Cuscinetti ultra-silenziosi, design ultra-efficiente: collaborazione con i clienti su NVH

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Cuscinetti ultra-silenziosi, design ultra-efficiente: collaborazione con i clienti su NVH

Victor Li, esperto di ingegneria NVH senior

Tutti lo sanno: un cuscinetto silenzioso è un cuscinetto di qualità. Più confortevolmente un cuscinetto si adatta al suo alloggiamento e più saranno equilibrati e impercettibili i suoi movimenti, più probabilmente durerà per anni.

Durante lo scorso decennio, i produttori di apparecchiature originali (OEM) hanno aggiunto sempre più requisiti legati al suono alle specifiche dei cuscinetti per le applicazioni industriali generiche.

“In molti casi, i clienti sono preoccupati della vibrazione che causa rumore che potrebbe comportare difficoltà di prestazione nel sistema più ampio”, afferma Victor Li, esperto di ingegneria NVH senior di Timken. In altri casi, afferma, le nuove normative del governo giocano un ruolo specifico, proteggendo l’udito degli operatori che lavorano nei pressi di macchinari pesanti o riducendo l’inquinamento acustico per le comunità del luogo.

Per soddisfare i rigidi requisiti legati a rumore, vibrazioni e asperità (NVH) riducendo i costi nel corso della vita del cuscinetto, il team di R&S di Timken continua a effettuare investimenti significativi nel campo. Quando Li si unì al team di Timken nel 2012, iniziò a lavorare su strumenti software che gli ingegneri Timken potessero utilizzare per simulare il rumore e le vibrazioni all’inizio del processo di progettazione, per rendere tale processo di progettazione di cuscinetti a basso NVH più efficiente e preciso.

Sviluppo del software di simulazione NVH di Timken

Un cuscinetto silenzioso è un cuscinetto di qualità, ma qual è la differenza tra un cuscinetto che vibra e fa rumore e uno che non lo fa? Praveen Pauskar, leader del gruppo e tecnologo di Timken, spiega che se si guarda oltre l’occhio nudo, ci si rende conto che nulla è come una superficie perfettamente piatta o regolare. Durante il processo di produzione tutto è soggetto a una certa quantità di variazione.

“Sulla superficie sono presenti ondulazioni e rugosità”, afferma. “I tecnici di Timken possono controllare la quantità di ondulazione o rugosità, ma in generale maggiore è la precisione, più costoso è il processo di produzione”.

La difficoltà è, quindi, progettare cuscinetti che soddisfino i requisiti di prestazione seppur restando nei parametri di produzione ragionevoli. Senza il software di simulazione, i tecnici sono obbligati ad attraversare un processo ripetitivo di progettazione dei cuscinetti, realizzando i componenti fisici, posizionandoli su un banco di prova e misurando l’NVH.

Dopo aver condotto delle ricerche sui clienti, Li ha iniziato a misurare il rumore e le vibrazioni dei cuscinetti nel laboratorio dedicato alle prove del suono, utilizzando i dati come input per progettare un software per i modelli informatici che i progettisti potessero usare per trovare le prestazioni NVH “ottimali” in maniera più rapida e precisa. Ha iniziato con uno strumento di modellazione dinamico e basato sul dominio temporale che funzionava bene ma a volte richiedeva due giorni per una singola simulazione.

Per velocizzare l’analisi, Li continuò a sviluppare un modello basato sul dominio della frequenza, quello che ora è il Virtual Sound Test System (VSTS) di Timken.

Tempi di consegna più brevi. Cuscinetti più precisi e di maggiore qualità.

Dopo un anno di prove di successo il team iniziò a usare il VSTS con i clienti. Iniziarono con un produttore il cui team di progettazione aveva richiesto rigide specifiche per ogni componente del cuscinetto, dagli anelli interni ed esterni ai singoli rulli.

Insieme, i team di progettazione personalizzata e delle vendite di Timken hanno collaborato con il reparto di R&S per eseguire le simulazioni VSTS per gli scenari progettati dal cliente. Presentarono i dati ottenuti come prova del fatto che il cuscinetto alternativo proposto da Timken offrisse prestazioni uguali o superiori rispetto a quello richiesto dal cliente.

Previsione dell’NVH a livello del sistema

In quanto strumento di progettazione simultaneo, il VSTS consente ai tecnici Timken di lavorare con i progettisti OEM nelle primissime fasi dello sviluppo del prodotto. “Possiamo simulare tutte le funzioni di progettazione di un cuscinetto”, afferma Li, “facendolo ruotare a diverse velocità o sottoponendolo a diverse condizioni di carico”. Possiamo simulare la modalità di rotazione degli anelli esterni e interni e le condizioni di lavoro tipiche del caso d’uso”.

Quando si combinano tutti i dati di input VSTS, afferma Li, è possibile simulare il rumore e le vibrazioni dei sistemi completi, invece che di un solo cuscinetto. La previsione dell’NVH a livello del sistema facilita il lavoro con i progettisti OEM, che in genere non forniscono tutti i dettagli di progettazione del loro caso d’uso quando viene richiesto un cuscinetto.

“Il primo passo è sempre convalidare il modello VSTS per il cliente”, afferma Li “per mostrare con quanta efficacia la simulazione corrisponda alla realtà”. Per fare ciò, crea una piccolissima ammaccatura sulla superficie di un anello o su un corpo rotante. Quindi, misura l’ammaccatura nel laboratorio di metrologia e la utilizza come input per il modello che prevede la vibrazione. Infine, utilizza sofisticate apparecchiature per la prova del suono nei laboratori di R&S per convalidare i risultati VSTS.

Collaborazione con i clienti per risolvere le questioni legate a NVH

Le aggiunte alle apparecchiature di prova del suono più recenti di Timken ampliano la capacità dell’azienda di testare cuscinetti più grandi fino a 60,96 centimetri di diametro esterno nei cuscinetti conici, cilindrici, orientabili e a sfere. “Stiamo sviluppando una serie di risorse NVH avanzate”, afferma Ryan Evans, direttore di ricerca e sviluppo (R&S) di Timken.

“Le apparecchiature diagnostiche NVH sono come un ECG per i macchinari”, afferma. Con esse, Li può analizzare il suono sul sito o tramite una registrazione audio, per misurare le prestazioni NVH e identificare da dove provengono i suoni. “Con l’esperienza di Victor e questi strumenti, Timken offre ai clienti un modo unico per trattare i problemi NVH, sia che si tratti di problemi collegati nello specifico al cuscinetto o meno”, sostiene Evans.

“Alla Timken, siamo interessati ad aiutare i clienti sul campo con l’analisi del suono e in ufficio grazie alla simulazione VSTS”, afferma. “Includiamo l’intera gamma. Man mano che l’NVH diventa più importante per i clienti, Timken è impaziente di collaborare con loro per rispondere alle sfide che esso comporta in ogni settore che serviamo”.