Studio di fattibilità ed esperienze su ingranaggi conici - modifica banco Renk UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA FACOLTÀ DI INGEGNERIA

Transcript

1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA FACOLTÀ DI INGEGNERIA Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA AEROSPAZIALE Studio di fattibilità ed esperienze su ingranaggi conici - modifica banco Renk Relatori Prof. Ing. E. Manfredi Tesi di laurea di: Simone Palmeri Prof. Ing. G.C. Barsotti Anno Accademico

2 Indice Indice Capitolo 1 Introduzione Parte I Capitolo 2 Ruote coniche e tipi di danneggiamento 2.1 Introduzione 2.2 Classificazione ruote coniche Denti dritti Zerol Spiroidali 2.3 Classificazione danneggiamento Usura normale Grippaggio Deformazione plastica Fatica di contatto Micropitting Pitting (vaiolatura) Spalling(forme gravi) Fessurazione Fratture Fatica a flessione Capitolo 3 Verifiche della dentatura 3.1 Normativa attuale 3.2 Bending 3.3 Pitting Metodo Gleason Lubrificazione EHD i

3 Indice 3.4 Scoring Scoring index (Flash temperature) Capitolo 4 Prove e ispezioni su ruote coniche 4.1 Misure, ispezione e corretto montaggio 4.2 Prove di durata aspetti generali Impianto NASA al Glenn research center Impianto ruote coniche ad assi concorrenti (Yamagata University) Capitolo 5 Simulazione dell ingranamento 5.1 Analisi dei contatti (TCA) 5.2 Codici di calcolo (SLTCA) Codice DIMNP Hypoid face milled Parte II Capitolo 6 Progetto di un banco per prove su ruote coniche 6.1 Descrizione impianto Laboratorio Scalbatraio Dati banco renk Caratteristiche delle prove ad oggi effettuate 6.2 Specifiche del banco in progetto Interfacciamento a) Geometrico b) Impianto lubrificazione c) Sistema monitoraggio e diagnostica Ingombri e pesi Prestazioni Normative di riferimento (Direttiva Macchine) ii

4 Indice Capitolo 7 Progetto delle prove 7.1 Definizione delle ruote campione (Test Articles) 7.2 Conduzione prove Procedure usate con ruote cilindriche Specifica per prove Bending Pitting Procedure montaggio Capitolo 8 Conclusioni Bibliografia Appendice A Disegni della modifica Appendice B Dimensionamenti delle prove a bending e pitting Appendice C Proprietà del materiale iii

5 Capitolo 1 Introduzione Capitolo 1 - Introduzione Questa Tesi propone di dimostrare la fattibilità di prove su ingranaggi conici modificando in parte il banco prova per ruote cilindriche operante al Centro Ricerche sulle Trasmissioni a Tecnologia Avanzata (CRTM) attivo presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione. Il CRTM collabora con AVIO Propulsione Aerospaziale S.p.A. sperimentando ingranaggi cilindrici forniti e analizzandone il comportamento nelle varie condizioni di prova. Questo è fatto su un impianto, costruito da Renk, a ricircolo di potenza che permette di simulare condizioni di esercizio con potenze di circa un megawatt con il consumo di cinquanta chilowatt forniti da un motore elettrico. Banco prove del CRTM 1

6 Capitolo 1 Introduzione Lo sviluppo della tesi è partito dalla ricerca preliminare, a livello bibliografico, necessaria per conoscere lo stato dell arte relativamente all esecuzione di prove sperimentali atte a rilevare i danneggiamenti su ingranaggi conici, successivamente è stata acquisita esperienza seguendo la conduzione di prove presso il Laboratorio Scalbatraio e in seguito è stata sviluppata la progettazione di una modifica all impianto al fine di poter utilizzare il medesimo banco prova per testare ingranaggi conici. La presente tesi è composta da due parti principali : una prima in cui si introducono le caratteristiche degli ingranaggi conici, i danneggiamenti e i metodi per rilevarli, i metodi avanzati per analizzare il contatto e i codici di calcolo in cui sono implementati. Nella seconda parte viene descritta la modifica del banco, la definizione delle ruote campione e specificate le prove a bending e pitting. Sebbene questo lavoro sia uno studio di fattibilità, appaiono subito chiare le potenzialità che un ulteriore sviluppo può apportare, un esempio è dato dal banco prova del Glenn Research Center (NASA) che ha caratteristiche di velocità e coppia simili e che permette molteplici analisi relativamente ai danneggiamenti su ingranaggi conici. Bevel Gear Test Rig U.S.Army Research Lab 2

7 Parte I 3

8 Capitolo 2 - Ruote coniche e tipi di danneggiamento Capitolo 2 - Ruote coniche e tipi di danneggiamento 2.1 Introduzione Questo capitolo ha la funzione di dare al lettore una panoramica relativa al mondo degli ingranaggi conici ad assi concorrenti; partendo da una distinzione in base alle caratteristiche geometriche, si passa a descriverne la terminologia e successivamente i danneggiamenti che si possono riscontrare. Fig 2.1 Lo standard di riferimento per applicazioni aeronautiche sono le ANSI/AGMA 2005-C96 [1] relativamente alla nomenclatura e le ANSI/AGMA 1010-E95 [2] per quanto riguarda le terminologie del danneggiamento, entrambe sono le ultime versioni pubblicate per quanto riguarda le ruote coniche ad assi concorrenti, un integrazione di quanto non presente negli standards appena citati è ottenuta dal Dudley s gear handbook seconda edizione [3]. 4

9 Capitolo 2 - Ruote coniche e tipi di danneggiamento 2.2 Classificazione ruote coniche Le ruote coniche ad assi incidenti sono individuate molto chiaramente dal termine inglese bevel, un unico vocabolo, internazionalmente riconosciuto che permette di capire immediatamente di cosa si parla. Data la complessità geometrica è necessario riferirsi a due sezioni delle ruote su cui verrà descritta la nomenclatura: la prima è relativa al piano assiale individuato dall asse a da una generatrice del cono primitivo (fig. 2.2) e la seconda è la sezione principale, individuata dalla sezione ortogonale a una generatrice del cono stesso (fig. 2.3). Fig 2.2 5

