3 CAPITOLO 3 SISTEMA DI SPERIMENTAZIONE E DENTATURE PROVATE

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3

CAPITOLO 3

SISTEMA DI

SPERIMENTAZIONE E

DENTATURE PROVATE

3.1

Introduzione

Nel presente capitolo verrà descritto il sistema di sperimentazione completo (Figura 3—1) in funzione presso il Centro Ricerche sulle Trasmissioni Meccaniche a Tecnologia Avanzata (CRTM) del Dipartimento di Ingegneria Meccanica Nucleare e della Produzione dell’Università di Pisa, ed attualmente in uso per lo svolgimento di prove in collaborazione con AVIO s.p.a. per la caratterizzazione della resistenza di ingranaggi utilizzati in applicazioni motoristiche in campo aeronautico ed aerospaziale.

L’attrezzatura sperimentale è costituita dai seguenti sottosistemi:

• Banco prova ingranaggi;

• Impianti e quadri di comando;

27 Impianto di lubrificazione Banco prova cuscinetti Carichi di prova Azionamenti elettrici

Controllo prova & Acquisizione dati

Banco prova ingranaggi Strumenti di misura Strumenti di misura

Figura 3—1 : Schema funzionale degli impianti del CRTM

Verranno inoltre descritte le ruote dentate campione, “Test Articles” (Figura 3—2), di opportuna geometria e realizzate con materiali innovativi, che sono state utilizzate nelle prove condotte riproducendo le condizioni di funzionamento di una gearbox di un motore aeronautico.

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3.2

Banco prova ingranaggi RENK

Il banco ingranaggi Renk a disposizione presso il CRTM (Figura 3—3) è un banco a ricircolo di potenza dalle prestazioni elevate riportate nella seguente tabella

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Caratteristiche Prestazioni Unità di

misura

Rendimento meccanico ~95 %

Rapporto di riduzione 1:1

Interasse tra le ruote in prova 140 mm

Velocità periferica massima 135 m/s

Velocità periferica minima 40 m/s

Forza massima su denti in prova ~7000 N

Coppia massima ruote in prova 500 N·m

Coppia alla minima velocità ruote in prova 200 N·m

Tipo di lubrificazione

A getto dedicato “into mesh” o “out

of mesh”

Olio

MIL-L-23699 (tipo II)

Temperatura massima olio ausiliari 60 °C

Temperatura massima olio ruote prova 180 °C

Temperatura minima olio ruote prova 40 °C

Classe di precisione delle dentature del banco 12 Indice

AGMA

Vita operativa servizio continuo Minimo di 10000 ore

Vita operativa transitori _{Minimo di 10000}

cicli

Vita operativa ruote di azionamento Vita infinita Tabella 3—1 : Prestazioni del banco prova ingranaggi

30 L’attrezzatura di prova è costituita fondamentalmente da una catena cinematica chiusa come mostrato in Figura 3—4:

Figura 3—4: Layout generale del banco prova ingranaggi

Quest’ultima si può scomporre in tre parti principali: una sezione di attuazione del carico e della velocità, la sezione dei meccanismi del banco (moltiplicatore o “slave gearbox”) (Figura 3—5); infine la scatola dove sono alloggiati gli ingranaggi campione “ test gearbox”, come mostrato in Figura 3—6.

Figura 3—5 : Ingranaggi zona slave Albero di carico Sezione azionamento moto

e carico

Sezione moltiplicatore o slave gbx Sezione test

test articles gbx

Albero di carico Albero di carico Sezione azionamento moto

e carico

Sezione moltiplicatore o slave gbx Sezione test

test articles gbx

Motore AC Servoattuatore eletromeccanico

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Figura 3—6 : Scatola alloggiamento “Test Articles”

Il collegamento tra il moltiplicatore di banco e la scatola contenente i “test articles” è realizzato tramite degli alberi di connessione(Figura 3—7), con giunti a lamelle che consentono di compensare gli spostamenti angolari, radiali e assiali che possono verificarsi durante tutto il corso del funzionamento.

