SVILUPPO DI UNA NUOVA MODALITÀ DI INNESCO A FRIZIONE CON MOLLA ELICOIDALE PER MOTOCOLTIVATORI.

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1 Convegno di Medio Termine dell Associazione Italiana di Ingegneria Agraria Belgirate, settembre 2011 memoria n. SVILUPPO DI UNA NUOVA MODALITÀ DI INNESCO A FRIZIONE CON MOLLA ELICOIDALE PER MOTOCOLTIVATORI. M. Cutini 1, C. Bisaglia 1, G. Rebecchi 2, L. Feligioni 2 (1) Consiglio per la Ricerca in Agricoltura (CRA-ING); Laboratorio di Treviglio, via Milano 43, 24047, Treviglio (BG), Italia. (2) CGE Services & Trading srl; via dei Prà 1A, 46043, Castiglione d/stiv. (MN), Italia SOMMARIO La trasmissione della coppia motrice sviluppata dal motore alle ruote od alle operatrici avviene tramite un gruppo di trasmissione. Tra i diversi organi è presente la frizione che ha il compito di collegare progressivamente il motore all albero di trasmissione. L evoluzione di tale dispositivo risulta di attualità nella meccanizzazione agricola nel campo delle piccole operatrici, quali motozappatrici e motocoltivatori, a causa del recente sviluppo normativo in materia di sicurezza nel settore. Nell ambito del progetto Enama Macchine innovative 2009 la ditta CGE di Castiglione delle Stiviere ha progettato e realizzato un nuovo tipo di innesco a frizione con molla elicoidale concepito per inserirsi nella catena cinematica dei dispositivi di sicurezza basati su comandi ad azione sostenuta. La funzionalità del prototipo è stata verificata tramite prove al banco e tramite verifiche funzionali su una motozappatrice di serie a cui la frizione è stata adottata senza modifiche costruttive del blocco di fusione in ghisa entro cui viene posizionata. Il progetto è risultato di particolare interesse ed attualità ed, in prospettiva futura, potrebbe essere esteso anche ad altre applicazioni funzionali delle frizioni nell ambito della meccanica agraria. Parole chiave: sicurezza, sistemi di comando, sforzo operatore. 1 INTRODUZIONE La trasmissione della coppia motrice sviluppata dal motore alle ruote od alle operatrici avviene tramite un gruppo di trasmissione. Tra i diversi organi è presente l innesto a frizione che ha il compito di collegare progressivamente il motore al cambio di velocità e quindi all albero di trasmissione e alle ruote motrici. Lo sviluppo della frizione risulta di attualità nella meccanizzazione agricola nel campo delle piccole operatrici quali motozappatrici e motocoltivatori a causa della recente evoluzione normativa in materia di sicurezza sul lavoro e nel settore specifico. I motocoltivatori sono macchine agricole semoventi ad un solo asse, equipaggiate con gruppi rotativi per la lavorazione del terreno; esse presentano la particolare esigenza di un innesto a frizione che lavori come normalmente aperta, cioè disinnestata, mentre solo l azionamento dell operatore, sostenuto durante tutta la lavorazione, la può portare in posizione di trasmissione della coppia, cioè innestata.

