Università di Pisa
Facoltà di Ingegneria
Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della
Produzione
Corso di laurea in Ingegneria Aerospaziale
Studio teorico e sperimentale del danneggiamento
di dentature per impieghi aerospaziali, con
particolare riferimento al micropitting
Relatori Tesi di laurea di:
Prof. Ing. E. Manfredi Gianni Ferioli
Prof. Ing. M. Chiarelli
Indice
Capitolo 1 - Introduzione
1
Capitolo 2 – Le ruote dentate ed i modi di cedimento
4
2.1 INTRODUZIONE 4
2.2 LE RUOTE DENTATE 4
2.2.1 Generazione della ruota 6
2.2.2 Riepilogo delle principali definizioni geometriche delle ruote dentate 8
2.2.3 Precisione della dentatura 9
2.2.3.1 Livello di qualità AGMA ed ISO per ingranaggi cilindrici 13 2.3 CLASSI PRINCIPALI DI DANNEGGIAMENTO/CEDIMENTO 17
2.3.1 Usura (Wear) 17
2.3.2 Grippaggio parziale (Scuffing) 22
2.3.3 Deformazione plastica (Plastic Deformation) 23 2.3.4 Danneggiamento a fatica per contatto superficiale 25
3.3.4.1 Pitting 25
2.3.4.2 Micropitting 28
2.3.5 Fessurazione (cracking) 30
2.3.6 Rottura (Fracture) 32
2.3.7 Fatica a flessione (Bendino fatigue) 34
Capitolo 3 – Analisi del contatto
35
3.1 INTRODUZIONE 35
3.2 MECCANICA DEL CONTATTO 35
3.2.1 Carico Concentrato (contatto ideale) 37 3.2.2 Contatto di linea (contatto reale) 39
3.2.2.1 Contatto strisciante 40
3.2.2.2 Rotolamento puro 41
3.3 SUPERFICI REALI 45
3.3.1 Cenni sui parametri principali della rugosità superficiale 45 3.3.2 Influenza della rugosità sulla meccanica dei contatti 48
3.4 LUBRIFICAZIONE 50
3.4.1 Lubrificazione idrodinamica 50
3.4.2 Lubrificazione EHD 52
3.4.3 Effetti della rugosità sulla lubrificazione e sullo stato tensionale 57 3.5 DANNEGGIAMENTO DI COPPIE LUBRIFICATE 60
3.5.1 Innesco superficiale 60
3.5.2 Innesco sub-superficiale 67
3.6 FATTORI INFLUENZANTI LA RESISTENZA SUPERFICIALE A FATICA 70
3.6.1 Trattamenti termici 70
3.6.1.1 Durezza, spessore efficace e tensioni residue 70 3.6.2 Trattamento superficiale meccanico – pallinatura (shoot peening) 74
3.6.2.1 Benefici ottenibili 74
3.6.2.2 Il processo 75
3.6.2.3 Parametri principali 75
3.6.2.4 Introduzione delle tensioni residue di compressione 77 3.6.3 Caratteristiche del lubrificante 79
3.6.3.1 Proprietà dell’olio 79
3.6.3.2 Miglioramento delle proprietà dei lubrificanti mediante additivi 79
3.6.3.4 Residui 81 3.6.4 Effetti della lubrificazione elastoidrodinamica 82
3.6.4.1 Spessore del film 82
3.6.4.2 Micro-EHL 83
3.7 PARAMETRI CHE CONTROLLANO IL MICROPITTING 83
3.7.1 Rodaggio 83
3.7.2 Carico 84
3.7.3 Velocità 84
3.7.4 Temperatura 84
3.7.5 Come prevenire il micropitting 84
Capitolo 4 – Modelli di previsione
86
4.1 INTRODUZIONE 86
4.2 MECCANICA DEL CONTATTO 87
4.2.1 Meccanica del contatto per una singola asperità 87
4.2.1.1 Contatto Hertziano 87
4.2.1.2 Contatti elasto-plastico e completamente plastico 89 4.2.1.3 Contatti elastici non-Hertziani 91 4.2.1.4 Contatto in scala nanometrica - adesione 92 4.2.2 Modelli di contatto multi-asperità 93 4.2.2.1 Modello di Greenwood e Williamson 93 4.2.2.2 Approccio teorico per la stima della pressione di contatto
media tra le asperità 96
4.2.3 Modello di contatto tra superfici reali per l’analisi del micropitting 98
4.3 LUBRIFICAZIONE ELASTOIDRODINAMICA 105
4.3.1 Cenni storici 105
4.3.1.1 Modello di Ertel e Grubin 106
4.3.1.2 Modello di Dowson e Higginson 107 4.3.1.3 Modello di Dowson e Hamrock 108 4.3.2 Lubrificazione elastoidrodinamica nel contatto di linea 109 4.3.3 Parametri influenzanti lo spessore del film EHL 110
4.3.3.1 Parametri operativi 110
4.3.3.3 Viscosità e piezo-viscosità del lubrificante 110 4.4 MODELLO SEMPLIFICATO PER LA PREVISIONE DEL
MICROPITTING 112
Capitolo 5 – Attrezzature e impianto
118
5.1 INTRODUZIONE 118
5.2 BANCO PROVA INGRANAGGI 122
5.2.1 Specifica tecnica del banco prova 125 5.3 IMPIANTI E QUADRI DI COMANDO 128
5.3.1 Impianto di lubrificazione 128
5.3.2 Impianto elettrico 130
5.4 SISTEMA DI CONTROLLO E ACQUISIZIONE DATI 131
5.4.1 Sistema di controllo 131
5.4.2 Monitoraggio e diagnostica delle vibrazioni e del rumore 138
Capitolo 6 – Metodi non distruttivi
140
6.1 INTRODUZIONE 140
6.2 CENNI SUI CONTROLLI NON DISTRUTTIVI 141 6.2.1 Controlli con liquidi penetranti 141 6.2.2 Controlli radiografici e gammagrafici 142
6.2.3 Controlli magnetoscopici 142
6.2.5 Controlli con correnti indotte 143
6.3 CONTROLLI VISIVI 144
6.3.1 Acquisizione automatica immagini dentature 145 6.3.2 Immagini con macchina fotografica digitale e telecamera professionale 150
6.4 RILIEVI RUGOSIMETRICI 153
6.4.1 Scopo e modalità di esecuzione dei test rugosimetrici 153 6.4.2 Posizionamento del dente rispetto ai rilevamenti rugosimetrici 154
6.4.3 Risultati 159
Capitolo 7 – Risultati numerici e conclusioni
165
7.1 INTRODUZIONE 165
7.3 GEOMETRIA DEL CONTATTO 170 7.4 CALCOLO DELLA PRESSIONE DI CONTATTO 174
7.5 TEMPERATURA E ATTRITO 176
7.6 CALCOLO DELL’ALTEZZA DEL MEATO 181
7.7 LA RUGOSITA’ SUPERFICIALE 187
7.8 CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI 191
Bibliografia 192
Appendice A – Manuale Impostazione Parametri e CBI
197
A.1 IMPOSTAZIONE PARAMETRI 197
A.2 CBI (Controllo Banco Ingranaggi) 204 A.2.1 Controllo motore e attuatore 205
A.2.2 Monitoraggio 205
A.2.3 Attivazione/Disattivazione Allarmi 206
A.2.4 Commento e Tempo 207