Figura 3—7 : Alberi di connessione

Ad uno degli alberi di connessione è stato integrato un albero torsiometrico (Figura 3—8), che consente di rilevare in telemetria, le coppie statiche e dinamiche in prossimità dell’albero rotante. Il sistema di attuazione della velocità è costituito da un motore AC

asincrono, azionato da un inverter vettoriale ad orientamento di campo (Figura 3—9), che

consente di trasmettere il moto al moltiplicatore di banco attraverso un giunto cardanico (Figura 3—10), dotato di un compensatore di lunghezza.

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Figura 3—8 : Albero torsiometrico Figura 3—9 : Inverter vettoriale ad

orientamento di campo

Il sistema di attuazione della velocità è costituito da un motore AC asincrono, azionato da un

inverter vettoriale ad orientamento di campo (Figura 3—9), che consente di trasmettere il

moto al moltiplicatore di banco attraverso un giunto cardanico (Figura 3—10), dotato di un

compensatore di lunghezza.

Figura 3—10 : Albero cardanico

Da notare, sempre in Figura 3—10, la presenza di una rondella elastica integrata all’albero, che consente di assorbire le vibrazioni prodotte dal motore, impedendone così la trasmissione alla sezione slave gearbox ed alla scatola di alloggiamento degli ingranaggi test. I carichi,necessari per la sollecitazione richiesta dalle ruote campione, vengono applicati tramite l’unità di attuazione elettromeccanica.

33 un servomotore AC, mostrato in Figura 3—11, regolato a sua volta da un servoamplificatore (Figura 3—12); tutto questo viene realizzato attraverso lo spostamento degli ingranaggi a dentatura elicoidale presenti nello “slave gearbox” .

Figura 3—11 : Servoattuatore elettromeccanico

Figura 3—12 : Servoamplificatore

Infine prendendo in considerazione i cuscinetti degli ingranaggi del banco (slave), sono a rulli più reggispinta a sfere, di durata relativamente elevata rispetto a quella delle prove, mentre le ruote campione sono montate su cuscinetti a rulli, come nella maggior parte degli attuali riduttori aeronautici.

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3.2.1

Dispositivi per il monitoraggio del banco

I dispositivi di monitoraggio del banco vengono elencati di seguito:

• Un pressostato che misura la pressione dell’olio d’alimentazione dei cuscinetti della zona test

• Un pressostato cui è demandata la misurazione della pressione dell’olio d’alimentazione degli ingranaggi campione

• Un pressostato per la misurazione della pressione dell’olio di alimentazione della sezione dei meccanismi di banco “slave gearbox”.

• Un interruttore di livello ed un termostato per il monitoraggio del livello e della temperatura dell’olio contenuto nel serbatoio.

• Un flussometro per il controllo della portata d’olio d’alimentazione dei “test articles”

• Un torsiometro per la misurazione del valore di coppia torcente applicata dal

servoattuatore agli ingranaggi in prova.

Due termocoppie per la misura della temperatura d’ingresso e d’uscita dell’olio

d’alimentazione degli ingranaggi campione.

• Una termocoppia per la misurazione della temperatura dell’olio d’alimentazione della

sezione “slave”.

• Una termocoppia per il controllo della temperatura della scatola contenente il

torsiometro

• Una termocoppia per il controllo della temperatura del motore.

• Sedici termocoppie per il monitoraggio delle temperature sui cuscinetti del banco

• Un encoder per il conteggio dei cicli compiuti dalle ruote campione.

• Quattro accelerometri monassiali, ad alta frequenza, collocati in corrispondenza dei

cuscinetti della sezione test

• Un accelerometro triassiale nella sezione slave, (ingresso albero motore nella “slave

gearbox”)

• Un accelerometro mobile.

• Un microfono mobile.