10 Capitolo 2 - Ruote coniche e tipi di danneggiamento Di seguito si riporta una descrizione delle quantità più significative indicate in fig. 2.2 basata sulla pubblicazione [1]: A Back angle Angolo compreso fra un piano perpendicolare all asse del cono primitivo ed una generatrice del back cone D Clearance Distanza tra la circonferenza di testa e di piede delle ruote coniugate G Dedendum angle Angolo tra una generatrice del cono primitivo e del cono di piede I Face width Larghezza del fianco del dente K Mean cone distance Distanza del punto medio del fianco del dente, misurato sulla generatrice del cono primitivo, dal vertice del cono stesso M Mounting distance Distanza del vertice del cono primitivo all estremità posteriore della ruota O Outside diameter Massima distanza del dente dall asse P Pitch angle Angolo di semiapertura del cono primitivo U Shaft angle angolo tra gli assi delle ruote coniugate V Equivalent pitch radius Raggio della ruota cilindrica coniugata Nella figura 2.3 risulta di visualizzazione immediata la nomenclatura. Fig. 2.3 Risulta notevole ricordare al lettore che nella compilazione degli standards a cui abbiamo fatto riferimento, partecipano anche le ditte costruttrici che inevitabilmente dettano le linee 6

11 Capitolo 2 - Ruote coniche e tipi di danneggiamento guida. La più famosa produttrice risulta essere la Gleason che infatti e presente con ben cinque società tra i membri dell AGMA. Vediamo ora come si distinguono le diverse tipologie di ruote coniche ad assi concorrenti: Denti dritti Come si può intuire dal nome questa tipologia di ruote è la più semplice, il contatto avviene partendo dall esterno del fianco progredendo verso la radice e la forma del dente, come anticipato dal nome, è dritta cioè le sezioni ortogonali all asse generano figure omotetiche. Queste ruote possono essere utilizzate con velocità periferiche fino a 5 m/s e in condizioni in cui la fluidità del moto e la silenziosità non sono specifiche di progetto, proprio la forma dritta dei denti fa si che l ingranamento sia brusco. Fig Zerol TM (Gleason) Questa categoria di ruote ha la forma del dente curva, la particolarità consiste nel fatto che la tangente lungo il fianco varia da positiva a negativa e nel punto medio assume il valore nullo così da produrre la stessa spinta assiale degli ingranaggi dritti e avere lo stesso tipo di montaggio e caratteristiche operative. 7

12 Capitolo 2 - Ruote coniche e tipi di danneggiamento Fig. 2.5 Le Zerol si utilizzano per avere un contatto più graduale e conseguente silenziosità, le velocità periferiche ammissibili raggiungono i 40 m/s Spiroidali Sono quella categoria di ruote coniche con angolo di spirale, il contatto è simile alle ruote a denti dritti, ma la sovrapposizione di denti ingrananti permette un contatto più graduale anche rispetto alle Zerol; notevole importanza di ciò risulta nell utilizzo a velocità elevate dove rumore e vibrazioni sono ridotte, in special modo nelle versioni con buona finitura superficiale. Fig. 2.6 In virtù delle caratteristiche appena descritte questo tipo di ingranaggio viene usato in applicazioni ad elevate prestazioni come gli impieghi aeronautici per esempio nelle scatole di trasmissione di elicotteri che necessitano di portare il moto dall asse orizzontale della turbina a quello verticale del motore. 8

13 Capitolo 2 - Ruote coniche e tipi di danneggiamento 2.3 Classificazione danneggiamento Notevole importanza è data alla previsione di rotture degli ingranaggi, la conoscenza dei modi in cui può avvenire permette di prevenirle. Verrano ora descritti i modi di danneggiamento secondo quanto specificato da [2] : Usura Il fenomeno dell usura accade essenzialmente quando il lubrificante presente tra i denti a contatto non è sufficiente a prevenire il contatto delle superfici. Deformazioni del dente, detriti dovuti a schegge, residui di ossidi o elementi estranei aggravano questo fenomeno interponendosi tra le superfici a contatto. La quantità di danno provocato dall usura dipende da molti fattori, i più significativi sono lo spessore di film lubrificante, la rugosità dei fianchi del dente e il grado di contaminazione del lubrificante stesso. Generalmente per velocità moderate i segni si manifestano come linee di usura dopo migliaia di ore di funzionamento anche se più facilmente appaiono in ruote non indurite. Un attenzione più accurata permette di distinguere fenomeni definiti come usura: Lucidatura È un fenomeno che accade quando in ruote a bassa velocità il lubrificante viene fatto lavorare ai limiti del campo di esercizio, si manifesta con superfici degli ingranaggi lucidati a specchio; generalmente non porta a rottura essendo un fenomeno a bassa velocità di usura anche se particolare attenzione deve essere fatta nel caso che le proprietà del lubrificante oltrepassino il limite di lavoro. Usura Moderata La principale causa è l insufficiente spessore di film lubrificante, questa situazione generalmente si verifica su ruote di modesta durezza operanti a bassa velocità. Un incremento di viscosità o una diminuzione della temperatura dell olio riducono l entità dell usura come pure un trattamento superficiale di finitura o una diversa forma della geometria del profilo. Questo fenomeno si manifesta come rimozione di materiale quanto più ci si allontana dalla linea di contatto (pitchline) in particolare nel dedendum, questo a causa dello strisciamento che è maggiore quanto più ci si allontana dal punto di rotolamento puro. A questo stadio l usura non è un fenomeno preoccupante, ma è necessario intervenire affinché venga arrestato; se invece, nonostante l intervento correttivo, l usura prosegue dal punto in cui ha avuto origine è necessario sostituire la ruota 9

