rumore. A una velocità di rotazione costante, il rumore di ondulosità è rigido ed ha una frequenza costante, mentre quando un cuscinetto è in accelerazione o in decelerazione, il rumore di ondulosità è ancora più aspro e la sua frequenza aumenta o diminuisce con la velocità.

Sono stati fatti molti studi per correlare gli errori di ondulosità sui componenti del cuscinetto con le frequenze del rumore sui cuscinetti finiti, in modo tale da disporre di un potente strumento per scoprire eventuali problemi di fabbricazione sugli anelli o sugli elementi volventi o sulla gabbia. Ciò è reso possibile dall’uso del dominio del tempo, di tecniche di inviluppo, dell’analisi di frequenza a banda stretta, della trasformazione di Fourier (FT), della maschera dello spettro e di speciali metodi di filtro digitale.

Nonostante l’affidabilità di tali algoritmi non sia ancora pari al 100%, i dati statistici che possono essere ottenuti attraverso l’analisi in tempo reale dei cuscinetti prodotti in una linea manifatturiera consentiranno di avere una buona comprensione di qualsiasi criticità nel processo, rendendo possibile le correzioni in tempo reale da parte dei tecnici di eventuali deviazioni sulle operazioni a monte.

Anelli e corpi volventi di un cuscinetto hanno una superficie decisamente dura, con valori di durezza senz’altro superiori ai 60 HRC. Tuttavia, se un cuscinetto viene fatto cadere o comunque subisce uno shock, possono crearsi ammaccature e bolli sulle superfici finite dei suoi componenti. Inoltre, anche una minima contaminazione di corpi estranei può causare problemi di rumore. Tali eventi generano ciò che viene chiamato rumore dovuto ad handling (movimentazione).

Quando esiste un difetto come un’ammaccatura o della ruggine sulla superficie delle piste di un cuscinetto volvente, nel momento in cui si mette in rotazione il cuscinetto si genera un rumore pulsante simile a quello di una mitragliatrice. Tale rumore è causato dal fatto che i corpi volventi colpiscono il difetto sulla superficie della pista: esso viene chiamato flaw noise o picco. La sua frequenza è la stessa del rumore della pista. Quando viene generato un picco, il livello dell’intero spettro di frequenza aumenta. Di conseguenza, l’analisi della frequenza semplicemente mediante la Trasformata di Fourier (Fast Fourier Transformation, si veda il riquadro) non è sufficiente per distinguerla da altri rumori.

Il flaw noise ha cicli o intervalli di generazione unici rispetto ad altri tipi di rumore. A una velocità costante, il ciclo di generazione del rumore è costante, ma man mano che la velocità diminuisce, esso diventa più lungo. Tale ciclo è determinato dalla velocità e dalle specifiche interne del cuscinetto e cambia anche con la posizione del difetto. A causa di questa caratteristica, è possibile determinare se esistono difetti e, in tal caso, dove si trovano. Questo è possibile attraverso un metodo chiamato analisi dell’inviluppo.

Il rumore di contaminazione è dovuto a particelle estranee che vengono catturate tra gli elementi volventi e le superfici delle piste. La sua grandezza non è costante e la sua generazione è irregolare. Generalmente, più piccolo è il cuscinetto, maggiore è l’influenza negativa sulla generazione di rumore determinata dalle particelle estranee: nei piccoli cuscinetti, infatti, esse possono causare ammaccature sulle superfici di rotolamento e quindi ridurre la durata stessa dei cuscinetti.

I rumori degli schermi e dei lubrificanti sono generalmente classificati come altri tipi di rumore. Quello degli schermi è dovuto a una vibrazione autoindotta causata dall’attrito tra il labbro degli schermi e la sede degli anelli dove avviene il loro movimento relativo. Il rumore del lubrificante viene invece generato quando bolle di lubrificante o grasso vengono schiacciate tra i corpi volventi e le piste. La loro generazione è irregolare e cessa col passare del tempo.

Infine, il rumore di eccentricità (considerato anch’esso nella classe di altri tipi di rumore) può essere causato da un albero eccentrico o da una cartella dell’anello interno del cuscinetto di spessore non uniforme. La frequenza di questa vibrazione è la stessa della frequenza di rotazione.

Attraverso la cooperazione con i propri partner, la società di Pinerolo ICT (www.consulting-trading.com) ha sviluppato sofisticate apparecchiature per misurare, sia in linea che fuori linea, lo spettro di frequenza del rumore dei cuscinetti a sfera ed a rulli mediante misure di velocità (micron/sec) e – tramite appositi algoritmi – per confrontare i risultati effettivi del rumore con la frequenza naturale calcolata di anelli, gabbie, elementi volventi e grasso. Uno speciale metodo di inviluppo consente ai macchinari ICT di determinare qualsiasi rumore di difetti irregolari e di identificare la posizione in cui si trova l’ammaccatura relativa. La misurazione viene eseguita in velocità, che è il metodo migliore per ottenere una visualizzazione ottimale delle vibrazioni nella gamma di frequenze da 50 a 10000 Hz, garantendo una rilevabilità migliore e più completa rispetto ai metodi alternativi basati sullo spostamento (micron) o sull’accelerazione (micron/sec2).

Per i motivi sopra esposti, lo strumento di misurazione del rumore dei cuscinetti proposto da ICT è un’apparecchiatura essenziale per i produttori di cuscinetti e per i laboratori di analisi. Per maggiori informazioni, contattare info@consulting-trading.com.

La Trasformata di Fourier (Fourier Transformation, FT) decompone una funzione del tempo (un segnale) nelle frequenze di base, in un modo simile a come un accordo musicale può essere espresso come le frequenze (o le altezze) delle sue note costituenti. La FT di una funzione del tempo è essa stessa una funzione di frequenza a valore complesso, il cui valore assoluto rappresenta la quantità di quella frequenza presente nella funzione originale e il cui argomento complesso è l’offset di fase della sinusoide di base in quella frequenza. La Trasformata di Fourier è chiamata rappresentazione del dominio della frequenza del segnale originale. Il termine Trasformata di Fourier si riferisce sia alla rappresentazione del dominio della frequenza sia all’operazione matematica che associa la rappresentazione del dominio della frequenza ad una funzione del tempo. La Fast Fourier Transform (FFT) è un algoritmo per calcolare la Trasformata di Fourier discreta.