• Due pick-up posizionati nella zona slave lato motore in corrispondenza dei cuscinetti

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3.3

Impianto di lubrificazione

L’impianti oleodinamico dell’intero sistema di prova deve provvedere all’alimentazione di due impianti lubrificanti indipendenti, ossia quello relativo agli ingranaggi campione “ test articles “, e quello della sezione “ slave “ del banco di prova; il lubrificante utilizzato ha la sigla MIL-L-23699. Le proprietà ditale lubrificante sono riportate nella relazione del DIMNP RL 848(2000).

In Figura 3—13 e Figura 3—14sono riportati i grafici relativi rispettivamente a viscosità dinamica e piezoviscosità in funzione della temperatura

3.3.1

Specifiche impianto di lubrificazione “test articles”

L’impianto oleodinamico ,durante la prova , è in grado di variare la portata tra 0 e 18 l/min, mentre la temperatura dell’olio varia tra 20 e 180 °C.

I principali componenti dell’impianto sono:

• Due filtri dell’olio di capacità filtrante iniziale di 3 ÷ 5 µm.

• By-pass e allarme automatico sul pannello di controllo.

• Un “chip detector” magnetico, con allarme automatico sul pannello di controllo, posto sul circuito di recupero dell’olio.

• Un sistema di termoregolazione dell’olio lubrificante.

• Trasduttori di pressione e temperatura sulla tubazione di mandata e di ritorno collegati con il pannello di controllo e con il sistema di controllo e acquisizione del PC.

• Il valore della portata di alimentazione può variare fra 0 e 18 l/min, con relativi valori di pressione fino a 16 bar.

• Due flussometri, uno per le basse portate (0,453 ÷ 4,99 l/min) ed uno per le alte portate (2,2 ÷ 20 l/min).

• Ugelli d’iniezione olio: diametro 1,5 mm posti sia sopra sia sotto la zona di ingranamento alla distanza di 45 mm dal pitch point e posizionati in corrispondenza del centro fascia del dente;

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Figura 3—13 : Andamento della viscosità dinamica in funzione della temperatura

Figura 3—14 : Andamento della piezoviscosità in funzione della temperatura

3.3.2

Specifiche impianto di lubrificazione “slave”

L’impianto oleodinamico degli ausiliari può far variare la portata tra 0 e 120 l/min, la temperatura dell’olio ha un range di 20-60°C e la pressione massima ottenibile è di 3 bar. L’impianto è diviso in due rami: uno che porta l’olio sugli ingranaggi della sezione “slave” e l’altro di ritorno al serbatoio del banco.

Si divide nei seguenti componenti:

• Due filtri dell’olio di capacità filtrante iniziale di 5 µm.

• Una pompa di mandata capace di una portata di 100 l/min.

• Uno scambiatore di calore per la regolazione della temperatura dell’olio in ingresso agli ingranaggi del moltiplicatore di banco.

• Una valvola di regolazione della portata

• Trasduttori di pressione e temperatura sulla tubazione del circuito collegati con il pannello di controllo e con il sistema di controllo e acquisizione del PC.

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Temperatura [°C] V is c o s ità D in a m ic a [ P a *s ] 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Temperatura [°C] P ie z o v is c o s ità [ 1 0 ^-8 *P a ^-1 ]

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3.4

Sistema di controllo e acquisizione dati

Il controllo del Banco Prova Ingranaggi viene gestito tramite PC, grazie al sistema di controllo realizzato in ambiente di programmazione Labview® , che permette di acquisire:

• temperature dei cuscinetti e della sala prova;

• pressioni, temperature e portate dell’olio in diversi punti dei due circuiti di alimentazione; corrente e velocità di rotazione del motore elettrico;

• valore di coppia, letta dal torsiometro presente sul Banco, e alcuni segnali digitali di allarme.

Figura 3—15: Posizione delle termocoppie sul banco di prova

Inoltre permette di eseguire rampe di carico e di velocità in modalità automatica o impostando le modifiche desiderate in ogni momento della prova da PC, agendo sul motore elettrico e sul servo-attuatore.