14 Capitolo 2 - Ruote coniche e tipi di danneggiamento Usura Eccessiva Se l usura moderata non viene individuata o corrette le cause che la provocano, si giunge a situazioni catastrofiche quali rottura del dente a flessione, avanzamento delle cricche originate dalle scheggiature, danni al profilo dovuti a elevati carichi dinamici o, come più comunemente accade, a una combinazione di queste situazioni. Questa condizione è generalmente visibile in ingranaggi sottoposti a carichi leggeri con insufficiente spessore del film lubrificante. Le ruote ad uno stadio avanzato di usura appaiono con uno scheggiamento esteso a gran parte delle superfici dei denti. Abrasioni Questo fenomeno accade quando particelle più dure della superficie dei denti e più grosse delle dimensioni del meato sono presenti nel lubrificante; l azione che compiono e quella di scavare il fianco durante lo strisciamento delle superfici di contatto delle ruote. Dobbiamo porre attenzione nei casi in cui rotture avvengono nella macchina in cui lavorano le ruote, infatti residui causati dai cedimenti degli altri componenti possono inquinare il lubrificante, e nel caso vengano eseguite riparazioni on site. L abrasione si presenta con una parte dello spessore del dente portata via e con un accumulo di materiale alla sommità del dente, che non viene interessata da questo fenomeno. Possibili soluzioni atte a limitare questo fenomeno consistono in un sistema di filtraggio e monitoraggio dei residui nel lubrificante e nella progettazione di coppe dell olio che permettano ai detriti di depositarsi in modo da essere individuati ed eliminati. Fig. 2.7 Corrosione La corrosione è dovuta a vari fattori quali il degrado dell olio per alte pressioni che spesso contiene solfuri (EP gear oil come da [2] ), contaminazione da fonti esterne, o contaminazioni già presenti sulle ruote o componenti della macchina. 10

15 Capitolo 2 - Ruote coniche e tipi di danneggiamento Questo fenomeno agisce in due modi: danneggia la finitura superficiale e riduce la superficie di contatto innalzando i carichi a cui è soggetta la superficie rimanente, entrambi causano un aumento dell usura. È possibile porre rimedio o prevenire la corrosione in vari modi quali monitorizzare i lubrificanti, porre attenzione alla formazione di ossidi nei trattamenti superficiali,sigillare le gear box affinché l ambiente esterno non inquini gli organi; infatti anche ambienti apparentemente innocui possono essere dannosi per il solo fatto che l olio tende ad essere igroscopico e quindi a rilasciare acqua soprattutto quando la temperatura è alta. Anche lunghi periodi d inattività possono causare fenomeni di corrosione Grippaggio Nel riferimento AGMA si parla di scuffing la cui traduzione può essere contemplata in grippaggio, la forma denominata scoring e spesso usata dai maggiori produttori di ingranaggi è considerata da non preferire. Scuffing Questo fenomeno è dovuto a una combinazione di fattori quali il carico, la velocità di strisciamento e la temperatura del lubrificante.la situazione che si viene a creare è data dal contatto tra le superfici metalliche delle ruote a causa della scomparsa dell olio normalmente Fig. 2.8 presente nell ingranamento; questo in condizioni di alta pressione di contatto ed elevate temperature provoca delle saldature tra le asperità delle due ruote che vengono successivamente rotte dalla continuazione del moto.una condizione classica in cui avviene sono le ruote operanti con olio sintetico a bassa viscosità. 11

16 Capitolo 2 - Ruote coniche e tipi di danneggiamento Lo scuffing non è però un fenomeno dovuto a fatica perché generalmente si presenta nei primi trenta minuti di lavoro a certe condizioni specifiche, che possono avvenire all inizio della vita di un ingranaggio o nelle appena variate condizioni operative. Per questo motivo ruote operanti ad alti carichi e velocità vengono ispezionate visivamente dopo circa mezz ora di lavoro a massime condizioni di regime. Se non identificato però lo scoring porta a degenerazioni tipiche di un fenomeno affaticante, portando il dente a rottura. Scuffing e comportamenti simili sono individuati da nomenclature quali frosting e scoring e data la mancanza di una convenzione universalmente riconosciuta questi fenomeni possono essere confusi tra loro, perciò R. Drago [4] distingue scuffing in gradi di intensità e modalità (light, moderate, destructive e localized) e frosting dandone descrizione univoca. Frosting Quando le microsaldature e conseguenti rotture si presentano sull estremità della superficie dei denti senza provocare ulteriori danneggiamenti siamo in presenza di frosting; l aspetto risulta come cristalli di ghiaccio da cui il nome. Una distinzione ulteriore dallo scuffing consiste nell assenza di solchi in direzione dello strisciamento. Se il fenomeno è poco pronunciato le ruote possono lavorare per lungo tempo senza che si manifestino danneggiamenti che compromettono il funzionamento. Una migliore finitura della superficie può ovviare a questo problema e, nel caso si sia manifestato, una lucidatura risolve la situazione. Ulteriori rimedi sono la riduzione della velocità di rotazione e l abbassamento della temperatura del lubrificante. Naturalmente ispezioni attente ad individuare graffiature al bordo dei denti sono un buon metodo preventivo. Avendo descritto il frosting si vuole precisare che in esso si include il fenomeno del greystaining che nonostante il diverso nome appare con le stesse modalità e nelle stesse condizioni operative. Light Si presenta come graffiature sul fianco del dente lungo la direzione di strisciamento, in alcuni casi si può avere una regressione del danneggiamento e su ruote coniche cui si è notato che se l estensione è localizzata alla fine della linea di contatto ideale, il danneggiamento non progredisce durante la vita dell ingranaggio. Cause del fenomeno possono essere dovute al contatto che idealmente va oltre la sommità del dente. Nonostante sia difficile che il light scoring progredisca è consigliata l operazione di lucidatura dei denti. Moderate 12

17 Capitolo 2 - Ruote coniche e tipi di danneggiamento Nel caso in cui il light scoring non migliori (spontaneamente o corretto) avviene un incremento della superficie danneggiata del dente. Una delle cause può essere il disallineamento tra le ruote. L intervento tramite la lucidatura manuale ripristina le condizioni di piena operatività. Destructive Proseguendo nel fenomeno dello scuffing si arriva alla versione più gravosa che porta alla rottura essendo ridotta la superficie di strisciamento che provoca una disuniformità dei carichi trasmessi. Prima di arrivare a rottura si manifesta una maggiore rumorosità e comparsa di pitting e spalling. Localized Disallineamenti, svergolamenti dovuti a torsioni e imperfezioni locali portano a una disuniformità di carico che producono uno scuffing localizzato. In questa condizione carichi e velocità elevate producono effetti catastrofici. Nel caso in cui il fenomeno non sia troppo diffuso e la superficie è capace di sopportare l intero carico, una volta eliminate le cause che producono questo fenomeno, l ingranaggio può continuare a lavorare senza pericolo di rotture Deformazione plastica Elevati carichi e, generalmente ma non sempre, basse velocità di rotazione possono causare scorrimenti plastici del materiale che pur non essendo un fenomeno affaticante, progredisce nel tempo portando a rotture. Diverse condizioni superficiali portano a varie forme di scorrimento plastico. 13

