Capitolo 3 Overview dell’attività sperimentale svolta

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Capitolo 3 – Overview dell’attività sperimentale svolta

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Capitolo 3

Overview dell’attività

sperimentale svolta

3.1 Search Test

3.1.1 Obiettivi e procedura di conduzione dei search test

L’obiettivo principali dei search test è stato la determinazione dei parametri di velocità di rotazione (low speed - high speed) e di temperatura di adduzione del lubrificante (low temperature - high temperature) ai quali effettuare le prove previste dal DoE.

La procedura di conduzione dei test può essere riassunta nei seguenti punti:

1. warm-up banco: ha lo scopo di riscaldare il banco e far raggiungere alle ruote in

prova condizioni termiche stazionarie; 2. rodaggio delle ruote in prova (30 minuti);

3. step di carico della durata di 15 minuti con incremento della coppia fino al raggiungimento della coppia massima del banco o della coppia per la quale si verifica failure (scuffing su un numero di denti superiore a sei per ogni T.A.);

4. ispezione visiva;

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Figura 3-1: Step di carico

3.1.2 Prove effettuate e principali risultati ottenuti

In tutto il campo di funzionamento del banco (velocità di rotazione comprese nell’intervallo 3000≤V≤15000 rpm e coppia compresa nell’intervallo 150≤C≤500 Nm) sono stati effettuati dodici search test con portata di lubrificante di 2 l/min, per un numero totale di 207 condizioni provate.

La Figura 3-2 mostra un quadro riassuntivo delle prove, mettendo in evidenza come, indipendentemente dal valore degli altri parametri di prova (temperatura, finitura superficiale, angolo di pressione, materiale) il danneggiamento si sia manifestato solo in corrispondenza di due regimi di velocità (6100 rpm e 12200 rpm). In Figura 3-3 sono riportati i valori di RMS relativi alle condizioni provate (sia run-out che failure) ed il corrispondente valore di rischio scuffing SB, calcolato utilizzando il criterio della temperatura totale di contatto.

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Figura 3-2: Search test effettuati

Figura 3-3: Valori dell’RMS per le condizioni di failure e run-out nei search test effettuati

Dalle Figura 3-2 e Figura 3-3 risulta evidente come, nelle prove effettuate a portata di adduzione del lubrificante di 2 l/min, tutte le failure osservate si sono verificate in regimi di velocità caratterizzati da elevati livelli vibrazionali del banco associati a fenomeni di sovraccarico dinamico delle dentature in prova.

E’ stato necessario effettuare altri search test, escludendo da questa nuova indagine i regimi interessati da tali fenomeni. Inoltre, allo scopo di rendere le condizioni di

0 20 40 60 80 100 120 0 5000 10000 15000 V e lo c it à [ R P M ] Dati rotture Dati non rotture

0 20 40 60 80 100 120 0 200 400 600 C o p p ia [ N m ] 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 0 1 2 S B

RMS [m/sec

2

]

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38 funzionamento più severe rispetto a quelle precedentemente indagate, sono stati effettuati test a valori di portata inferiore a 2l/min. La scelta dei nuovi valori di portata, eseguita tramite il modello HTO nella sua formulazione originale, è stata tale da garantire il non superamento del limite di 200 °C della temperatura di bulk, valore oltre il quale si verifica il decadimento delle proprietà dello strato cementato dei test articles. I test effettuati tuttavia non hanno evidenziato alcun danneggiamento se non a velocità pari a 15000 rpm.

L’analisi dei risultati delle prove effettuate può essere sintetizzata nei seguenti punti:

o sono stati identificati i regimi di funzionamento del banco caratterizzati da un basso livello di vibrazione (regimi “sicuri”);

o per indurre danneggiamento sono state effettuate prove a portata ridotta: la riduzione di portata è stata tarata secondo il modello HTO per avere Tbulk < 200°C in tutti i test;

o è stato ottenuto danneggiamento ad elevate velocità solo in condizioni estreme di funzionamento (alte velocità, temperature, coppie) ed in modo non ripetibile;

o a parità di temperatura totale di contatto si sono registrati eventi di failure e run-out;

o i minimi valori di portata utilizzati (determinati con l’utilizzo del modello HTO nella sua formulazione originale) non hanno indotto il danneggiamento.

In seguito a tali risultati è stata pianificata una campagna sperimentale per la misura diretta della temperatura bulk, per la taratura del modello HTO e per l’individuazione dei valori di portata da utilizzare durante l’esecuzione del DoE.

