Capitolo 7 – Progetto delle prove
7.1 Definizione delle ruote campione (Test Articles)
Gli ingranaggi che vengono testati nell’impianto modificato sono una coppia di ruote coniche a spirale ingrananti tra loro con assi intersecantesi a 90°.
La tipologia è quella che caratterizza l’impiego aeronautico, di conseguenza i materiali utilizzati hanno caratteristiche ben determinate. Secondo quanto indicato da [3] si consiglia una durezza superficiale del materiale compresa tra 59 e 64 secondo l’indice Rockwell C; la ricerca effettuata si è limitata al campo degli acciai ed è stato scelto un AISI 8620 che tramite un ripetuto processo di tempra porta ad avere un valore di 64 con una profondità di trattamento di 1.8 mm.
Altre qualità del materiale sono: il modulo elastico di 205 Gpa, il carico di rottura di 917 MPa, il carico di snervamento di 572 MPa (simile a quello del materiale delle ruote cilindriche fornite da Avio, Allvac 9310) e una densità di 7.85 g/cc . Le altre caratteristiche e proprietà del materiale sono presenti nell’Appendice B.
Definito il materiale la geometria è caratterizzata dalle interfacce geometriche della modifica, cioè il limite di 140 mm è imposto dall’interasse; in realtà l’ingombro trasversale degli ingranaggi (outside diameter) non potrà essere massimo perché si tiene conto dell’elasticità del materiale degli alberi e ruote, e di eventuali disassamenti oltre che della presenza di detriti che in spazi limitati causerebbero interazioni tra gli ingranaggi posti sugli alberi paralleli. Da questi vincoli e considerando le indicazioni delle figure 8 e 9 di [1] è stato scelto il valore di 117 mm per il pitch diameter a cui corrisponde un ingombro di 123 mm (Fig. 7.1).
Le caratteristiche relative alla spirale e alla geometria specifica delle ruote coniche sono state scelte orientandosi sugli interessi applicativi di Avio che utilizza ingranaggi con 20° come angolo di pressione e 35° di spirale. Lo stesso criterio, unitamente alle indicazioni Gleason su pitting (fattore dinamico) ha portato a definire la classe di lavorazione: AGMA11.
La similitudine con ingranaggi equivalenti ha definito la larghezza del fianco del dente, face width, in 32 mm.
Piccoli scostamenti dei valori non in specifica sono stati effettuati per ottimizzare i risultati delle prove da effettuare su questi ingranaggi.
I fori per gli alloggiamenti delle viti sono 10 in quanto sono il numero massimo di viti possibile relativamente all’ingombro su una ruota del diametro fissato secondo le considerazioni appena fatte, questo per ottenere la massima coppia trasferibile possibile; tutti i fori sono effettuati a 36° l’uno dall’altro eccetto uno che con il foro precedente ha un angolo di 37° e con il successivo 35°, questo perché sia univoco il montaggio della ruota sull’albero.
Fig. 7.1
7.2 Conduzione delle prove
7.2.1 – Procedure usate con ruote cilindriche
Per permettere l’esecuzione delle prove sono necessarie una serie di procedure che elenchino le operazioni da fare:
a. montaggio e smontaggio test articles; b. ispezione dentature in prova;
c. modalità di esecuzione delle prove.
Relativamente al montaggio e allo smontaggio esistono procedure codificate che permettono il posizionamento univoco di ruote e alberi sulla macchina.
Durante le prove può essere necessario, secondo specifiche, o per esigenze di sicurezza e interventi sull’impianto, ispezionare le dentature: ispezione visiva tramite il coperchietto superiore; ispezione visiva ed eventuali controlli chimici / meccanici mediante l’uso di apparecchiature che necessitano dello smontaggio degli alberi dal banco.
Le modalità di esecuzione delle prove comprendono tutte le operazioni che portano all’attivazione del banco e degli impianti ausiliari per far ruotare i test articles a velocità e momento flettente di prova, nonché all’inizio della monitorizzazione da parte dei sistemi diagnostici
I comandi eseguiti tramite un’interfaccia PC grafica sono registrati in un log book archiviato secondo data, test articles e tipo di prova.
Fino ad oggi sono state provate ruote cilindriche costruite in materiali e trattamenti superficiali differenti, mentre la tipologia operativa era volta a verificare la resistenza a flessione; la durata delle prove è stata di 10 milioni di cicli con coppia di 500 Nm e 9000 giri al minuto degli alberi test e una temperatura di 100° dell’olio in ingresso ai test articles. Attività di ispezione , replica della superficie e rugosimetria sono svolte all’inizio e alla fine di ogni sessione test.