18 Capitolo 2 - Ruote coniche e tipi di danneggiamento Deformazione a freddo (Cold flow) Si manifesta in ruote di media durezza con adeguata lubrificazione, ma con alti valori di strisciamento ed elevati carichi. In queste condizioni il materiale sulla superficie del dente può cedere e avvenire lo scorrimento a causa delle componenti frizionali. Fig. 2.9 Se lasciato progredire il profilo viene distrutto portando a vistosi scheggiamenti. La superficie del dente risulta lucente senza mostrare un apprezzabile spostamento di materiale se non a stadi avanzati. Aumentare la durezza del materiale o la riduzione della densità di carico riducono lo accadimento del fenomeno. Deformazione a caldo (Hot flow) Temperature elevate riducono durezza e resistenza dei materiali, in queste condizioni sono facilitati gli scorrimenti plastici che presentano una superficie scura (blu o giallastra a secondo delle temperature). Usualmente la causa è la mancata o insufficiente lubrificazione e il danno si manifesta in zone estensive e può avvenire in un breve periodo di tempo. Nel caso di ruote operanti ad alta velocità e grossi carichi quali i sistemi aeronautici questo tipo di danneggiamento avviene in pochi minuti se la lubrificazione e assente, mentre nel caso la mancanza sia parziale il fenomeno impiega ore, fatto di vitale importanza su un velivolo. Rippling È un tipo di scorrimento plastico a freddo che si verifica su ruote operanti a bassa velocità con insufficiente film di lubrificante. La causa dell increspamento della superficie è dovuta alla deformazione plastica del materiale sottoposto a sforzi elevati di strisciamento.si manifesta con una forma di lisca di pesce ortogonalmente alla direzione di strisciamento. Nonostante il fenomeno sia progressivo può avvenire un indurimento che rallenta l azione usurante. Normalmente si verifica su ruote indurite, all estremità delle stesse zone. 14

19 Capitolo 2 - Ruote coniche e tipi di danneggiamento Si pone rimedio aumentando la viscosità dell olio o usando materiali di maggior durezza, eventualmente riprogettando ruote più grandi. Ridging Anche questo fenomeno è uno scorrimento plastico a freddo, ma differentemente dal rippling, si presenta con picchi e valli di materiale spostato in direzione parallela allo strisciamento; generalmente dovuto a basse velocità di scorrimento plastico e alte velocità di strisciamento. Si verificano casi in ingranaggi a vite senza fine e in ruote ipoidali. La presenza di detriti nel lubrificante aggrava il fenomeno anche se il fenomeno è dovuto a scorrimento plastico. Un maggior spessore del meato tende a migliorare questa situazione, nel caso di ingranaggi senza un sistema di lubrificazione forzata si previene il ridging cambiando frequentemente l olio soprattutto prevenendo la circolazione di detriti Fatica di contatto Interferenza Questo fenomeno può dar corso a rotture, numerose sono le cause che portano i denti ad avere un contatto di non corretto strisciamento; tra esse vi è la rotazione attorno a centri non fissi, la forma dell evolvente troppo corta che non si estende per tutto il profilo di tangenza, deformazioni termiche e modificazioni del profilo dovute a varie cause. Generalmente il danneggiamento è progressivo, ma in alcuni casi il ripristino delle condizioni corrette ne bloccano l avanzamento. Il metodo migliore per evitare il problema consiste in un attenta progettazione soprattutto dei particolari. In caso sia necessario ripristinare il funzionamento dell ingranaggio si può attenuare il fenomeno smussando il bordo del dente che causa il danneggiamento con una mola. Fatica superficiale Il fianco del dente nella sua vita subisce carichi ripetitivi che portano al fenomeno della fatica che, relativamente alla superficie, si distingue in pitting e spalling a sua volta distinti per ordine di gravità. Generalmente agli stadi iniziali non si verificano rotture ed è possibile lavorare anche con ingranaggi così danneggiati per diverso tempo, ma vengono prodotti molti frammenti dannosi. Fortunatamente la quantità di residui dispersi può essere monitorata per rendersi conto dell avanzamento del fenomeno. 15

20 Capitolo 2 - Ruote coniche e tipi di danneggiamento Nonostante venga dato il nome rotture per fatica superficiale questi danni non si originano dalla superficie, ma a una certa profondità sottostante, questo perché la superficie è danneggiata dall avanzamento del fenomeno affaticante. Fig Initial pitting Con questo termine si identificano piccole cavità formatesi in prossimità della circonferenza primitiva o delle estremità del dente a causa di concentrazioni di carico.in ruote di bassa e media durezza superficiale il fenomeno può regredire: le cavità vengono appianate per deformazione plastica e l ingranaggio riesce a terminare indenne la propria vita. Se il fenomeno è esteso a una zona più ampia può accadere che le cavità si uniscano portando ad una successiva rottura, similmente accade quando al pitting si associano altri tipi di danneggiamento quali lo scoring. Nel caso che i carichi siano elevati, soprattutto con elevate durezze del materiale, anche allo stato iniziale il pitting può essere critico. Destructive pitting Questo danneggiamento, che porta a rottura, avviene quando il pitting iniziale non regredisce e la capacità a fatica del materiale viene superata. Ciò avviene quando viene applicato un momento torcente troppo elevato o a un carico mal distribuito. Un miglioramento può essere ottenuto distribuendo maggiormente il trasferimento di carico e utilizzando maggiori durezze superficiali; si deve fare attenzione ai trattamenti di indurimento che possono creare distorsioni geometriche compromettendo il funzionamento della ruota. Il fenomeno generalmente si evolve in maniera relativamente lenta producendo grandi quantità di detriti prima di portare a rottura. Micropitting Quando il fenomeno del pitting appare come un area di colore grigio opaco e a un analisi microscopica manifesta cavità di dimensione inferiore ai 20 micron possiamo parlare di micropitting, più frequentemente accade su superfici indurite e localmente è ritrovabile in diverse posizione del profilo attivo del dente. 16

