2 CAPITOLO 2 CAUSE DI CEDIMENTO DELLE RUOTE DENTATE

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CAPITOLO 2

CAUSE DI CEDIMENTO DELLE

RUOTE DENTATE

2.1

Introduzione

La normativa ANSI/AGMA 1010-E95 suddivide le cause comuni di cedimento degli ingranaggi in sette classi generali, a loro volta suddivise in modi generali e specifici. Tale classificazione è illustrata nella Tabella 2—1, dove vengono elencati anche i nomi comuni e quelli quelli meno utilizzati [1]. Nel seguito viene presentata una breve panoramica sulle più comuni cause di cedimento degli ingranaggi.

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4 Tabella 2—1 : Nomenclatura dei modi di danneggiamento delle ruote dentate

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2.2

Wear

L’ usura è un fenomeno di danneggiamento nel quale strati di metallo sono rimossi più o meno uniformemente dalla superficie a causa di azioni meccaniche, chimiche o elettriche. Le cause più comuni dell’usura dei denti degli ingranaggi sono rappresentate dal contatto metallo-metallo dovuto ad un film d’olio inadeguato, da particelle abrasive nell’olio, dalla rottura del film d’olio nella zona di contatto (che può provocare rapida usura o grippaggio), da particolari additivi caratterizzanti la composizione dell’olio. Esistono diversi gradi di usura, in Figura 2—1 è illustrato un esempio di usura moderata (moderate wear). In particolare la normativa individua 10 modi in cui si può manifestare l’usura.

Figura 2—1 : Moderate wear

L’adesione (adhesion) è causata dal trasferimento di materiale da una superficie all’altra dei denti a causa di microsaldature; è un fenomeno ristretto al meato del fluido lubrificante e agli strati ossidati sulla superficie del dente.

L’adesione può essere classificata in leggera (mild adhesion) e moderata (moderate

adhesion).

L’adesione forte (severe adhesion) è anche nota come grippaggio (scuffing).

L’abrasione (abrasion) si verifica in seguito a contaminazione del sistema di lubrificazione da parte di materiale estraneo. La contaminazione può essere causata,per esempio, da trucioli di lavorazione, ossido dalle tubature, materiale abrasivo residuo di processi di pulizia. Una causa frequente di usura abrasiva è legata a residui di usura delle superfici dei denti che spesso permangono nel sistema di lubrificazione. Le particelle abrasive tendono ad agire come composti leviganti che provocano un incremento del tasso di asportazione

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6 del metallo dalle superfici di contatto. I riduttori chiusi non provvisti di filtraggio sono particolarmente soggetti ad usura abrasiva. Spesso particelle d’usura dure possono incastrarsi nella superficie dell’elemento meno duro del rotismo; il materiale incastrato si comporta come “pietra abrasiva” che usura progressivamente la superficie della ruota dentata più dura. Una situazione di usura abrasiva si può verificare a seguito di un’operazione di tempra di superfici di denti caratterizzate da una cattiva finitura superficiale.

Figura 2—2 : Severe abrasion

La lucidatura (polishing) è un processo lento di asportazione di materiale nel quale il contatto metallo-metallo durante il funzionamento genera una superficie estremamente liscia nei denti dell’ingranaggio. È il fenomeno più comune durante il funzionamento a bassa velocità, dove il film lubrificante è estremamente sottile; generalmente questa condizione non costituisce un problema a meno che la quantità di metallo asportata non risulti contenuta entro i limiti relativi della durata di progetto dell’apparato. Questo fenomeno potrebbe provocare la contaminazione del lubrificante, spesso inevitabile a causa delle limitazioni sulla viscosità del lubrificante, sulla velocità dell’ingranaggio, sulla temperatura dell’olio. Una volta che gli ingranaggi abbiano subito lucidatura, un’ulteriore azione di usura può essere ridotta utilizzando un lubrificante altamente viscoso o riducendo la temperatura del lubrificante. Altre possibili soluzioni prevedono la riduzione del carico trasmesso o l’incremento della velocità operativa per realizzare uno spessore maggiore di film di lubrificante.

L’usura corrosiva (corrosion) nei riduttori è causata dalla contaminazione del sistema di lubrificazione, a causa di composti per lavaggio, sale, solventi, sgrassatori, acqua.

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7 L’ assorbimento di vapori per effetto di frequenti avviamenti e raffreddamenti aumenta, infatti, il contenuto di acqua dei sistemi di lubrificazione degli ingranaggi. La corrosione può anche essere causata da reazioni tra l’umidità, gli agenti chimici nell’olio lubrificante e il materiale di base dei componenti. Molti fluidi per pressione estrema contengono agenti chimici quali il cloro, che può essere molto corrosivo in date condizioni di funzionamento. Alcuni processi in impianti chimici emettono vapori o particelle che possono attaccare o combinarsi con alcuni materiali comuni dei riduttori, causando una reazione chimica che sfocia in usura corrosiva.