Tutti i valori sono monitorabili sul pannello di controllo rappresentato in Figura 3—16 e vengono registrati su file.

Oil out TA T11 T12 T9 T10 T16 T15 T17 T1 T2 T3 _T4 T7 T6 T8 T5 T14 T13 T T19 T18 Oil in SLAVE T T11 T12 T9 T10 T16 T15 T17 T1 T2 T3 _T4 T7 T6 T8 T5 T14 T13 T T19 T18 Oil in SLAVE T

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Figura 3—16 :Pannello frontale per il controllo del banco prova ingranaggi

Il sistema è retro-azionato e permette di impostare un valore di coppia desiderata e di mantenere la coppia nell’intorno del valore desiderato con uno scostamento non superiore al 2% del valore previsto.

I transitori di carico e di velocità sono di regola realizzati automaticamente e l’operatore ha prevalentemente il compito di supervisionare l’esecuzione della prova stessa.

I dati acquisiti e salvati nelle diverse prove sostenute durante l’attività sperimentale sono archiviati e disponibili presso il CRTM.

3.5

Monitoraggio e diagnostica delle vibrazioni e del

rumore

Durante lo svolgimento delle prove, allo scopo di rilevare il manifestarsi di rotture o di deterioramento superficiale e per monitorare la salute del banco stesso, si effettua la registrazione delle vibrazioni. Esse vengono rilevate grazie ad un opportuno

39 posizionamento di accelerometri sul banco. Vi sono quattro accelerometri monassiali collocati in corrispondenza di opposti cuscinetti della sezione test, un accelerometro triassiale posizionato nella zona slave, ingresso albero motore (Figura 3—17), un accelerometro mobile, due pick-up montati nella zona slave in corrispondenza degli alberi veloci, un microfono mobile; inoltre sono rilevati il segnale del torsiometro e la velocità angolare.

Figura 3—17 : Posizionamento accelerometri sul banco ingranaggi.

I segnali analogici vengono digitalizzati da una scheda di acquisizione a 16 canali, e gestiti successivamente sul PC da un programma in ambiente MatlabTM_{che controlla l’apertura dei}

canali da acquisire, la frequenza di campionamento e la durata dell’acquisizione, la memorizzazione su disco e la visualizzazione in tempo reale delle grandezze di interesse Lo scopo tale acquisizione è quello di rilevare eventuali sintomi di una incipiente rottura della ruota per fenomeni di fatica prima che la rottura avvenga.

Il programma prevede registrazioni di due tipi di file: uno con durata di 1 minuto, che resta in archivio, e l’altro di 10 minuti che invece viene cancellato (sovrascritto) dopo mezz’ora. In questo modo è possibile caratterizzare il comportamento del sistema su lunghe durate ed avere a disposizione un numero maggiore di dati di prova relativi ad un eventuale anomalia che porta all’arresto del banco durante una prova.

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3.6

Ruote dentate campione

Le ruote dentate campione sono state realizzate con due acciai da cementazione differenti che, per motivi di riservatezza, sono qui indicati come “materiale 88” e “materiale 89”ed estesamente controllate da AVIO.

Nell’ambito delle campagne di prove analizzate in questa tesi, sono state utilizzate ruote campione con diverse combinazioni di materiali geometrie e finiture superficiali, nella seguente tabella è riportato un quadro sintetico delle ruote campione usate e, nei seguenti paragrafi vengono descritte più dettagliatamente queste caratteristiche.

