Capitolo 6 – Progetto di un banco per prove su
ruote coniche
La progettazione dell’impianto parte dall’esperienza acquisita sul banco Renk presente presso il laboratorio Scalbatraio, esso prova ruote cilindriche con il principio di ricircolo di potenza e viene modificato nella sezione test senza apportare variazioni strutturali alla macchina.
6.1 Descrizione impianto Laboratorio Scalbatraio
Il banco ingranaggi presente presso il laboratorio del CRTM è un impianto a ricircolo di potenza (fig. 6.1), è costituito da una parte test in cui vengono provati ingranaggi cilindrici e da una parte slave che origina il moto e applica il carico. Questa è composta da ingranaggi che hanno lo scopo di moltiplicazione, trasferendo il moto dal motore elettrico alla catena di ingranaggi formata da due coppie di ruote elicoidali, una lenta e una veloce. Il momento torcente è generato dallo scorrimento assiale di una delle due slave lente tramite l’azione di un martinetto azionato da un servomotore controllato elettricamente.
La potenza circolante che si scambiano le ruote test è data dalla velocità angolare per la coppia applicata, di questa solo il 5%-6% è fornita dal motore elettrico.
I supporti degli ingranaggi sono cuscinetti a rulli più reggispinta a sfere, di durata più un ordine rispetto al numero di cicli di una prova. Le ruote campione sono sostenute da cuscinetti a rulli, come generalmente avviene nei riduttori aeronautici attuali.
L’impianto di lubrificazione è diviso in due rami indipendenti: uno che alimenta le ruote slave e i cuscinetti formato da una mandata e un ritorno in un serbatoio, e uno per le ruote test il quale a sua volta è costituito da tre rami : mandata, ritorno e ricircolo (per mantenere costante la temperatura sui test articles).
La gestione delle potenze e alimentazioni elettriche è affidata all’impianto elettrico distribuita tramite una cabina elettrica e un quadro elettrico di comando.
Il locale in cui è sita la macchina è dotato di un impianto di aspirazione per i fumi e i vapori prodotti dal banco in prova.
Il controllo del macchinario è affidato a un personal computer per quanto riguarda i comandi di azionamento tramite l’ambiente Labview e un software appositamente configurato, e ad un secondo PC per la diagnostica che in ambiente Matlab elabora in tempo reale i segnali ricevuti dalle termocoppie e dagli accelerometri.
6.1.1 Dati banco Renk
Di seguito verranno sinteticamente descritti i dati geometrici e le prestazioni del banco.
Caratteristiche Prestazioni
Rendimento meccanico ~95 %
Rapporto di riduzione 1:1
Interasse tra le ruote in prova 140 mm
Velocità periferica massima 135 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 minima olio ruote prova 40 °C
Classe di precisione delle dentature del banco 12 secondo AGMA Vita operativa servizio continuo
Vita operativa transitori
Vita operativa ruote di azionamento
Minimo di 10000 ore Minimo di 10000 cicli Vita infinita
Tabella 6.1
6.1.1 Caratteristiche delle prove ad oggi effettuate
La campagna di prove appena terminata consisteva nel testare ingranaggi a bending, le caratteristiche di tale sperimentazione consistono nell’applicare una coppia di 500 Nm alla velocità di 9000 giri al minuto per una durata complessiva di dieci milioni di cicli, la temperatura del lubrificante in ingresso è impostata a cento gradi.
Di seguito viene riportato l’andamento nel tempo dei principali parametri registrati nella prova a bending del 27 Aprile 2004.
Fig. 6.2
Il banco permette l’esecuzione di prove diverse quali la verifica di fenomeni di usura superficiale, allo stato attuale non sono state effettuate campagne di questo tipo, ma sono previste in un futuro prossimo.
6.2 Specifiche del banco in progetto
La progettazione del banco per le prove su ingranaggi conici consiste nella costruzione di un sistema meccanico che tenga conto delle caratteristiche di tali ruote, ma che utilizzi la trasmissione di potenza esistente del banco appena descritto, particolare attenzione deve essere posta all’interfacciamento geometrico, meccanico e degli impianti esistenti.
Per gli aspetti di dettaglio del progetto si rimanda all’esercitazione di Costruzione di Macchine “Modifica della sezione di prova del banco Renk al fine di testare ingranaggi conici”[5]
6.2.1 Interfacciamento
a) Geometrico
Per avere una soluzione più compatta possibile è necessario avere una geometria che ottimizzi gli ingombri, per questo motivo è stato scelto di sostituire gli alberi alloggianti i test articles al fine di montare ruote coniche, mantenendo però il profilo scanalato.
La modifica consiste in alberi sostenuti da cuscinetti posizionati in una scatola TA che è interfacciata con la sezione TA del banco Renk al posto del coperchio verticale utilizzando il collegamento a vite (10 X M10) esistente.
Sezione T.A.