2 M. Cutini, C. Bisaglia, G. Rebecchi, L. Feligioni Poiché l operatore deve agire su di un leveraggio per tenerlo in posizione d innesto durante tutta la fase di lavoro, è necessario che la forza richiesta all operatore sia estremamente contenuta (<27,5 N; UNI-EN 709: 2010). Il presente progetto propone una soluzione tecnica ai requisiti normativi di questa tipologia di operatrici. 2 STATO DELL ARTE E NORMATIVE SULLE FRIZIONI PER MOTOCOLTIVATORI Per trasmettere la coppia fornita dal motore, gli innesti a frizione utilizzano la resistenza di attrito che si sviluppa fra due superfici, una solidale all albero motore e l altra all albero di entrata nel cambio di velocità, premute l una contro l altra dalla reazione di apposite molle. I principali requisiti per gli innesti a frizione sono: assenza di slittamenti fra le superfici di contatto; azione d innesto progressiva; facilità di controllo, registrazione e manutenzione; inerzia limitata della parte condotta. Le prime frizioni nel campo dei motocoltivatori furono le frizioni a cono (Fig. 1). Due superfici tronco-coniche venivano spinte l'una contro l'altra da un sistema a molla tramite un meccanismo a leva azionato dal guidatore. Nelle frizioni monodisco a secco la coppia fornita dal motore viene trasmessa all albero condotto sfruttando la resistenza d attrito che si sviluppa tra due superfici, una solidale all albero motore e l altra all albero di entrata del cambio. La frizione multi disco (Fig. 2), composta da più dischi condotti (in bagno d olio o a secco), consente la trasmissione di una maggiore coppia motrice. Figura 1. Esempio di frizione conica Figura 2. Esempio di frizione multidisco. La normativa che inquadra la problematica di tutela dei lavoratori è il Dlgs 81/2008 mentre quella che inquadra la progettazione e uso delle macchine sono la Direttiva Macchine 2006/42/CE e la normativa UNI-EN-ISO 12100/2010. In particolare è presente una normativa specifica (UNI-EN 709/2010). 3 INQUADRAMENTO DEL PROGETTO Il campo di applicazione dei motocoltivatori, i principi di funzionamento e l analisi dei rischi in termini di sicurezza sono descritti in dettaglio nella norma EN 709:2010 per la progettazione e la costruzione di motocoltivatori condotti a mano con coltivatori rotativi montati. In questa sede si riassumono solo le principali indicazioni tecniche, in

3 Sviluppo di una nuova modalità di innesco a frizione con molla elicoidale per motocoltivatori particolare si richiama il capitolo n. 5.5 Controlli del movimento della macchina e dell utensile che fornisce le seguenti indicazioni cogenti: deve essere presente un dispositivo che impedisca l avviamento del motore se questo induce la rotazione delle ruote o il movimento degli utensili; i movimenti della macchina e l azionamento degli utensili di lavoro devono essere possibili solo agendo sui comandi ad azione mantenuta; sulle stegole deve essere presente un comando per l'arresto d'emergenza della macchina che spesso corrisponde con il comando ad azione mantenuta e un ulteriore dispositivo di blocco automatico nel caso di abbandono della stessa; il rilascio del comando ad azione sostenuta non deve provocare lo spegnimento del motore; la forza necessaria per mantenere il comando ad azione sostenuta il posizione attiva non deve essere maggiore di 27,5 N quando il comando si trova su una sola stegola. Da queste premesse progettuali è emersa l esigenza di progettare un prototipo di innesto a frizione che, diversamente dalle frizioni precedentemente descritte, lavori come normalmente aperta, cioè disinnestata, e dove l azionamento dell operatore la porti in posizione di trasmissione della coppia; tale esigenza ha costituito anche il principale obiettivo del presente progetto. Il Laboratorio CRA-ING di Treviglio (BG) ha fornito il supporto tecnico-scientifico nelle fasi di individuazione delle criticità e di analisi sperimentale del prototipo. 4 DESCRIZIONE TECNICA DEL PROTOTIPO DI FRIZIONE Il prototipo di frizione realizzato dalla CGE si caratterizza dallo schema illustrato in Fig. 3 i cui componenti sono elencati in tab. 1. Figura 3. Schema della frizione realizzata Posizione Descrizione 1 Tamburo condotto 2 Collare di azionamento 3 Cuscinetto 4 Rondella 5 Tamburo motore 6 Tampone di attrito 7 Molla 8 Seeger 9 Seeger 10 Molla di ritorno 11 Rasamento 12 Seeger 13 Vite Tabella 1. Componenti del prototipo Un tamburo cilindrico è solidale ad un albero motore mentre un tamburo condotto coassiale di pari diametro è solidale all albero cui trasmettere il moto; una molla elicoidale a sezione quadra o rettangolare, il cui diametro è di poco superiore a quello dei due tamburi, avvolge i due cilindri. La molla è munita, ai due estremi, di due sporgenze, di cui una collegata al tamburo condotto e ad esso solidale, l altra ad un collare sulla cui sommità, coassialmente, è disposto un tampone di attrito di adeguato