21 Capitolo 2 - Ruote coniche e tipi di danneggiamento Fig Fig Spalling Le cause sono la presenza di alte tensioni superficiali combinate con alte velocità di strisciamento. In condizioni di puro rotolamento il danneggiamento si origina sotto la superficie dove gli sforzi di taglio indotti dal carico superano il limite del materiale, che può essere ridotto a causa di difetti presenti nel reticolo: in questo caso si manifestano cavità rotonde. Se aumenta la percentuale di strisciamento l origine del danno si sposta verso la superficie, causa un diverso stato tensionale che, in stadi avanzati, porta ad uno stato simile al pitting distruttivo dove le cavità si sono allargate e unite creando grosse schegge. Facilmente lo spalling si confonde con il pitting soprattutto agli stadi finali, mentre in origine si nota la rottura sottoforma di ventaglio in direzione dello strisciamento che contraddistingue il fenomeno. L effetto dello spalling può essere alleviato riducendone le cause, quindi riducendo lo strisciamento tramite una diminuzione della trazione motrice (traslando il profilo) o dell attrito (migliorando la superficie o cambiando lubrificante). Generalmente si osserva su ruote indurite e, nei casi estremi, l unica soluzione è cambiare la dimensione della ruota. Case crushing Può essere simile al pitting distruttivo soprattutto per la formazione di grosse schegge che si staccano dalla superficie, ma le cause sono diverse; l origine della rottura e in genere profonda ed è dovuta alla variazione del taglio e della resistenza a taglio del materiale che si ha passando dalla superficie agli strati più interni della ruota. Da ciò si capisce che non è il massimo sforzo di taglio a causare la rottura, ma è il valore del taglio relativo alla differente resistenza del materiale che si trova nei vari strati della ruota. 17

22 Capitolo 2 - Ruote coniche e tipi di danneggiamento Il fenomeno si manifesta generalmente in maniera improvvisa originandosi in profondità senza dare avvisaglie in superficie. Negli ingranaggi con superficie indurita è maggiore la probabilità di case crushing essendo elevato il gradiente di resistenza appena sotto la superficie e non essendo così il gradiente del taglio. La prevenzione consiste nel determinare come lo sforzo di taglio varia con la profondità in relazione alla resistenza del materiale nei punti considerati. Avendo caratteristiche simili è bene descrivere schematicamente le differenze tra il pitting/spalling (simili negli stati terminali) e il case crushing: Pitting/spalling Case crushing Apparenza Superficiale Gobbe e sporgenze Modo di accadimento Graduale Improvviso Forma generale Circolare / a V Sgorbi longitudinali Distribuzione / diffusione Su molti denti Uno o due denti Direzione della cricca Angolo acuto alla superficie Ortogonale alla superficie superficiale Tabella Fessurazione La presenza di fessure è un fenomeno dovuto a vari motivi, di seguito se ne individuano i principali: oltre le fessure originatesi per le sollecitazioni a flessione nei raccordi alla radice, si possono ritrovare altrove quelle dovute a stress meccanici e termici, o a difetti nei materiali e lavorazioni. I trattamenti termici possono causare delle fessure approssimativamente lineari partenti dalla superfice verso l interno. Quando sono visibili fessure multiple e parallele dobbiamo riferirci a lavorazioni di rettifica che hanno causato surriscaldamenti localizzati. Similmente alle fessure dovute a flessione sono quelle dovute agli effetti del bordo del dente che hanno la particolarità di avere direzione radiale. Infine l origine di fessure può essere causata dalla separazione di strati più interni a causa di trattamenti superficiali di indurimento. 18

23 Capitolo 2 - Ruote coniche e tipi di danneggiamento Fratture Generalmente il sovraccarico dei denti provoca delle fratture che possono essere distinte in vari modi a seconda del comportamento della fessura che porta alla rottura; principalmente si distingue in : frattura fragile; frattura duttile; modalità mista. La frattura fragile è caratterizzata da una rapida propagazione della fessura senza apprezzabili deformazioni plastiche e appare granulosa e brillante, generalmente è piana e la direzione è ortogonale alla massima tensione di trazione. La frattura duttile è invece distinta da grosse deformazioni plastiche che rendono la superficie fibrosa e di colore grigio opaca ; l orientamento puo essere in direzione della massima tensione di trazione oppure diversamente orientata, mentre al bordo è presente un labbro rialzato che si estende lungo il fianco del dente non lavorante. Il modo misto di rottura si presenta in zone localizzate e la superficie ha caratteristiche comuni ai due modi fin qui descritti, questo perché la propagazione della fessura è dovuta a diverse modalità Fatica a flessione La fatica è un fenomeno progressivo che può essere composto da tre fasi: Innesco Propagazione Rottura I cicli affaticanti sono concentrati essenzialmente nelle prime due fasi finchè la fessura arriva ad una dimensione critica dalla quale si passa rapidamente alla frattura, che può essere dei tipi sopra descritti. Durante la prima fase il picco di tensione dovuta alla flessione è minore della tensione di snervamento quindi non avviene snervamento del dente, ma si accumulano tensioni nelle aree a maggior discontinuità geometrica, i cicli di carico che sisusseguono provocano lo scorrimento dei piani in prossimità della superficie dove generalmente le tensioni sono più elevate finchè non si originano microfessure.la direzione di propagazione segue i piani di massima tensione di taglio. 19