3.2 Misura della temperatura del corpo ruota e taratura del modello

HTO

3.2.1 Impostazione delle prove di taratura del modello

Sono state pianificate 9 prove sperimentali, al variare delle seguenti variabili:

o Angolo di pressione (PA)

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o Portata lubrificante (Qoil)

o Velocità di rotazione delle ruote dentate in prova (V)

o Coppia applicata (C)

o Velocità del getto di lubrificante (Vj)

Tabella 3-1:Piano di prova per la taratura del modello HTO

TEST PA Toil Qoil V C Vj [°] [°C] [l/min] [rpm] [Nm] [m/s] Ventilazione W1 25 90 0.6 80 9.28 W2 25 90 1.2 80 9.28 Strisciamento F1 20 90 0.9 9500 12.56 F2 25 90 0.9 9500 12.56 F3 25 90 0.9 7000 9.28 F4 25 90 0.9 4500 5.95 F5 25 120 0.9 9500 12.56 F6 25 90 1.4 9500 12.56 F7 20 90 0.9 4500 5.95

Il piano di prove previsto è riportato in Tabella 3-1.

La lubrificazione dell’ingranaggio è stata effettuata utilizzando un getto d’olio posizionato in mesh.

Per le prove da F1 a F7, sono stati utilizzati ugelli di diametro variabile, in modo tale da mantenere costante il rapporto fra velocità periferica delle ruote e velocità dell’olio in uscita dall’ugello (Vt / Vj = cost).

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40 Nelle prove effettuate i campioni di prova sono stati strumentati con una termocoppia annegata nell’endface di un dente per la misura della temperatura di bulk (Figura 3-4). Il segnale di temperatura, amplificato a bordo banco, è stato trasferito a terra mediante l’utilizzo di uno slip - ring.

Figura 3-4: Alloggiamento della termocoppia per la misura della temperatura di bulk

3.2.2 Conduzione delle prove e risultati sperimentali ottenuti

Le prove W1 e W2 sono state condotte mediante cinque step di velocità a coppia costante mentre le prove dalla F1 alla F7 sono state condotte mediante cinque step di coppia a velocità costante.

In entrambi i casi, ogni step non si è concluso prima del raggiungimento di condizioni termiche stazionarie delle ruote in prova (variazione della temperatura bulk misurata in cinque minuti inferiore ad 1°C) e, comunque, la sua durata non è stata inferiore a dieci minuti.

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Figura 3

3.2.3 Confronto tra dati sperimentali e previsioni del modello non tarato

I valori misurati della temperatura di

coppia, al fine di verificare la rispondenza tra l’andamento teorico del modello HTO ed i risultati sperimentali.

In Figura 3-6 è rappresentato l’andamento relativo alle prove F1, F3, F7 (stesso

di pressione, stessa portata, stessa temperatura di ingresso olio, diversa velocità), mentre in Figura 3-7 è rappresentato l’andamento relativo alle prove F1, F2 (stessa portata, stessa temperatura di ingres

3-5: Procedura di prova (prove di windage e di friction)

Confronto tra dati sperimentali e previsioni del modello non

I valori misurati della temperatura di bulk sono stati riportati in grafico

al fine di verificare la rispondenza tra l’andamento teorico del modello HTO ed

è rappresentato l’andamento relativo alle prove F1, F3, F7 (stesso

di pressione, stessa portata, stessa temperatura di ingresso olio, diversa velocità), mentre è rappresentato l’andamento relativo alle prove F1, F2 (stessa portata, stessa temperatura di ingresso olio, stessa velocità, diverso angolo di pressione).

Overview dell’attività sperimentale svolta

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i prova (prove di windage e di friction)

Confronto tra dati sperimentali e previsioni del modello non

sono stati riportati in grafico in funzione della al fine di verificare la rispondenza tra l’andamento teorico del modello HTO ed

è rappresentato l’andamento relativo alle prove F1, F3, F7 (stesso angolo di pressione, stessa portata, stessa temperatura di ingresso olio, diversa velocità), mentre è rappresentato l’andamento relativo alle prove F1, F2 (stessa portata,

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Figura 3-6: Andamento della temperatura bulk, teorico e sperimentale, per le prove F1, F3, F7

y = 0.1177x + 87.988 R² = 0.9997 y = 0.1463x + 89.244 R² = 0.9989 y = 0.164x + 94.232 R² = 0.9982 y = 0.1209x + 76.476 R² = 0.9994 y = 0.1226x + 67.329 R² = 0.987 y = 0.0833x + 74.28 R² = 0.9995 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 100 200 300 400 500 600 T e m p e ra tu ra b u lk [° C ] Coppia [Nm]