Scatola T.A.
b) Impianto di lubrificazione
Nell’esecuzione della prova è necessaria la lubrificazione separata tra le ruote e i cuscinetti, in questo caso l’interfacciamento è ottenibile facilmente data la presenza di tubi flessibili e collegamenti unificati: la mandata ai test articles tramite spraybar ha un raccordo vos Æ 15, mentre quella ai cuscinetti ha una filettatura gas ¼” .
Relativamente al ritorno del lubrificante si ha un tubo gas 1 e ¼” per le ruote in prova e due gas
1 e ¼” per i cuscinetti che sono inseriti direttamente al serbatoio ausiliario della macchina
Soddisfatti i requisiti di collegamento la modifica del banco è operante in condizioni di specifica di prova.
c) Sistema di monitoraggio e diagnostica
Il sistema di analisi si basa sulla registrazione di segnali inviati a schede inserite su PC che monitorizzano le temperature e le vibrazioni del banco.
L’interfacciamento avviene tramite fori filettati nella struttura in cui sono avvitate le termocoppie o le capsule degli accelerometri, risulta di facile utilizzo di essi tramite lo smontaggio di alcuni di essi per posizionarli sulla scatola TA .
Per un’analisi completa sarebbe auspicabile, in aggiunta ai sistemi descritti, l’inserimento di encoder sulle bussole dell’albero trasversale per monitorare le fluttuazioni della velocità angolare.
6.2.2 Ingombri e pesi
Come appena descritto la geometria impone le dimensioni, quindi gli ingombri sono simili alla configurazione per ruote coniche questo perché la progettazione è stata orientata ad ottenere la massima modularità e compattezza .
Relativamente alla sezione TA le bussole che contengono l’albero trasversale fuoriescono dalla sagoma per circa 120 mm , mentre in direzione longitudinale del banco vengono occupati circa 215 mm addizionali (Fig. 6.6).
Data 10/09/2004 Scala 1 : 5
Esercitazione di Costruzione di Macchine UNIVERSITA' DI PISA Facoltà di Ingegneria
Allievo : Palmeri Simone Partic. N° 3 Denominazione:Modifica banco Renk
Fig. 6.6
Il gruppo comprendente alberi, bussole, cuscinetti e scatola TA risulta avere un peso di circa 85 Kg, per cui si ha la necessità di un supporto che ne permetta lo smontaggio e la movimentazione.
Nella Tabella 6.2 sono dettagliati i pesi dei componenti: Componente Peso (Kg) Scatola T.A. 58 Bussola trasversale 8 x 2 Albero Trasversale 4.20 x 2 Manicotto 0.8 Gruppo cuscinetti 1.5 x 2 Tabella 6.2
6.2.3 Prestazioni
Le prestazioni sono le stesse del banco Renk come da specifica richiesta all’assegnazione del progetto di Costruzione di Macchine:
Geometria Test Articles: ruote coniche ad assi concorrenti intersecantesi a 90 gradi, con
angolo di spirale di 35 gradi e angolo di pressione di 20 gradi;
Coppia trasmessa: 500 Nm;
Velocità di rotazione: 18000 giri al minuto.
6.2.4 Normative di riferimento
Nella progettazione di una macchina si deve tener conto degli aspetti di sicurezza che la normativa prevede affer cer cer cer cer cer cer cer crima di addentrarsi di cosa viene richiesto è necessario, innanzitutto, distinguere tra norma tecnica e direttiva.
La prima si distingue in varie tipologie: · norme armonizzate;
· norme europee; · norme nazionali.
Si tratta di norme a carattere volontario, mentre la direttiva è obbligatoria, pertanto vincolante.Quella a cui si farà riferimento è la “direttiva macchine” pubblicata nel DPR n. 459 del 24/7/96 che recepisce le direttive CEE 89/392, 91/368, 93/44 e 93/68.
La normativa prescrive che possano essere messi in servizio le macchine e i componenti conformi alle disposizioni del regolamento a cui fa riferimento.
Da sottolineare che la “direttiva macchine” introduce non solo la sicurezza della macchina , ma anche il fatto che questi aspetti devono essere dimostrati e documentati, così che la sicurezza diventa parte integrante della progettazione e non un qualcosa aggiunto in un secondo tempo.
Senza andare in dettaglio si espongono gli elementi principali necessari a soddisfare la normativa[6] :
Creazione di un Fascicolo Tecnico della Costruzion e al fine di assicurare e verificare che la macchina risponda ai requisiti essenziali specificati nelle direttive.
Dichiarazione di conformità sottoscritta dal costruttore, essa è l’atto ufficiale di assunzione di
responsabilità.
Marcatura CE da effettuare sulla macchina prima della consegna al cliente
Manuale di istruzioni per l’uso che contiene tutte le indicazioni per la corretta gestione della
macchina.
Nel caso in esame siamo di fronte a una modifica sostanziale di una macchina, che dovrà ottenere la certificazione CE non solo per la modifica, ma anche per la parte preesistente, o nel caso abbia già la conformità dovrà essere data documentazione (Fascicolo Tecnico) della parte non modificata.