PROVE

PITTING MATERIALE BOMBATURA

FINITURA SUPERFICIALE ΙΙΙΙ , ΙΙΙΙΙΙΙΙ 89 20 µµµµm As ground ΙΙΙΙΙΙΙΙΙΙΙΙ , ΙΙΙΙV 88 20 µµµµm As ground V , VΙΙΙΙ 89 40 µµµµm As ground VΙΙΙΙΙΙΙΙ , VΙΙΙΙΙΙΙΙΙΙΙΙ 88 40 µµµµm As ground ΙΙΙΙX 88 40 µµµµm REM X 88 40 µµµµm REM XΙΙΙΙ 88 40 µµµµm REM PROVE

OIL OFF MATERIALE BOMBATURA

FINITURA SUPERFICIALE

ΙΙΙΙ 89 40 µµµµm As ground

ΙΙΙΙΙΙΙΙ ·· VΙΙΙΙΙΙΙΙ 89 40 µµµµm REM

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3.6.1

Materiali

Le ruote dentate campione sono costruite con due acciai da cementazione, trattati superficialmente, i due materiali sono stati denominati convenzionalmente “materiale 88” e “materiale 89”.

A titolo di confronto si riportano di seguito alcune informazioni, presenti sulla letteratura tecnica di generale consultazione, circa le proprietà meccaniche degli acciai da cementazione Pyrowear53 e AISI 9310.

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Allvac

9310 UNS G93106

Proprietà Fisiche Unità di

misura Valore

Densità g/cc 7.86

Proprietà Meccaniche - -

Durezza al core, Rockwell C - 27

Durezza al case, Rockwell C - n.d.

Tensione di rottura MPa 907

Tensione di snervamento MPa 571

Allungamento a rottura % 19 Riduzione dell’area % 58 Trattamento Termico - - Pseudo-cementazione °C n.d. Indurimento in olio °C n.d. Raffreddamento °C n.d. Tempera °C n.d. Profondità efficace mm 0.25 ÷ 0.6 Trattamenti Meccanici - -

Rettifica con mole CBN - -

Tensione residua superficiale (fianco) MPa -600 ÷ -800

Tensione residua superficiale (radice) MPa ~ -350

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Pyrowear

Alloy 53 Tool steel

Componente % Peso C 0.1 Cr 1 Cu 2 Fe 89.5 ÷ 90 Mn 0.35 Mo 3.25 Ni 2 Si 1 V 0.1

Proprietà Fisiche Unità di

misura Valore

Densità g/cc 7.8

Proprietà Meccaniche - -

Durezza al core, Rockwell C - 36

Durezza al case, Rockwell C - 58

Tensione di rottura MPa 1172 ÷ 1331

Tensione di snervamento MPa 896 ÷ 1103

Allungamento a rottura % 12 ÷ 18

Riduzione dell’area % 46 ÷ 66.5

Trattamento Termico - -

Pseudo-cementazione (7 ore) °C 927

Indurimento in olio (25 minuti) °C 913

Raffreddamento (30 minuti) °C -73

Tempera (2 ore + 2 ore) °C 204

Profondità efficace mm 0.25 ÷ 0.6

Trattamenti Meccanici - -

Rettifica con mole CBN - -

Tensione residua superficiale (fianco) MPa -750 ÷ -1000

Tensione residua superficiale (radice) MPa ~ -150

44 Hot Hardness

Hot Hardness tests were conducted on the casa and core of Pyowear alloy 53. The test samples were prepared as follows: Carburized (7 °F (-14 °C) dew point) or pseudocarburized (in inert atmosphere) 1700 °F (927 °C), 7 hours, Hardened 1675 °F (913 °C), 25 minutes, oil quench. Refrigerated –100 °F (-73 °C), ½ hour. Tempered 400 °F (204 °C), 2 hours + 2 hours.

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3.6.2

Geometria

Le ruote campione utilizzate sono le medesime utilizzate nella precedente campagna di prove a bending,esse sono state però rilavorate per ottenere la bombatura circolare di 20

µm e 40 µm sugli 11mm di larghezza di fascia necessaria per gli obbiettivi, già esposti, della campagna a pitting.

Si sono utilizzate dentature con 80 denti ad evolvente, aventi modulo 1,75 mm, con angolo di pressione 22°½. La dentatura è molto precisa, corrispondente alla qualità AGMA Q ≈ 12. La dentatura è caratterizzata da un ampio raccordo di piede (full fillet) ed il profilo dei fianchi è modificato sia per quanto riguarda lo smusso di testa (si è usata sia una spoglia lineare che una spoglia ad andamento parabolico) sia per la presenza o meno della bombatura.

