Capitolo 1 – Introduzione
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Capitolo 1
Introduzione
La presente tesi nasce nell’ambito del lavoro di ricerca effettuato presso il laboratorio del Centro Ricerche sulle Trasmissioni Meccaniche a Tecnologia Avanzata (CRTM) del Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione (DIMNP) dell’Università di Pisa in collaborazione con AVIO Propulsione Aerospaziale S.p.A. L’esigenza di ottenere ingranaggi con elevate prestazioni e caratteristiche meccaniche da impiegare nel settore aeronautico, ha messo in evidenza la necessità di mezzi di progettazione sempre più evoluti ed efficaci. La continua ricerca di soluzioni ottimali abbinata al tentativo di ridurre pesi ed ingombri, aumentare le potenze trasmesse e le velocità operative, in particolare in un campo in cui le condizioni di impiego sono spesso estreme , causa l’insorgere di alcuni problemi, quali la fatica o l’usura.
La collaborazione tra AVIO e l’Università di Pisa ha portato alla realizzazione di un banco prova ad elevate prestazioni, presso il quale è in corso una campagna sperimentale per la caratterizzazione e l’ottimizzazione di ingranaggi cilindrici .In particolare sono state seguite prove di fatica superficiale o da “ pitting “, su ruote realizzate in acciaio AISI 9310, materiale comunemente impiegato nel settore aeronautico, e in Pyrowear® 53 (materiale innovativo la cui completa caratterizzazione è ancora in corso). Il lavoro svolto ha seguito quindi, per le necessità indicate, diversi aspetti inerenti la gestione delle prove prima e la raccolta e l’analisi dei risultati dopo. La struttura della tesi è suddivisa in due parti : la prima, teorica, che attraverso diverse metodologie di calcolo, confrontabili tra loro, fa una
Capitolo 1 – Introduzione
2 stima della previsione del danneggiamento da fatica superficiale da pitting. La seconda, sperimentale, che dalle prove eseguite sul banco prova mette in evidenza i risultati ottenuti, attraverso l'analisi con strumenti ottici quali il boroscopio, il microscopio, il rugosimetro ed infine il SEM. Scendendo nel dettaglio, viene presentata una panoramica dei vari tipi di danneggiamento degli ingranaggi, mettendo in evidenza il pitting che è il fenomeno oggetto di studio, le cause e i parametri di progetto che influenzano maggiormente gli ingranaggi in relazione a suddetto fenomeno. In seguito viene analizzata la meccanica del contatto tra due corpi solidi, passando attraverso i modelli hertziani e non, introducendo inoltre l’influenza che ha la rugosità sull’andamento delle pressioni. A tale proposito vengono descritti modelli che tengono conto di tale effetto, come ad esempio quello di Greenwood e Williamson ed i relativi ampliamenti che sono stati fatti successivamente. Una parte necessaria è poi occupata dalla lubrificazione, in particolare quella elastoidrodinamica, della quale si descrivono alcuni modelli analitici. Successivamente vengono confrontati vari criteri numerici per la previsione del danneggiamento da pitting; si confrontano le normative AGMA ed ISO, si descrivono alcuni modelli relativi alla meccanica della frattura, ed infine si riporta un metodo semplificato per quanto riguarda la previsione del micropitting. La sezione teorica viene conclusa, presentando una modellazione agli elementi finiti delle ruote campione in ambiente di programmazione Helical 3D, dove grazie ad una migliore riproduzione della geometria degli ingranaggi viene effettuata stima più realistica delle pressioni di contatto tra dente e dente, rispetto a quella ottenuta con le normative. Passando alla sezione sperimentale, si descrive il sistema a disposizione per lo svolgersi delle prove, ossia il banco prova ingranaggi, mettendo in luce le varie condizioni di prova e le caratteristiche delle ruote test. In seguito si riportano i risultati sperimentali, ossia foto effettuate con il boroscopio, immagini acquisite con la telecamera e attraverso il microscopio, rilievi rugosimetrici e relative analisi, ed infine immagini ottenute tramite microscopio elettronico SEM, che offre una più accurata analisi degli strumenti descritti in precedenza. Per concludere si effettua un confronto tra i risultati ricavati tramite i modelli teorici e ciò che si è ottenuto mediante il sistema di sperimentazione, traendo conclusioni in proposito.
