Progetto e analisi di ingranaggi spiroconici mediante codici di calcolo

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1 Università degli Studi di Pisa Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica - Indirizzo Veicoli Terrestri Titolo della tesi Progetto e analisi di ingranaggi spiroconici mediante codici di calcolo Candidato Alessio Artoni Relatori Prof. Ing. M. Guiggiani Ing. F. Di Puccio Ing. M. Gabiccini Anno Accademico Appello di Laurea del 23 Luglio 2004

2 Alla mia famiglia

3 Ringraziamenti Desidero esprimere i ringraziamenti più sentiti ai miei relatori per i loro preziosi consigli e per la disponibilità nei miei confronti. Un ringraziamento particolare a Marco Gabiccini, che si è spesso fatto carico dei miei problemi e mi ha supportato in molte occasioni. La mia gratitudine va anche a Sandeep Vijayakar (ANSol), all Ing. Marco Facchini (Avio S.p.A.) e a Carlo Lanfredi e Franco De Vivo (Gleason Italy), per l interesse mostrato e per il materiale messo a disposizione. Infine, un ringraziamento sincero alla mia famiglia e alla mia ragazza, che mi hanno sostenuto e sopportato nel lungo tragitto verso questo traguardo.

4 Sommario L ampia diffusione delle ruote ipoidi e coniche a spirale (o spiroconiche) comporta la necessità di indirizzare la ricerca verso un miglioramento delle condizioni di ingranamento e una riduzione della rumorosità. Data la complessità della geometria delle dentature, l analisi dell ingranamento e delle sollecitazioni sotto carico è demandata a codici di calcolo numerici implementati su computer. Questa tesi, dopo una rassegna dei principali metodi di taglio delle ruote spiroconiche e ipoidi ed uno studio geometrico del metodo Gleason Face-milling, propone un analisi del software Hypoid Face Milled della società americana Advanced Numerical Solutions (ANSol), allo scopo di valutarne le potenzialità. Per la riproduzione della geometria e per la tooth contact analysis si è ricorsi al codice Hypoid Face Milling sviluppato presso il DIMNP della Facoltà di Ingegneria, mentre per la Loaded Tooth Contact Analysis e per l analisi delle sollecitazioni si è creato un modello ad elementi finiti in ambiente Ansys. Sulla base dei risultati ottenuti si è condotta quindi un analisi comparativa del software Hypoid Face Milled. i

5 Indice Sommario Indice Elenco delle figure i ii iv 1 Introduzione 1 2 Nomenclatura e metodi di taglio delle ruote spiroconiche e ipoidi Terminologia Dati geometrici dello sbozzato pignone Dati geometrici dello sbozzato corona Metodo di taglio Gleason Face-milling Metodi di taglio Oerlikon-Klingelnberg Geometria del metodo Gleason Face-milling Generazione delle superfici del dente Sistemi di riferimento impiegati nell analisi Movimenti macchina Modified roll Posizionamento della testa rotante sulla culla Posizionamento dell asse della culla rispetto allo sbozzato Tipologie di utensili Profilo straight blade Profilo straight blade con toprem Profilo straight blade con toprem particolare Profilo curved blade con toprem Profilo curved blade con toprem particolare Famiglia di superfici generante Modello generale di processo face-milling Gleason Equation of meshing Superfici del dente Documenti speciali Gleason Dimension Sheet ii

6 INDICE Special Analysis File (S.A.F.) Summary Rappresentazione geometrica e TCA Rappresentazione della geometria del dente Confronto con la geometria generata dal software Gleason Lato concavo del dente corona Lato convesso del dente corona Lato concavo del dente pignone Lato convesso del dente pignone Confronto della TCA Fondamenti teorici Confronto sulla funzione errore di trasmissione Confronto sul bearing contact Analisi delle sollecitazioni e LTCA Creazione di un modello comparativo ad elementi finiti in ambiente Ansys Campionamento di punti sul modello teorico Creazione della geometria: primo modello e modello finale Meshatura Vincoli e carichi applicati Soluzione Confronto dei risultati Conclusioni 84 A File batch per Ansys 86 B Primi 47 Record dello Special Analysis File 98 Bibliografia 107 iii

7 Elenco delle figure 1.1 Diagramma di flusso dell approccio tecnico seguito Parametri geometrici di un blank pignone e sua posizione rispetto al sistema di riferimento S Parametri geometrici di un blank corona e sua posizione rispetto al sistema di riferimento S Schema di generazione di una ruota spiroconica Macchina utensile Gleason per il taglio di ruote spiroconiche e ipoidi Ruota pianoconica immaginaria Creatore conico adottato da Klingelnberg Differenze fra il metodo Gleason Face-milling ed il metodo Oerlikon Facehobbing Sistemi di riferimento applicati per il passaggio da S p a S m1. Illustrazione dei settaggi macchina e dell installazione dell utensile per la generazione di pignoni right-hand Sistemi di riferimento applicati per il passaggio da S p a S m1. Illustrazione dei settaggi macchina e dell installazione dell utensile per la generazione di pignoni left-hand Sistemi di riferimento applicati per il passaggio da S m1 a S 1. Illustrazione dei settaggi macchina e dell installazione dello sbozzato Profili straight blade Profili straight blade con toprem Profili curved blade con toprem Esempio di Dimension Sheet Primi 6 Record di uno Special Analysis File Estratto di un Summary per rettifica Error norm sul fianco concavo del dente ruota Max = µm Normal error sul fianco concavo del dente ruota Max = µm ; Min = µm Error norm sul fianco convesso del dente ruota Max = µm Normal error sul fianco convesso del dente ruota Max = µm ; Min = µm iv

8 ELENCO DELLE FIGURE 4.5 Error norm sul fianco concavo del dente pignone Max = µm Normal error sul fianco concavo del dente pignone Max = µm ; Min = µm Error norm sul fianco convesso del dente pignone Max = µm Normal error sul fianco convesso del dente pignone Max = µm ; Min = µm Sistemi di riferimento applicati per la simulazione dell ingranamento: (a) illustrazione della rotazione del pignone; (b) illustrazione dello spostamento A 1 ; (c) illustrazione degli spostamenti A 2 e E e dell errore angolare γ; (d) illustrazione della rotazione della ruota Errori di trasmissione del codice DIMNP (in rosso) e di Hypoid Face Milled (in nero) Confronto fra i bearing contact sul dente ruota valutati dai due codici Modellazione del dente ruota con patch di Coons Tensioni secondo Von Mises nel modello con patch di Coons Curve B-splines ottenute con Pro/Engineer Superfici ottenute con Pro/Engineer Mesh del modello del pignone Mesh del modello della corona Contact pairs fra le superfici attive dei denti Modello vincolato e caricato Errori di trasmissione del codice DIMNP (in rosso) e di Hypoid Face Milled (in azzurro) Errori di trasmissione del codice DIMNP e di Hypoid Face Milled (ordinate a fondo scala) Risultato del comando PATTERN per il pignone Risultato del comando PATTERN per la corona Pignone: bearing contact e tensione principale S Corona: bearing contact e tensione principale S Contact pattern alla posizione σ V M massime nei raccordi pignone (posizione 3) v