4 M. Cutini, C. Bisaglia, G. Rebecchi, L. Feligioni materiale. Quando una delle forcelle di azionamento spinge il suddetto collare, provoca una rotazione dello stesso e della molla il cui capo è solidale, determinando, come conseguenza, che la molla si avvinghi sui due tamburi, li renda solidali e determini la trasmissione del moto tra tamburo motore e condotto. Non appena viene a mancare la forza di azionamento, la molla torna ad avere il diametro originale e la trasmissione del moto fra i due tamburi si interrompe. Uno dei prototipi di frizione sviluppati viene riportato, completo nei particolari, in esploso ed assemblata nelle Figg. 4 e 5. Figura 4. Esploso del prototipo Figura 5. Dimensioni contenute del prototipo 5 VERIFICHE SPERIMENTALI La fase di sperimentazione ha richiesto l allestimento di uno specifico banco di prova. Tale banco è composto fondamentalmente da: un motore elettrico simulante l alimentazione dell albero conduttore; un dispositivo automatico di azionamento elettropneumatico che ha la funzione di azionare il meccanismo d innesto della frizione; un circuito idraulico che simula l assorbimento di coppia, tarabile tramite valvola manuale, dell albero condotto. Il banco di prova realizzato è riportato in Fig. 6. Figura 6. Il banco prova frizioni realizzato nell arco della prima fase sperimentale La frizione è stata sottoposta a 500 cicli presso il banco fornito dalla CGE con un valore di coppia resistente impostato di circa 30 Nm (dichiarato) corrispondente ad una potenza di 9,6 kw a giri/min. Al termine del ciclo risultava ancora perfettamente

5 Sviluppo di una nuova modalità di innesco a frizione con molla elicoidale per motocoltivatori funzionante. Al fine di rilevare la trasmissibilità della frizione, dopo aver verificato l assenza di slittamento al termine dell innesto tra albero condotto e conduttore, sono stati rilevate le dinamiche d innesto in due condizioni di forza (3, 5 bar di pressione dell aria di azionamento della forchetta d innesto) in ingresso ed in otto condizioni di coppia resistente (0, 30, 60, 90, 120, 140, 160 e 180 bar del circuito idraulico mosso dalla pompa). Si riporta una sintesi dei risultati. Nella condizione con azionamento a 5 bar (nominali e simulanti la forza di azionamento della forchetta che innesta la frizione) e circuito idraulico impostato sui 30 bar (bassa richiesta di coppia resistente rispetto alle nominali di progetto), l innesco avviene in circa 0,16 s (intervallo di tempo in cui l albero condotto si porta al regime del conduttore di giri/min) e la trasmissione della coppia resistente massima avviene in 0,7 s. Con un carico impostato sui 120 bar, simile alle condizioni di progetto dichiarate, l innesco avviene in circa 0,20 s e la coppia massima impostata in 0,7 s. Con un carico resistente impostato sui 180 bar, elevata richiesta di coppia rispetto alle condizioni nominali di progetto, l innesco avviene in circa 0,18 s e la trasmissione di coppia massima richiesta in 0,7 s (Fig. 7). Figura 7. Rilievo effettuato con circuito idraulico resistente settato a 180 bar e pressione pneumatica di alimentazione della forchetta di azionamento a 5 bar. Simulando una forza di azionamento tramite i 3 bar nel circuito di azionamento, quindi inferiore alle nominali ma sufficiente ad innescare la frizione, con un carico reimpostato a 120 bar, simile alle condizioni nominali di progetto, l innesco avviene in circa 0,31 s e la trasmissione di coppia massima richiesta in 0,7 s. Nella condizione con azionamento a 3 bar, con un carico reimpostato a 180 bar, l innesco avviene in circa 0,2 s e la trasmissione di coppia richiesta in 0,6 s. Il tempo necessario per portare la pressione del circuito idraulico a regime non risulta dipendente dalla forza d innesco e dalla pressione impostata del circuito idraulico simulante la resistenza dell operatrice. Si notano invece differenze nei tempi impiegati dai due alberi a divenire solidali, leggermente maggiori con forza di azionamento più bassa. È stata effettuata anche una verifica termica del riscaldamento della frizione; nel corso delle prove, effettuate nel mese di ottobre 2010, si è rilevato che con innesti intervallati di 20 s la frizione si portava dai valori di temperatura ambiente (circa 15 C) a valori compresi tra i 90 ed i 100 C nell arco di 30 min per poi mantenersi stabile (Fig. 8). Vi è da sottolineare che un successivo sviluppo del prototipo ha adottato cuscinetti per il rotolamento e fori sui tamburi per curare l aspetto del raffreddamento. A completamento delle verifiche del presente progetto, è stato allestito una motozappatrice con la frizione sviluppata (Fig. 9). In verifiche operative l operatrice è risultata perfettamente funzionante presentando,

