Benedetto Paolo Tesi di laurea in Ingegneria Meccanica

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3 SOMMARIO Heavy Metal moves mountains. Macchine pesanti spostano montagne, questo afferma lo slogan pubblicitario di una Casa costruttrice di macchine movimento terra. Ma come va assemblato questo metallo pesante, in base a quali criteri, e poi, come mai deve essere così pesante? L interesse sfrenato per macchine di questo tipo, e la considerazione di quanto poco siano stati trattati i mezzi cingolati nella letteratura tecnica (quantomeno italiana) sono state le motivazioni alla base di questo studio. Così, partendo da una descrizione generale del trattore cingolato costruito ed attrezzato per lo spostamento di materiale, ideale anche per spianamenti, il Dozer appunto, si sono analizzati in sequenza i vari componenti della sua trasmissione, cercando spesso di individuare i motivi di determinate scelte costruttive. Talvolta si sono confrontate le soluzioni osservabili sulla macchina di riferimento con quelle corrispondenti della macchina diretta concorrente sul mercato. Nella parte riguardante la trazione esercitabile da un mezzo cingolato si è visto quanto il peso del veicolo sia rilevante a questo fine, molto più delle caratteristiche della cingolatura. A seguire, si è iniziato ad analizzare il problema di come generare questa trazione a partire dal motore fino ad arrivare ai cingoli. Una particolare attenzione è stata data all analisi e alla simulazione pratica del comportamento del convertitore di coppia, e si è constatato quanto possa diventare problematica la progettazione di una trasmissione che ne preveda l utilizzo. E c è da aggiungere che, quando la simulazione di questo componente sia necessaria, le valutazioni devono essere necessariamente fatte con un ampio margine di sicurezza proprio perché il suo funzionamento non è esattamente prevedibile. Nella macchina considerata il convertitore lavora in simbiosi con un riduttore meccanico; si è cercato di analizzare gli effettivi vantaggi di questa soluzione, dopo aver carpito il collegamento degli organi da uno spaccato fornito dalla Casa. Il cambio di velocità presenta una costruzione ingegnosa. Costituito da una serie di rotismi epicicloidali, alcuni con varianti rispetto allo schema tradizionale, ha il vantaggio di essere molto compatto, di avere alberi di ingresso ed uscita coassiali, e di consentire il cambio marcia anche sotto sforzo. La valutazione del rapporto di riduzione totale, a partire dal motore fino alla cingolatura, va fatta inserendo dei valori di tentativo fino ad ottenere dei risultati soddisfacenti in base alle caratteristiche fondamentali di macchine dello stesso tipo: essenzialmente, massima trazione allo stallo, massime velocità di spostamento. La totalità delle variabili di progetto va analizzata e stabilita ai fini della costruzione delle curve di trazione del mezzo in funzione della velocità di spostamento. Queste curve vengono sempre dichiarate dalle Case costruttrici in quanto rappresentano le effettive prestazioni della macchina. Dunque è cercando di ottenere delle curve compatibili che va scelto il rapporto di riduzione totale. In base ai criteri seguiti, i parametri variabili sono i valori delle riduzioni mediante ruote cilindriche e coppia conica a valle del cambio. Se è relativamente semplice calcolare i rapporti di riduzione e conseguentemente dimensionare di massima alberi e dentature, può essere più difficoltoso sistemare tali organi in una scatola di trasmissione di dimensioni stabilite. Si tratta di un problema fondamentalmente geometrico, ma non va sottovalutato e le tavole allegate possono dimostrarlo. Descrivendo la sterzatura e frenatura del mezzo si sono analizzati gli schemi degli organi delegati a questa funzione montati sulla macchina di riferimento, constatando quanto poco evoluti tecnologicamente essi siano e quale dissipazione di energia comporti il loro utilizzo. Pare davvero che, dato che la funzione pratica di un Dozer è spingere materiale su traiettorie rettilinee, l aspetto sterzatura sia stato poco curato, guadagnando comunque in semplicità di 3