Figura 2—3 : Extensive corrosion

2.3

Scuffing

Lo scuffing è un fenomeno di grippaggio ovvero di usura molto rapida delle superfici dei denti, che ha inizio da un cedimento locale del velo lubrificante dovuto a surriscaldamento, permettendo il contatto metallo-metallo e quindi un’usura adesiva nella forma di una saldatura e di un’azione di distacco. Questo effetto rimuove rapidamente il metallo dalle superfici dei denti a contatto.

Sebbene il grippaggio abbia luogo a seguito di un cedimento del velo di lubrificante, i fattori che influenzano la resistenza finale al grippaggio di un ingranaggio sono diversi. Alcuni di questi fattori sono rappresentati dalla pressione superficiale del dente, dalle caratteristiche del materiale, dalla finitura superficiale, dai trattamenti superficiali, dalla velocità di strisciamento.

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8 Figura 2—4 : Moderate scuffing

Se gli assi degli alberi, su cui sono le ruote dentate sono montate, presentano disallineamento , il carico può concentrarsi nei pressi delle estremità dei denti; tale carico concentrato può essere alto a tal punto da provocare la rottura del velo d’olio e, dunque, dar luogo ad un grippaggio di disallineamento.

2.4

Plastic deformation

Gli ingranaggi cedono per deformazione plastica quando le superfici a contatto subiscono snervamento e si deformano sotto un carico elevato. Tale effetto è legato all’azione di rotolamento e di strisciamento dell’ingranamento sotto elevati sforzi di contatto. In genere la deformazione a freddo si verifica in materiali teneri o medio duri, ma può manifestarsi su superfici dei denti temprate. In tal caso la deformazione plastica è caratterizzata da bave di materiale sporgenti alle estremità ed in testa dente.

I cedimenti di tale natura possono essere attenuati riducendo il carico applicato ed aumentando la durezza degli elementi a contatto. Il miglioramento del livello di precisione consente alla trasmissione ad ingranaggi di funzionare senza vibrazioni (carichi dinamici) e dunque può essere un possibile rimedio per tale cedimento.

Il rippling è una deformazione periodica, di tipo ondulata, della superficie attiva del dente dell’ingranaggio. I picchi delle onde sono diretti perpendicolarmente alla direzione di strisciamento. Tali picchi sono fluttuanti in direzione della lunghezza del dente, creando una superficie di aspetto come in Figura 2—5. Il rippling si verifica generalmente sotto condizioni di contatto elevate e in condizioni di lubrificazione limite.

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9 Figura 2—5 : Ripling

La rincalzatura (ridging) è una forma di plasticizzazione caratterizzata dalla formazione di solchi nella direzione di strisciamento lungo la superficie attiva del dente. Il ridging si verifica spesso nelle ruote a vite e nei pignoni e ruote ipoidi, nei quali la zona di contatto risulta soggetta ad elevate velocità relative di strisciamento.

Figura 2—6 : Ridging

Il miglioramento delle condizioni di lubrificazione, attraverso l’aumento della viscosità del lubrificante e l’uso di additivi per pressioni estreme, possono prevenire tale grado di cedimento.

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2.5

Contact fatigue

Tensioni di contatto cicliche possono generare cricche di fatica superficiale o subsuperficiale e il distacco di frammenti di materiale dalla superficie del dente dell’ingranaggio.

Il pitting (macropitting) si verifica quando si generano cricche di fatica sia sulla superficie del dente sia ad una piccola profondità sotto la superficie. La cricca si propaga usualmente per una piccola distanza in una direzione abbastanza parallela alla superficie del dente prima di diramarsi verso la superficie. Quando le cricche si sono sviluppate a tal punto da separare una parte di materiale superficiale, si genera una cavità (vaiolatura). In funzione della gravità del danneggiamento della superficie, il pitting è classificato, dalla normativa ANSI/AGMA 1010-E95, in quattro stadi differenti:

initial pitting, in cui le cavità sono caratterizzate da un diametro inferiore ad 1 mm; tali crateri si manifestano in zone localizzate di sovraccarico e tendono a ridistribuire il carico per progressiva asportazione dei punti di maggiore contatto. Quando il carico è distribuito più uniformemente, l’azione di pitting si riduce e si può pervenire, al termine, alla remissione;

progressive pitting, in cui le cavità sono caratterizzate da diametri di dimensioni superiori ad 1mm;

flake pitting, in cui i crateri sono poco profondi, ma presentano un’area molto larga;

spalling, ovvero una variante di progressive pitting in cui le cavità presentano un grande diametro e interessano un’area considerevole. Talvolta lo spalling si verifica quando le cavità si originano, per esempio, su pignoni e ruote cementati, in cui si verifica il distacco di grosse porzioni di materiali superficiale. Lo spalling si può generare anche quando i crateri dovuti a pitting distruttivo si uniscono tra loro, dando luogo a cavità irregolari di grosso diametro.