Temperatura bulk F7 teorica Temperatura bulk F3 teorica

Temperatura bulk F1 teorica Temperatura bulk F1 sperimentale

Temperatura bulk F3 sperimentale Temperatura bulk F7 sperimentale

Lineare (Temperatura bulk F7 teorica) Lineare (Temperatura bulk F3 teorica)

Lineare (Temperatura bulk F1 teorica) Lineare (Temperatura bulk F1 sperimentale)

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43 Figura 3-7: Andamento della temperatura bulk, teorico e sperimentale, per le prove F1 e, F2

I risultati sperimentali della temperatura bulk in funzione della coppia, come si evince dalla Figura 3-6 e dalla Figura 3-7, si trovano su una retta: è quindi possibile estrapolare linearmente i valori della temperatura bulk corrispondenti agli step di prova non effettuati (F1: 450 Nm e 500Nm; F4:150Nm e 500Nm; F5: 150Nm, 450 Nm e 500Nm; F6: 450Nm e 500Nm) utilizzando i punti sperimentali disponibili. Si nota inoltre che anche i valori teorici della temperatura bulk, calcolati secondo il modello HTO, si trovano su una retta. Si può concludere pertanto che il modello è in grado di descrivere correttamente l’andamento della temperatura bulk in funzione della coppia, ma che, tuttavia, necessita di una ritaratura che permetta il fit tra i risultati teorici e quelli sperimentali.

In Figura 3-8 è riportato il confronto tra l’andamento teorico della temperatura bulk in funzione della velocità ed il corrispondente andamento sperimentale. Si nota che, per velocità fino a 9500 rpm, il modello HTO è in grado di descrivere correttamente l’andamento della temperatura bulk, anche se necessita di una ritaratura che permetta il

y = 0.164x + 94.232 R² = 0.9982 y = 0.1209x + 76.476 R² = 0.9994 y = 0.111x + 72.268 R² = 0.9999 y = 0.1395x + 95.366 R² = 0.9983 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 100 200 300 400 500 600 T e m p e ra tu ra b u lk [° C ] Coppia [Nm]

Temperatura bulk F1 teorica Temperatura bulk F1 sperimentale

Temperatura bulk F2 sperimentale Temperatura bulk F2 teorica

Lineare (Temperatura bulk F1 teorica) Lineare (Temperatura bulk F1 sperimentale)

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44 fit tra i risultati teorici e quelli sperimentali. Non è invece possibile fare alcuna considerazione per quanto riguarda l’andamento della temperatura bulk in funzione della portata e della temperatura del lubrificante. Infatti, poiché si hanno a disposizione solamente due punti sperimentali (Q=0.9 l/min e Q=1.4 l/min di portata e T=90°C e T=120°C di temperatura), l’andamento osservato non può che essere lineare.

Figura 3-8: Andamento della temperatura bulk, teorico e sperimentale, in funzione della velocità.

3.2.4 Taratura del modello

In base alle considerazioni esposte nel precedente paragrafo, il modello è stato ritarato introducendo una legge di variazione lineare in grado di scalare l’andamento originale della temperatura bulk senza introdurre alcuna distorsione:

d

T

c

Q

b

T

a

T

_rit

=

⋅

∆

_th

+

⋅

+

⋅

+

∆

Le costanti a, b, c e d sono state ricavate in base ai dati sperimentali.

Nelle figure seguenti sono mostrati gli andamenti della temperatura bulk secondo il modello ritarato. 90 110 130 150 170 190 210 230 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 T e m p e ra tu ra b u lk [° C ] Velocità [rpm]

T bulk teorica 500 Nm T bulk teorica 350 Nm T bulk sperimentale 500 Nm

T bulk ritarata 350 Nm T bulk teorica 450 Nm T bulk sperimentale 450Nm

T bulk teorica 250 Nm T bulk sperimentale 250 Nm Poli. (T bulk teorica 500 Nm)

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Figura 3-9: Andamento della temperatura bulk sperimentale e ritarato in funzione della coppia per la

prova F1

prova F2 y = 0.1196x + 76.524 R² = 0.999 y = 0.1209x + 76.476 R² = 0.9994 80 90 100 110 120 130 140 100 200 300 400 500 600 T e m p e ra tu ra b u lk [° C ] Coppia [Nm]

Temperatura bulk F1 ritarata Temperatura bulk F1 sperimentale

Lineare (Temperatura bulk F1 ritarata) Lineare (Temperatura bulk F1 sperimentale)

y = 0.111x + 72.268 R² = 0.9999 y = 0.1029x + 76.805 R² = 0.9976 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 100 200 300 400 500 600 T e m p e ra tu ra b u lk [° C ] Coppia [Nm]