4 costruzione. Per completezza, tra i vari altri schemi di sterzatura per mezzi cingolati si è descritto il più efficiente finora ideato ed utilizzato. Infine, l ultima parte riguarda il progetto del riduttore finale. Il disegno del complessivo si ispira nell aspetto esterno alla costruzione originale CATERPILLAR, come si può vedere osservando il rendering in questa pagina, mentre lo schema di funzionamento è stato scelto in modo totalmente indipendente, come pure i valori delle riduzioni. Le considerazioni più importanti sono quelle a riguardo del calcolo di resistenza delle dentature mediante procedimento a norma UNI La normativa è complessa, e il calcolo ad usura in particolare impone un generoso dimensionamento delle ruote. Chiaramente molto dipende dalla severità delle condizioni di funzionamento considerate nel dimensionamento. In questo contesto possiamo dire che sono state scelte condizioni davvero al limite. Macchine di questa stazza acquistano un fascino particolare dovuto alla loro imponenza e i modelli di punta, si sa, rappresentano l immagine della Casa costruttrice. La tendenza è proporre mezzi sempre più grandi e potenti. Il modello Komatsu è stato introdotto dopo il Caterpillar D11, ed ha prestazioni ancora superiori. Il problema che però sta insorgendo è il controllo delle azioni durante il lavoro: con dimensioni di questo genere l operatore non riesce più a rendersi conto di cosa effettivamente stia accadendo a contatto col terreno. Si stanno dotando i bracci di telecamere inquadranti i bordi della lama, mentre sensori informano sulla profondità di scavo e su altre variabili. L imponenza del prodotto, spesso a servizio dell immagine, sta rischiando di limitare la funzionalità? 4

5 INDICE 1. DESCRIZIONE GENERALE DELLA MACCHINA pag Considerazioni introduttive 1.2. Introduzione allo studio 1.3. Schema generale della trasmissione 2. MASSIMA TRAZIONE OTTENIBILE DALLA CINGOLATURA pag Considerazioni introduttive 2.2. Effetto della presenza di costole sui pattini dei cingoli 3. PRINCIPALI CARATTERISTICHE DEL MOTORE pag DESCRIZIONE FUNZIONALE DEL GRUPPO CONVERTITORE / pag. 27 DIVISORE DI COPPIA 4.1. Considerazioni introduttive 4.2. Funzionamento del gruppo convertitore / divisore di coppia 4.3. Approssimazione delle curve caratteristiche del convertitore 4.4. Curve del gruppo convertitore di coppia + rotismo divisore 4.5. Considerazioni conclusive 5. DESCRIZIONE E STUDIO CINEMATICO DEL CAMBIO pag Descrizione 5.2. Funzionamento della prima marcia avanti 5.3. Rotismo di inversione e prima marcia indietro 5.4. Altre marce e conclusioni 6. RIDUZIONE A VALLE DEL CAMBIO E COPPIA CONICA DI RINVIO pag Descrizione 6.2. Proporzionamento di massima della soluzione scelta 7. GRUPPI FRENO E FRIZIONE DI STERZO pag Descrizione degli organi montati sulla macchina in studio 7.2. Cenni sulla sterzatura dei veicoli cingolati 8. CURVE TRAZIONE VELOCITA pag Impostazione del calcolo 8.2. Confronto tra curve ottenute e curve dichiarate 9. RIDUTTORE FINALE pag Scelta dello schema funzionale e descrizione 9.2. Scelta del numero di denti 9.3. Calcolo di resistenza degli ingranaggi secondo UNI Condizioni di funzionamento considerate nel calcolo di resistenza 9.5. Verifiche di resistenza 9.6. Le condizioni di esercizio per il Dozer BIBLIOGRAFIA pag. 65 ALLEGATI : Disegno formato A2 del COMPLESSIVO DEL RIDUTTORE FINALE CD-ROM con files relativi a disegni, immagini, fogli di calcolo, questo testo. 5

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