24 Capitolo 2 - Ruote coniche e tipi di danneggiamento Fig Fig Nella fase di propagazione le fessure si accrescono in direzione approssimativamente perpendicolare alla massima tensione di trazione, le deformazioni plastiche invece rimangono confinate ai bordi della fessura facendo apparire le superfici lisce. Nel caso che le fessure si propaghino in maniera intermittente si possono riscontrare a livello macroscopico le cosiddette beach marks che corrispondono al fronte dove è avvenuto l arresto. I fenomeni di fatica dovuti a flessione possono essere distinti secondo quanti cicli portano a rottura, infatti si può distinguere un basso numero di cicli caratterizzato da scorrimenti plastici macroscopici da un elevato numero di cicli in cui le tensioni di ogni applicazione del carico sono inferiori alla tensione di snervamento; questo è il caso più comune e nella storia della propagazione più tempo è trascorso nella fase iniziale di innesco della cricca. Generalmente la fessura parte dal raggio di raccordo del di radice sottoposto a trazione anche se difetti possono far nascere le cricche in punti diversi. 20

25 Capitolo 3 Verifiche della dentatura Capitolo 3 Verifiche della dentatura 3.1 Normativa attuale Il campo della produzione degli ingranaggi conici è molto specializzato e le linee guida per la progettazione e la definizione delle condizioni di impiego sono dettate da chi ne ha l esperienza e le conoscenze tecniche : le ditte produttrici. A livello internazionale l associazione americana dei produttori di ingranaggi (AGMA) è riconosciuta come l organismo che detta le linee guida per lo studio e la produzione di ruote dentate; essa è riconosciuta e approvata da dall Istituto nazionale americano di standardizzazione (ANSI), ma specifica che l uso di tali indicazioni tecniche è volontario e non vincolante. È importante sottolineare che non esiste una normativa relativa alla produzione di ingranaggi conici, ma soltanto linee guida; naturalmente ci si riferisce al modo di progettare costruire e mettere in funzione le ruote coniche, astenedosi dalla legislazione in materia di sicurezza che deve essere rispettata nei processi produttivi e nella messa in funzione degli organi meccanici. Non essendo normativa quanto specificato dalle AGMA, chi ha le risorse per sviluppare la produzione e i relativi studi necessari può quindi dettare le proprie regole: in campo mondiale sono poche le ditte che fabbricano ingranaggi conici, la più importante è sicuramente la Gleason che nelle proprie pubblicazioni indica come viene eseguito il processo produttivo e la messa in esercizio dei propri prodotti. L esistenza di diversi tenutari di conoscenze tecnologiche non implica necessariamente un contrasto, ma considerando che la Gleason è membro dell AGMA possiamo considerarne ancor più la validità delle indicazioni tecniche. Il progettista quindi fa proprio quanto specificato dalle AGMA acquisendo così anche tutto il lavoro e l esperienza che nel passato ha permesso lo sviluppo degli ingranaggi. Di seguito verranno mostrati i principi di progettazione atti a prevenire i possibili danneggiamenti. 21

26 Capitolo 3 Verifiche della dentatura 3.2 Bending Come anticipato, l utilizzo delle AGMA è impiegato nella progettazione dell ingranaggio, il dente viene dimensionato a flessione secondo le ANSI/AGMA 2003/A86, in realtà sarebbe più corretto utilizzare la versione B97 che è l ultima pubblicata, ma il progettista spesso si trova di fronte a vincoli quali la mancanza di risorse che non permettono l aggiornamento completo delle informazioni tecniche; si ritiene che la versione utilizzata, essendo quella appena precedente, possa essere utilizzata per ottenere buoni risultati. Il calcolo della tensione è simile a quanto avviene per le ruote a denti dritti utilizzando la Formula di Lewis: Ft P σ = K v K ok bj dove: Ft è la componente tangenziale P è il diametral pitch (all estremità larga del dente) b è la larghezza J è il fattore geometrico dato dalla forma del dente (ottenuto da grafici sperimentali in funzione del numero di denti) K v è il fattore di velocità (funzione della velocità periferica e dipendente dalla precisione delle lavorazioni, dalla rigidezza dei denti, degli errori del profilo e dell inerzia e rigidezza delle parti rotanti) K o è il fattore di sovraccarico (valutato da tabelle in base al tipo di potenza in gioco e dal modo in cui avviene il contatto tra i denti) K m è il fattore di montaggio (ottenuto da tabelle sperimentali in base alla rigidezza e precisione dei supporti delle parti rotanti) Tale valore ricavato deve essere confrontato con il limite di fatica ammesso per la durata voluta, nel caso in esame si considera la vita infinita e si utilizza il calcolo del limite di resistenza dato dalle prove di Moore corretto da fattori: m S n = S ' n C C C k k k L G S r t ms in cui: S n è il limite di fatica per provino liscio della prova di Moore C L è il fattore di carico (1.0 per prove di flessione) C G è il fattore di gradiente di pressione (dipendente dal passo misurato all estremità più larga della ruota 22

27 Capitolo 3 Verifiche della dentatura C S è il fattore superficiale (ci si riferisce alla superficie in corrispondenza del raccordo cioè dov è più sensibile l innesco della frattura a bending) k r è il fattore di affidabilità (valori tabellati per diverse affidabilità corrispondenti a una deviazione standard dell 8%) k t è il fattore di temperatura (per ruote in acciaio si utilizza 1.0 se la temperatura è minore di 71 gradi celsius oppure si usa 620 k t = T con T in gradi farenheit) k ms è il fattore della tensione media (tiene conto del tipo di sollecitazione del dente in base a come la ruota è collegata agli altri ingranaggi del moto) 3.3 Pitting Per la determinazione e previsione di questo fenomento sono utilizzate le indicazioni fornite da Gleason in Surface durability pitting formulas for bevel gear teeth edito da Gleason machine division [7] Metodo Gleason In condizioni ideali le ruote coniche hanno il contatto che si distribuisce su tutto il profilo senza concentrazioni di carico e un applicazione graduale; purtroppo in realtà questo non avviene, ma se condizioni come il carico, la velocità e la temperatura non sono troppo variabili possiamo considerare il contatto ideale. Con questa denominazione si intende anche l assenza di errori di montaggio e i supporti rigidi. L esperienza acquisita da Gleason porta a definire due parametri il cui confronto fa dare una previsione dell accadimento del pitting. Il primo parametro è la massima tensione di contatto calcolata S c che è così definita: S = C c p 2TPC C v o 1 Fd 2 C S C I m C f 3 T T PC P con : C p coefficiente elastico (dipendente dal materiale); Tp massima coppia del pignone; C o fattore di sovraccarico; C v fattore dinamico; F larghezza del dente; d è il massimo diametro sul cono primitivo; 23