6 M. Cutini, C. Bisaglia, G. Rebecchi, L. Feligioni quindi, la frizione ad uno stadio di sviluppo molto avanzato. Figura 8. Verifiche termiche sulla frizione al banco Figura 9. Adozione della frizione su una motozappa di serie. In tale sede è stato verificato un altro degli obiettivi principali su cui era focalizzato il progetto e cioè di sviluppare un prodotto che rispondesse ai requisiti che i movimenti della macchina e l azionamento degli utensili dovessero essere possibili solo agendo su comandi ad azione sostenuta e quindi con una ridotta forza di azionamento da parte dell operatore. La verifica dello sforzo dell operatore sul comando ad azione mantenuta per l innesto della frizione è stata effettuata seguendo le modalità di rilievo descritte nella UNI EN 709/2010. Lo sforzo è risultato 16,7 N in linea con le richieste normative. 6 CONCLUSIONI Nell ambito del progetto Enama Macchine innovative 2009 la ditta CGE di Castiglione delle Stiviere ha progettato e realizzato un innesto a molla elicoidale con innesco a frizione di attrito l impostazione e conduzione della relativa parte sperimentale è stata affidata al Laboratorio CRA-ING di Treviglio. La funzionalità del prototipo è stata verificata tramite prove al banco, realizzato specificamente, e tramite verifiche funzionali su una motozappatrice di serie a cui la frizione è stata adottata senza modifiche costruttive del blocco di fusione in ghisa entro cui viene posizionata la frizione. La forza di azionamento del comando ad azione sostenuta associato al dispositivo è stato misurato ed è risultato rispettare i requisiti richiesti dalla normativa specifica sui motocoltivatori. Da un analisi delle potenzialità emerse dal progetto sviluppato appare interessante una sua estensione anche ad altre applicazioni funzionali delle frizioni nell ambito della meccanica agraria. BIBLIOGRAFIA T.U. sulla sicurezza sul lavoro. DLgs 9 aprile 2008, n. 81, Attuazione dell'articolo 1 della legge 3 agosto 2007, n. 123, in materia di tutela della salute e della sicurezza nei luoghi di lavoro. UNI EN ISO 12100:2010 Sicurezza del macchinario - Principi generali di progettazione - Valutazione del rischio e riduzione del rischio. UNI EN 709:2010 Macchine agricole e forestali - Motocoltivatori provvisti di coltivatori rotativi, motozappatrici, motozappatrici con ruota(e) motrice(i) Sicurezza.

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