Capitolo 1 - Introduzione
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Capitolo 1 - Introduzione
La presente tesi nasce nell’ambito del lavoro di ricerca effettuato presso il laboratorio del Centro Ricerche sulle Trasmissioni Meccaniche a Tecnologia Avanzata (CRTM) del Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione (DIMNP) dell’Università di Pisa in collaborazione con la AVIO Propulsione Aerospaziale S.p.A.
L’esigenza di ruote dentate con elevate caratteristiche meccaniche e con prestazioni sempre più spinte da impiegare nel settore aeronautico, sia militare che civile, al fine di incrementare il grado di affidabilità e l’ottimizzazione dei costi di gestione, ha evidenziato l’esigenza di nuovi e più evoluti mezzi di progettazione che consentano di prevedere ed affrontare le sfide che tali condizioni operative costituiscono per le industrie.
Le prove sperimentali, tra cui quelle effettuate con l’ausilio di banchi prova, sono basilari per lo sviluppo delle metodologie progettuali e la risoluzione delle problematiche legate al funzionamento delle trasmissioni. Sia dal punto di vista della comprensione dei fenomeni che maggiormente costituiscono un limite prestazionale delle trasmissioni, sia per lo sviluppo di nuovi e sempre più efficaci mezzi di diagnostica precoce. In tale ottica l’esecuzione di prove sperimentali coinvolge oramai sempre più estesamente aspetti diversi che vanno dalla programmazione delle prove stesse (il Design of Experiment DOE), al loro monitoraggio con opportune metodologie e successivamente alla loro interpretazione utilizzando metodi numerici e teorici per quanto riguarda i dati raccolti e l’attuazione di adeguati mezzi di indagine
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2 per la raccolta dei dati stessi. La collaborazione tra AVIO e l’Università di Pisa ha portato alla realizzazione di un banco prova ad elevate prestazioni, presso il quale è in corso una campagna sperimentale di ampio respiro per la caratterizzazione e l’ottimizzazione di ingranaggi cilindrici e conici. L’impiego previsto per tali ingranaggi è vario e comprende applicazioni al limite delle capacità tecnologiche del momento come il riduttore di potenza del motore TP400 (fig. 1.1) impiegato sul futuro trasporto militare Airbus A400-M (fig.1.2) od il General Electric T700 impiegato sugli elicotteri Apache, Black Hawk e sul prossimo elicottero da combattimento Comanche (fig. 1.3) per fare qualche esempio.
Il lavoro svolto ha seguito quindi, per le necessità indicate, diversi aspetti inerenti la gestione delle prove prima e la raccolta e l’analisi dei risultati dopo. Sono presentati nell’ordine gli aspetti teorici studiati, riguardanti l’analisi del danneggiamento superficiale degli ingranaggi, con particolare attenzione per il micropitting e per la caratterizzazione dei diversi tipi di cedimento superficiale e la parte concernente la conduzione delle prove e la raccolta e l’elaborazione dei dati ottenuti.
Figura 1.2 – Velivolo da trasporto militare Airbus A400-M Figura 1.1 – TP400-D6
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3 Le prove sono state eseguite utilizzando un banco prova a ricircolo di potenza, su ruote la cui geometria è stata appositamente ottimizzata in funzione delle prove da eseguire. In particolare, l’intera campagna di prove prevede: prove di rottura a fatica dei denti (bending), prove di fatica superficiale (pitting) ed infine prove di usura adesiva o grippaggio (scuffing). Le ruote per prove di bending hanno modulo inferiore a quello delle ruote per prove di pitting o di
scuffing; infatti questi ultimi due tipi di danneggiamento superficiale sono fortemente influenzati
dalla velocità di strisciamento che può essere controllata in parte variando la geometria dei denti (il modulo etc.).
Attualmente presso il CRTM sono in corso prove su ruote realizzate in acciaio “AISI
9310” materiale comunemente impiegato nel settore aeronautico. Prove a bending sul materiale
“Pyrowear® 53” sono state eseguite nella prima parte dell’attività sperimentale ed i dati che saranno a breve acquisiti permetteranno il confronto diretto dei due materiali testati nelle stesse condizioni (il Pyrowear® 53 è un materiale innovativo e la sua completa caratterizzazione è ancora in corso).
Il capitolo due introduce un riepilogo della nomenclatura e delle caratteristiche di forma e di precisione degli ingranaggi, seguita da una descrizione delle cause di cedimento degli stessi, proponendo la classificazione dei modi di danneggiamento prevista dalla normativa ANSI/AGMA 1010–E95; in tal modo è possibile comprendere la specificità del micropitting rispetto agli altri casi di danneggiamento per contatto superficiale.
Il capitolo tre, invece, presenta il problema del contatto non conforme e le modalità di innesco e propagazione delle cricche superficiali e sub-superficiale, introducendo l’influenza della rugosità superficiale e del regime di lubrificazione sul problema del contatto lineare. Il contatto tra due cilindri rugosi ad assi paralleli rappresenta, infatti, il modello classico di riferimento per i problemi tribologici relativi ai profili ad arco ad evolvente di cerchio di due
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4 denti in presa, in un sistema di ruote dentate ad assi paralleli e a denti diritti. Il regime di lubrificazione svolge un ruolo fondamentale, poiché la dimensione caratteristica del meato di lubrificante, che separa le superfici dei denti degli ingranaggi analizzati, risulta dell’ordine dei micrometri. Sempre nel capitolo tre è stato inserito un breve riferimento ai trattamenti termici (cementazione e nitrurazione) e meccanici (pallinatura) superficiali degli ingranaggi per evidenziare la loro influenza sull’innesco e l’evoluzione delle cricche di rottura.
Il capitolo quattro propone diversi modelli di analisi del contatto e del regime di lubrificazione dei denti ingrananti, con un riferimento particolare al modello semplificato sviluppato dalla Eurocopter per la previsione del micropitting.
I capitoli cinque e sei, descrivono l’attività sperimentale svolta presso il CRTM, relativa alla gestione delle prove ed all’acquisizione di immagini e rilievi rugosimetrici. Per questi ultimi è stata progettata e realizzata un’attrezzatura specifica che permette l’acquisizione automatica delle immagini dei fianchi di tutti i denti della ruota ed un posizionamento preciso e ripetibile per i rilievi rugosimetri da parte di un singolo operatore da PC.
L’ultimo capitolo, il sette, presenta i risultati ottenuti dall’analisi numerica del contatto effettuata in ambiente di programmazione Mathcad® secondo la normativa AGMA 2101-C95 opportunamente ampliata e corretta per tenere conto in modo più approfondito di alcuni aspetti tribologici particolarmente influenti nei casi oggetto di studio. Inoltre è stato implementato il modello sviluppato in Eurocopter per la previsione del micropitting.