28 Capitolo 3 Verifiche della dentatura C S size factor (si potrbbe tradurre con fattore di taglia, influenza la distribuzione di tensione); C m fattore di distribuzione di carico; C f fattore di stato superficiale; I fattore geometrico; T PC coppia operativa. Il secondo parametro è la tensione operativa S W dove : S ac è la tensione di contatto ammissibile; C L life factor ; CH fattore del rapporto di durezza; C T fattore di temperatura; C R fattore di sicurezza. S acclc S W = C C T R H La condizione per la quale non si ha pitting è data da : Sc S W quando S c supera S W siamo in condizioni di ritrovare pitting sui denti successivamente al numero di cicli contemplati nel life factor. Si ricorda che in [7] sono presenti i grafici o le tabelle da cui ricavare i coefficenti o fattori sopraelencati per la particolare condizione in esame Lubrificazione EHD Vengono ora analizzati gli effetti della lubrificazione nel contatto, il tipo di lubrificazione considerata è quella elastoidrodinamica (EHD) caratterizzata da avere il lubrificante sottoposto ad elevate pressioni. Gli studi effettuati generalmente non contemplano la situazione di superfici a doppia curvatura come quella delle ruote coniche a spirale, ma si considerano superfici cilindriche; inoltre l ingranamento avviene in maniera graduale e le condizioni della fase iniziale e finale del contatto non sono quelle di altissime pressioni che permettono la deformazione elastica 24

29 Capitolo 3 Verifiche della dentatura (appiattimento) dei denti. Considerando però la zona di contatto escluse le parti estreme si può utilizzare la teoria sviluppata essenzialmente per le ruote cilindriche. Sotto le elevate pressioni Hertziane i denti delle ruote lubrificate si appiattiscono elasticamente mentre la viscosità dell olio aumenta esponenzialmente. Questo effetto crea una zona convergente all ingresso del contatto dove l olio, che aderisce ai denti, viene immesso ed è sottoposto ad un aumento di pressione che a sua volta aumenta rapidamente la viscosità e dà vita ad un film EHD di olio che riduce le tensioni tangenziali di superficie dovute allo strisciamento del dente. Tale fenomeno influisce positivamente rallentando la formazione del pitting. Nel caso in cui sono presenti cricche, l olio è costretto dalla pressione a riempirle e appena il contatto è rilasciato si possono staccare detriti a causa della fuoriuscita dell olio dalla fessura, questo effetto è maggiore in prossimità della radice che vicino alla testa dove le fessure tendono ad essere richiuse [8]. 3.4 Scoring Il termine scoring è utilizzato da una parte della letteratura tecnica, con esso si intende quel fenomeno che a causa degli attriti nel contatto e le forti pressioni, causa trasferimento di materiale da una superficie all altra. Come anticipato non vi è accordo sulla nomenclatura del danneggiamento, infatti mentre le AGMA indicano questo fenomeno con scuffing e sconsiglia il termine scoring, la Gleason invece lo utilizza comunemente nelle proprie pubblicazioni. La scelta di utilizzare in questo capitolo la parola scoring è dovuta al fatto che sono state utilizzate le procedure di calcolo Gleason [9] per determinare la comparsa del fenomeno. In letteratura troviamo un parametro identificante lo scoring, la flash temperature (temperatura istantanea), la Gleason considera invece lo scoring index,ma vedremo che entrambi derivano dalla teoria proposta da Block, e che sono intimamente legate. Sue sono le considerazioni secondo cui lo scoring può essere considerato un fenomeno di usura adesiva che accade quando la lubrificazione diventa mista. Noto è che l aumento di velocità periferica determina un incremento di potenza che viene dissipata a causa dell attrito comportando un aumento della temperatura superficiale e del lubrificante. Se la temperatura di ingresso e la velocità di rotazione sono sufficientemente elevate, la temperatura dell olio aumenta in modo considerevole, la viscosità diminuisce e le superfici iniziano a entrare in contatto. Queste considerazioni hanno suggerito di correlare lo scoring 25

30 Capitolo 3 Verifiche della dentatura con la temperatura di contatto dei denti durante l ingranamento.questa temperatura può essere ottenuta dalla temperatura stazionaria dei denti e dall incremento sulle superfici che si ha per effetto del contatto diretto: questo aumento è proprio la flash temperature. Questa teoria è valida sia per ruote cilindriche che coniche. Vediamo in pratica la trattazione Gleason [9] : L equazione base dell indice di scoring è data da : T f = T + T i essendo : T f l indice di scoring; T i la temperatura della parte interna dell ingranaggio; T G il massimo aumento di temperatura nel punto di contatto sulla superficie del dente calcolato come segue : G con : G fattore geometrico; T G G = CP KT P C1 50 S C 1 costante termica del materiale della ruota; C P coefficiente elastico; K T fattore di carico dato da : T P massima coppia trasferita dal pignone; T PS coppia operativa; L o fattore di sovraccarico; L m fattore della distribuzione di carico; L v fattore dinamico; F larghezza della faccia del dente; s rugosità superficiale; K T = P d è il diametro sul cono primitivo all estremità più larga; N p giri al minuto del pignone alla coppia operativa. T P L L v o L F m d n P 3 T T PS P 26

31 Capitolo 3 Verifiche della dentatura La condizine per non avere scoring è data da : contemporaneamente deve accadere : dato : T S massima temperatura del serbatoio; T f T W TS T Sa T Sa massima temperatura ammissibile del serbatoio. 27

32 Capitolo 4 Prove e ispezioni su ruote coniche Capitolo 4 Prove e ispezioni su ruote coniche 4.1 Misure, ispezione e corretto montaggio Una delle maggiori ditte produttrici di ingranaggi conici, la Gleason, nel manuale Testing and Inspecting Bevel and hypoid gears spiega come vengono testate le ruote coniche e ipoidi. Le macchine di prova simulano le condizioni operative e i relativi errori di montaggio, per fare questo vengono montate le ruote su un impianto di prova che applica deboli carichi a Fig