Nella Tabella 3—6 sono riportate le caratteristiche geometriche degli ingranaggi utilizzati; nella Tabella 3—7 e nelle Figure Figura 3—18 e Figura 3—19 sono riportate le relative tolleranze MODULO 1,75 mm ANGOLO DI PRESSIONE 22°30’ DIAMETRO PRIMITIVO 140,000 mm DIAMETRO DI BASE 129,34313 mm DIAMETRO ESTERNO 143,1 ÷ 143,2 mm

DIAMETRO INIZIO EVOLVENTE 135,880 mm

DIAMETRO INTERNO 135,299 ÷ 135,43 mm

SPESSORE DENTE 2,500 ÷ 2,554 mm

QUOTA SU DUE RULLINI 145,341 ÷ 145,462 mm (*)

(*) Nota: la quota rulli è cambiata in seguito alle lavorazioni di bombatura DIAMETRO RULLINO 3,5 mm

LARGHEZZA DI FASCIA 11 mm

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Tabella 3—6 : Caratteristiche geometriche ingranaggio Z80

MAX ERRORE DI DIVISIONE TRA DENTI 0,005 mm

MAX ERRORE DI DIVISIONE FUNZIONALE 0,024 mm

MAX ERRORE INCLINAZIONE DENTI 0,005 mm

MAX DIFFERENZA INCLINAZIONE TRA DENTE E DENTE 0,005 mm

RAGGIO O SMUSSO CON SPIGOLI ARROTONDATI 0,05 ÷ 0,15 mm

Tabella 3—7 : Tolleranze riferite alle ruote utilizzate per prove di bending (PN 70/19288” e “PN 70/19289) e successivamente rilavorate

Figura 3—18 : Tolleranze sul profilo e modifiche specificate rispetto alla forma ad evolvente per le ruote con bombatura 20 µµµµm

Figura 3—19 : Tolleranze sul profilo e modifiche specificate rispetto alla forma ad evolvente per le ruote con bombatura 40 µµµµm

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3.6.3

Finitura superficiale

Per quanto riguarda la finitura superficiale le ruote campione sono di due tipi :

• As ground;

• Superfinitura isotropica REM

La finitura “As ground“ è una classica finitura di rettifica effettuata con mole di forma; Il processo di finitura REM [ ] è un processo fisico-chimico di vibrofinitura superficiale accelerata chimicamente che utilizza media ceramici ad alta densità non abrasivi o media plastici. Il processo è prodotto in impianti di rifinitura a vibrazione.

Un elemento chimico attivo viene utilizzato con media di rifinitura nella macchina a vibrazione. Quando tale elemento viene introdotto all’interno della macchina, produce una stabile e morbido rivestimento sulla superficie della parte metallica che viene trattata. Il movimento di sfregamento sulle parti sviluppato dalla macchina a dai media rimuove efficacemente i “picchi” presenti sulla superficie, ma non rimuove il rivestimento presente nelle “valli”. Il rivestimento viene formato e rimosso continuamente durante questa fase, producendo una processo di asportazione regolare sulla superficie. Questo processo va avanti fino a che non ci sono più asperità sulla superficie. A questo punto, l’elemento chimico viene eliminato dalla macchina con un sapone neutro. Il rivestimento viene sfregato via dalle parti in modo da produrre una superficie ancora più rifinita. In questa fase finale, chiamata comunemente brunitura, nessuna parte metallica viene rimossa. Nella figura seguente si può vedere come esempio la superficie vista al SEM di un materiale trattato con la finitura REM

Figura 3—20 Immagini al SEM sulla superficie superfinita , con media ceramici (a sinistra) e con media plastici (a destra)

Si rimanda al paragrafo 6.2 del capitolo 6 per una descrizione dello stato iniziale delle superfici, della microstruttura, del profilo di microdurezza e delle tensioni residue.