Temperatura bulk F2 sperimentale Temperatura bulk F2 ritarata

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Figura 3-11: Andamento della temperatura bulk teorico, sperimentale e ritarato in funzione della coppia

per la prova F6

prova F5 y = 0.08x + 84.336 R² = 0.9987 y = 0.0777x + 84.988 R² = 0.9993 90 95 100 105 110 115 120 125 130 100 200 300 400 500 600 T e m p e ra tu ra b u lk [° C ] Coppia [Nm]

Temperatura bulk F6 sperimentale Temperatura bulk F6 ritarata

Lineare (Temperatura bulk F6 sperimentale) Lineare (Temperatura bulk F6 ritarata)

y = 0.132x + 92.537 R² = 0.999 y = 0.15x + 83.5 110 120 130 140 150 160 170 100 200 300 400 500 600 T e m p e ra tu ra b u lk [° C ] Coppia [Nm]

Temperatura bulk F5 ritarata Temperatura bulk F5 sperimentale

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Figura 3-13: Andamento della temperatura bulk sperimentale e ritarato in funzione della velocità

3.3 Test del DoE

3.3.1 Impostazione del DoE e definizione della procedura di prova

Durante l’esecuzione dei search test, le uniche failure osservate in regimi dinamicamente non disturbati si sono verificate a 15000 rpm. Pertanto tale valore è stato scelto come valore alto di velocità del DoE.

Allo scopo di massimizzare l’occorrenza del danneggiamento e di avere una differenza low speed - high speed rilevabile dai modelli è stato scelto 9500 rpm come valore basso di velocità (entrambi i valori di velocità presentano livelli vibratori accettabili). Considerazioni analoghe a quelle sopra riportate hanno determinato la scelta di 90°C e 120°C come valori di temperatura del DoE.

80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 T e m p e ra tu ra b u lk [° C ] Velocità [rpm]

T bulk ritarata 500 Nm T bulk ritarata 350 Nm T bulk sperimentale 500 Nm

T bulk ritarata 350 Nm T bulk ritarata 450 Nm T bulk sperimentale 450Nm

T bulk ritarata 250 Nm T bulk sperimentale 250 Nm Poli. (T bulk ritarata 500 Nm)

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Tabella 3-2:Variabili e livelli del DoE

Materiale Accciao da cem. 1 Accciao da cem. 2

Finitura superficiale AS GROUND REM

Angolo di pressione [°] 20 25

Velocità [rpm] 9500 15000

Temperatura [°C] 90 120

Per indurre danneggiamento in un numero adeguato di condizioni, è stato necessario ridurre ulteriormente la portata rispetto a quanto provato durante i search test. Le analisi numeriche per la definizione dei nuovi valori di portata, condotte utilizzando il modello HTO ritarato si sono basate sul criterio di mantenere costante, al variare di temperatura e velocità, la temperatura bulk all’ultimo step di carico (500 Nm) in corrispondenza del quale è stato inoltre verificato il non superamento del limite di 200°C della temperatura bulk al fine di evitare qualsiasi fenomeno di perdita di durezza dello strato cementato. In Tabella 3-3 sono riportati i valori di portata individuati.

Infine, al fine di garantire la similitudine tra le condizioni di lubrificazione fra prove a bassa ed alta velocità, si è adottato il criterio di mantenere costante il rapporto fra la velocità del getto e la velocità periferica della ruota.

Tabella 3-3:Definizione valori di portata del DoE

9500 rpm 15000 rpm 90°C 0.6 l/min 0.9 l/min 120°C 0.9 l/min 1.4 l/min

La definizione degli step di coppia da utilizzare nell’esecuzione del DoE è stata eseguita adottando il criterio di mantenere costante la temperatura bulk al variare dell’angolo di pressione ad ogni step di carico e di avere incrementi costanti di temperatura bulk tra uno step di coppia e l’altro. I valori di coppia utilizzati nel DoE sono riportati in Tabella 3-4.

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Tabella 3-4: valori di coppia da utilizzare durante l’esecuzione del DoE

Step Coppia [Nm] α=20° Coppia [Nm] α=25°

1 270 300 2 300 340 3 340 380 4 370 420 5 410 460 6 440 500 7 500 N/D

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50

3.3.2 Monitoraggio dei parametri di prova

I principali parametri monitorati durante l’esecuzione delle prove sono:

o RMS di tutti e dei tre gli accelerometri posti in corrispondenza della sezione test del banco

o Firme vibratorie e loro contenuto in frequenza

o Temperatura in mesh

o Temperatura out of mesh

o Delta T= Temperatura in mesh-Temperatura out of mesh

o Coppia di prova

o Velocità di prova

In Figura 3-14 viene riportato un esempio dell’evoluzione temporale di detti parametri durante l’esecuzione di un test.