33 Capitolo 4 Prove e ispezioni su ruote coniche basse velocità di rotazione, in virtù di queste condizioni si utilizzano macchine NON a ricircolo di potenza che per questo sono più semplici e meno costose. Viene in particolare verificata la dimensione dei denti rispetto all accoppiamento delle ruote, la distanza di montaggio, la posizione del contatto del dente, la qualità di finitura superficiale e la globalità di funzionamento. Diversi tipi di macchine possono essere usate allo scopo di verificare gli assi del pignone o della ruota. Si descrive il modo in cui viene individuato il tipo di contatto e si offre una casistica di contatti possibili (Fig. 4.1). E descritta la fase di disassamento tramite EPG : E spostamento nell asse del pignone nel piano della ruota ingranante; P spostamento del pignone lungo il proprio asse; G spostamento dell asse del pignone lungo l asse della ruota ingranante (Fig. 4.2). Fig. 4.2 A seconda del tipo di ruote e di contatto risultante si specifica il tipo di condizione in atto e l eventuale correzione da fare. Durante la produzione vi è un controllo sui movimenti dell utensile e a secondo del risultato ottenuto alla fine del taglio, si identifica l eventuale errore. Un ulteriore controllo è fatto su ogni ruota dopo la fase di trattamento superficiale e viene data la corretta distanza di montaggio. 29

34 Capitolo 4 Prove e ispezioni su ruote coniche Nel manuale sono descritti i principali metodi ispettivi per individuare la qualità degli ingranaggi: il composite check che consiste in un slow rolling test per valutare la qualità globale di rotolamento. L individual tooth elements check, per individuare : la concentricità (vicinanza tra il centro del diametro primitivo dei denti e l asse di rotazione); il runout (variazione di circolarità del cerchio primitivo); l eccentricità ; il tooth spacing (la variazione, il passo reale, diverso tra dente e dente, e quello di progetto ). Vengono quindi descritti gli strumenti per eseguire le misurazioni sopra citate e i metodi per verificare la finitura superficiale e la dimensione dei denti.un esempio di macchinari per ispezione viene qua riportato: Fig. 4.3 Eccentricity Fig. 4.4 Tooth spacing Nel manuale viene data una casistica di contatti che permette di avere indicazioni sull errore di montaggio così da riuscire ad avere un corretto montaggio prima di far funzionare l impianto in condizioni di esercizio. Di seguito si riportano i casi più caratteristici: Fig Contatto in condizione di errore di montaggio ASSIALE - 30

35 Capitolo 4 Prove e ispezioni su ruote coniche Fig Contatto in condizione di errore di OFFSET - Fig Contatto in condizione di errore di DISALLINEAMENTO ANGOLARE - Naturalmente viene descritto e rappresentato il CORRETTO MONTAGGIO (Fig. 4.8). Fig. 4.8 Quanto sopra è descritto come la fase di sviluppo, in pratica un ottimizzazione delle ruote, relativamente alla tipologia di utilizzo, geometria e trattamenti; in particolare si considerano queste variabili in relazione al carico, ai possibili disallineamenti e alla fatica. 31

36 Capitolo 4 Prove e ispezioni su ruote coniche 4.2 Prove di durata Aspetti generali Le potenze necessarie per portare fino al limite della resistenza ingranaggi d acciaio sono relativamente elevate, per questo motivo i banchi prova sono del tipo a ricircolo di potenza che necessitano solamente di circa il 5% di energia fornita rispetto a quella circolante. Possiamo distinguerli in : ricircolo di potenza elettrica; ricircolo di potenza meccanica. I primi sono caratterizzati dalla presenza di una dinamo-freno che permette di simulare andamenti complessi di coppia e velocità, di provare ingranaggi con interasse variabile e limita fortemente i problemi dinamici quando invece sono presenti componenti rotanti ad alta velocità. Un grosso limite consiste però nel fatto che le potenze sono limitate essendo grosse le perdite nella conversione da energia elettrica a meccanica. I banchi prova a ricircolo di potenza meccanica sono caratterizzati dalla contrapposizione di ingranaggi in modo tale da precaricare le dentature. Con queste caratteristiche storicamente sono stati sviluppati diversi impianti di prova: il primo di cui si hanno notizie fu realizzato negli anni venti al Massachusetts Institute of Technology per iniziativa di W. Lewis, successivamente nel 1952 fu costruito il banco Ryder Fig

37 Capitolo 4 Prove e ispezioni su ruote coniche che permetteva una velocità di giri al minuto, più recentemente sono stati realizzati il banco FZG per prove standard su lubrificanti, con limiti di coppia e velocità, il banco NASA del tipo four square con attuatore rotante e vari altri tra cui il banco closed loop di Avio presso il laboratorio Scalbatraio del DIMNP (Fig. 4.9). I miglioramenti della configurazione four square (alberi lunghi tra test e slave per assorbire gli effetti delle sollecitazioni torsionali) e l introduzione di coppia per mezzo di attuatori, ha permesso di raggiungere prestazioni in coppia e velocità notevoli. Due esempi sono il banco Renk presso il laboratorio Scalbatraio dell Università di Pisa e l impianto per testare ruote coniche al Glenn research center della NASA che permettono di avere potenze circolanti intorno al megawatt Impianto NASA al Glenn research center Il banco del Glenn (ex Lewis) research center permette prove con ruote coniche a denti dritti o spirale, ad assi ortogonali, le prove eseguite sono orientate a molteplici scopi; diverse tecniche di analisi vengono utilizzate per rivelare i danneggiamenti degli ingranaggi. Le prestazioni di questo impianto sono caratterizzate da una velocità di trasmissione, massima sul pignone, di giri al minuto; da una coppia massima di 1186 Nm e da una temperatura massima del lubrificante, in ingresso alla sezione di test, di 189 C. Gli ingranaggi in prova sono prevalentemente ruote coniche a spirale; ad esempio si tratta di ingranaggi campione con 12 denti per il pignone e un rapporto di ingranamento tre, il modulo è di mm, l angolo di semiapertura del cono primitivo di 18.43, larghezza del fianco di 25.4mm, angolo di pressione 20 e angolo di spirale 35 (Fig. 4.10). Fig