7.2.2 – Specifica prove
Le procedure operative lato comando da applicare nel caso di ingranaggi conici montati sulla modifica del banco Renk sono le stesse del caso originario, le uniche differenze consistono nei valori di velocità, carico e temperatura del lubrificante che vanno a condizionare la prova. I procedimenti usati nel calcolo utilizzato per caratterizzare le prove a bending e pitting sono presenti nell’Appendice B; vediamo in sintesi i risultati:
bending
La progettazione delle prove a flessione consiste nel ricercare le condizioni che portano a rottura uno o più denti , da cui la prova sperimentale può essere impostata per verificare la bontà dello studio teorico, quindi assumendo valori caratteristici più bassi si verifica la resistenza dell’ingranaggio.
Le condizioni di rottura a flessione per le ruote sopra definite consistono in:
coppia : 450 Nm;
Velocità di rotazione : 9000 giri al minuto;
Temperatura lubrificante in ingresso alle ruote : 100° C; Durata : si stima in 10 milioni di cicli;
di conseguenza si ritiene che un 10% di riduzione della coppia permette il non verificarsi della rottura , facendo calare il valore della tensione al 92% del valore della tensione di rottura.
Pitting
L’usura superficiale ed in particolare il fenomeno del pitting viene stimato dalle condizioni suggerite dalla metodologia Gleason [7], al contrario del caso della flessione si può creare le condizioni per il verificarsi del fenomeno.
È da far notare che il pitting è un fenomeno che può essere facilmente individuato prima di portare ad effetti gravi, cosa che non avviene con le rotture a flessione i cui detriti sono molto grossi e possono provocare danni che pregiudicano il funzionamento della macchina.
Le condizioni per il verificarsi del pitting sono date da :
coppia : 338 Nm;
Velocità di rotazione : 9000 giri al minuto;
Temperatura lubrificante in ingresso alle ruote : 110° C; Durata : si stima in 30 milioni di cicli;
con queste specifiche di prova vengono superati i valori di controllo dati da Gleason del 2 % per cui ci si aspetta che entro fine prova venga evidenziato il danneggiamento.Si consiglia, seguendo la metodologia applicata al Glenn research center, di effettuare ispezioni visive della dentatura durante la prova effettuando interruzioni ogni circa 3-5 milioni di cicli.
Nel progetto delle prove si è tenuto conto della maggiore necessità di potenza che il maggior numero di cuscinetti e il minor rendimento meccanico degli ingranaggi conici comporta; si potrebbe arrivare al caso in cui la potenza fornita dal motore elettrico non sia sufficiente a raggiungere il valore di coppia necessario, ma come vedremo non siamo in tali condizioni. Alcune considerazioni effettuate sulle perdite degli ingranaggi conici e i dati forniti dal sito della FAG hanno permesso di stimare la potenza necessaria in più rispetto al caso di ruote cilindriche in 3664 W corrispondente allo 0.4% della potenza circolante (6% della potenza del motore). Questo fa si che alla velocità di 18000 giri al minuto la coppia massima raggiungibile sia di 498 Nm contro i 500 Nm originari.
Condizioni più critiche si hanno quando i carichi di snervamento del materiale salgono e di conseguenza le coppie necessarie a rottura per flessione.
Questi limiti sono dovuti maggiormente alle caratteristiche del banco prova che alla modifica del banco stesso.
7.2.3 – Procedure di montaggio
L’installazione della modifica del banco Renk deve avvenire precedentemente al montaggio degli alberi su cui sono alloggiate le ruote test; la conoscenza della coppia ingranante che verrà montata permette il montaggio di spessori calibrati per avere il moto corretto, errori di taglio potrebbero far lavorare l’ingranaggio in maniera diversa da quello ideale.
Per il corretto ingranamento uno scostamento lungo l’asse del pignone (standard Gleason spostamento P – vedi capitolo 4) viene effettuato introducendo uno spessore di dimensione specificata dalla ditta costruttrice tra bussola trasversale e scatola .
Lo spostamento dell’asse del pignone lungo l’asse della ruota (standard Gleason spostamento G) è ottenuto tramite l’introduzione di spessori fra scatola e bussola paralleli .
Viene di seguito dato uno schema passo-passo per montare ruote e alberi sul banco avendo gli alberi montati sui cuscinetti e sulle bussole:
1. avviare ciascun T.A. sul rispettivo albero
2. inserire gli alberi paralleli negli scanalati e relativa bussola con eventuale spessore 3. avvitare le bussole
4. inserire l’albero sinistro nel foro laterale sinistro della scatola 5. avvitare la bussola paralleli sinistra
6. inserire il manicotto nello scanalato dell’albero paralleli
7. inserire la bussola paralleli destra nel foro laterale della scatola e lo scanalato del relativo albero nel manicotto