Il micropitting è un cedimento per fatica di contatto che si presenta come un campo di microcavità superficiali (profondità inferiori a 2,5 µm). Nel paragrafo 1.2 vengono evidenziati gli aspetti peculiari del micropitting.

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11 Figura 2—8 : Initial pitting

Figura 2—9 : Spalling

Figura 2—11 : Micropitting

La subcase fatigue (o case crushing) è un cedimento delle dentature, indurite per cementazione o nitrurazione, che si origina sotto la superficie indurita quando viene superato il limite di fatica del materiale. L’origine del cedimento è in prossimità del

Figura 2—7 : Progressive pitting

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12 collegamento tra cuore e strato superficiale (case), sebbene non sempre il cedimento avvenga in tale posizione. Cedimenti di tale natura dipendono dalla pressione di contatto superficiale, dalla resistenza del materiale in profondità, dalla durezza significativamente maggiore sullo strato superficiale rispetto al cuore e, nella maggior parte dei casi, da un elevato numero di cicli di sforzo.

2.6

Cracking

Cracking è generalmente una fessurazione indotta dal trattamento termico che si verifica

generalmente durante o dopo la tempra.

Hardening cracks (cricche di tempra) sono generalmente intergranulari con la cricca che si muove dalla superficie verso il centro della massa lungo una linea relativamente diritta. Se la cricca si verifica prima della tempra, le superfici di frattura sono sbiadite dall’ossidazione che si verifica quando l’ingranaggio è esposto all’ atmosfera del forno durante la tempra.

Figura 2—12 : Hardening cracks

Grinding cracks (cricche di rettifica), possono svilupparsi sulle superfici dei denti di

ingranaggi che hanno subito rettifica (grinding). Tali cricche sono in genere poco profonde e appaiono sia come una serie in parallelo sia secondo uno schema casuale. Le cricche possono apparire immediatamente dopo l’operazione di rettifica, durante seguenti trattamenti termici e dopo un certo intervallo di tempo in servizio. Grinding cracks possono essere generate da surriscaldamenti localizzati (“bruciature”).

Le zone della superficie del dente dove si verifica il surriscaldamento possono essere individuate da acido incidente la superficie. Le aree temprate appaiono marroni o nere su

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13 uno sfondo marrone chiaro o grigio. Le aree dove si forma martensite appaiono bianche circondate delle zone nere di tempra.

Figura 2—13 : Grinding cracks

Rim cracks (cricche nell’anello interno). Se il cerchio (rim) dell’ingranaggio è sottile (per

esempio, meno di circa due volte l’intera profondità del dente), esso può essere soggetto a significative tensioni di flessione alternate che si aggiungono al bending stress del dente dell’ingranaggio e dunque si possono verificare cricche di fatica all’interno del cerchio. Le

rim cracks sono simili alle cricche di fatica a flessione sul dente; esse, tuttavia, in genere si

propagano radialmente attraverso il cerchio, mentre le cricche di fatica a flessione si propagano attraverso la base del dente. Rim cracks possono svilupparsi fino al nocciolo dell’ingranaggio.

Case/core separation può verificarsi nei denti dell’ingranaggio induriti superficialmente

quando cricche interne si originano presso il limite della struttura esterna/nucleo. Le cricche interne possono apparire immediatamente dopo trattamenti termici, durante seguenti trattamenti, o durante il funzionamento in servizio.

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2.7

Rottura (Fracture)

Quando il dente di una ruota dentata è sovraccaricato esso può cedere per deformazione plastica o frattura (rottura). I cedimenti per fatica culminano solitamente con la rottura se le cricche di fatica crescono fino al punto che il carico non può più essere sopportato. In questo senso il materiale restante si dice che è sovraccaricato. Le rotture sono classificate in duttili o fragili a seconda delle loro caratteristiche microscopiche o macroscopiche, vedi Figura 2—1 [da tesi ferioli c2 pag 32].

Caratteristica della superficie

Rottura fragile

Rottura duttile

Riflessione alla luce luminoso grigio (scuro)

lucido opaco

Struttura

cristallina silky

rugosa liscia

a grana grossa a grana fine

granulare fibrosa

Orientamento piano inclinato o piano

angolo retto

Modo creste radiali bordi tagliati

zig-zag

Deformazione plastica trascurabile apprezzabile

Caratteristiche microscopiche sfaldature increspature

Tabella 2—2

Spesso una cricca innescata a causa di un urto progredisce lentamente in una cricca di fatica, presentando nella regione di innesco cricca una corrosione per “fretting”.

Rottura fragile (brittle fracture), è caratterizzata da una rapida propagazione della cricca

senza una deformazione apprezzabile. Si presenta in apparenza, all’occhio umano, lucida e granulare; le superfici sono generalmente piane e perpendicolari alla direzione della massima tensione di trazione. Possono presentarsi creste radiali o con andamento a zig-zag che convergono nel punto in cui ha avuto origine la cricca, (Figura 2—16).

figura

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