Figura 3-14: Andamento di RMS, temperatura in mesh e temperatura out of mesh

In figura è evidenziato un brusco aumento dei valori di RMS degli accelerometri, dovuto probabilmente all’inizio di un cambiamento dello stato superficiale delle dentature in prova.

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51 L’arresto della prova, deciso in conseguenza della rilevazione di alterazioni nei livelli vibrazionali del banco, ed i successivi controlli visivi effettuati hanno infatti permesso di rilevare presenza di scuffing su tutti i denti di ciascun test article.

3.3.3 Monitoraggio del comportamento vibratorio del banco

In Figura 3-15, in Figura 3-16 ed in Figura 3-17 sono mostrate le firme vibratorie ed il loro contenuto in frequenza rispettivamente all’inizio dello step di prova (1), dopo il presunto danneggiamento superficiale delle dentature (2) ed al termine dello step di prova (3).

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Figura 3-16: Visualizzazione forma firma vibratoria e FFT firma vibratoria nell’istante di tempo 2

Figura 3-17: Visualizzazione forma firma vibratoria e FFT firma vibratoria nell’istante di tempo 3

In Figura 3-18 ed in Figura 3-19 è invece mostrato sia il confronto tra gli andamenti delle firme vibratorie sia un confronto del loro contenuto in frequenza nei tre istanti di tempo considerati.

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53

Figura 3-18: Confronto andamento firme vibratorie relative agli istanti di tempo 1, 2, 3

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3.4 Analisi della tipologia e dell’estensione del danno

3.4.1 Controlli visivi

Al termine di ogni prova e dopo aver effettuato lo smontaggio dei campioni dagli alberi sono stati effettuati controlli visivi con l’obiettivo di rilevare l’eventuale presenza di danneggiamento sulle dentature provate, individuarne la tipologia e l’estensione, stabilire il numero e la posizione dei denti danneggiati ed infine effettuare una prima classificazione dell’entità del danneggiamento.

3.4.2 Microscopia ottica

Tutte le dentature sono state osservate al microscopio ottico. L’osservazione è stata documentata attraverso l’acquisizione di immagini digitali delle superfici danneggiate. Di seguito viene riportato un esempio:

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Figura 3-21: Scuffing su un dente di una ruota dentata superfinita

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Figura 3-23: Replica di un dente con finitura ground danneggiato in addendum

3.4.3 Analisi metallografiche

In Figura 3-24 ed in Figura metallografico di un dente con Nital.

L’analisi della microstruttura evidenzia la pr

martensitica rappresentativa del raggiungimento, sulla superficie del dente, di elevate temperature indotte da forte riscaldamento locale (ritempra da

L’esame di microdurezza, al contrario, non ha evidenziato

superficiali di microdurezza. Una analisi più accurata potrebbe essere condotta con un durometro Knoop.

Replica di un dente con finitura ground danneggiato in addendum

Analisi metallografiche

Figura 3-25 viene documentata l’osservazione al microscopio metallografico di un dente con scuffing, tagliato e sottoposto successivamente ad attacco

L’analisi della microstruttura evidenzia la presenza di una struttura superficiale martensitica rappresentativa del raggiungimento, sulla superficie del dente, di elevate temperature indotte da forte riscaldamento locale (ritempra da scuffing

L’esame di microdurezza, al contrario, non ha evidenziato rilevanti variazioni superficiali di microdurezza. Una analisi più accurata potrebbe essere condotta con un

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Replica di un dente con finitura ground danneggiato in addendum

viene documentata l’osservazione al microscopio , tagliato e sottoposto successivamente ad attacco

esenza di una struttura superficiale martensitica rappresentativa del raggiungimento, sulla superficie del dente, di elevate

scuffing).

rilevanti variazioni superficiali di microdurezza. Una analisi più accurata potrebbe essere condotta con un

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Figura 3-24: Attacco Nital della sezione del dente: analisi della microstruttura

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Figura 3-26: Esame di microdurezza

3.4.4 Rilievi rugosi metrici sulle dentature con danneggiamento

A titolo di esempio, in Figura 3-27 è riportato il confronto tra rugosimetrie 3D di denti danneggiati in differenti condizioni di funzionamento del banco.

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Figura 3-27: Confronto tra rugosimetrie 3-D di denti danneggiati in differenti condizioni di