Studio dell’effetto dinamico di lubrificanti e tenute

La sostenibilità sta assumendo un ruolo sempre maggiore all’interno del business delle trasmissioni. Gli end-user ricercano soluzioni che non prevedano manutenzione, che non si usurino e che abbiano durate oltre le 10.000 ore. Circa il 40% dei trafilamenti di lubrificante da riduttori è riconducibile ad una non ottimale interazione tra la tenuta radiale (RSS) ed il lubrificante. Per questo motivo risulta fondamentale un’analisi del sistema tribologico nel suo assieme, considerando il lubrificante, il grasso della tenuta (ove presente), i materiali elastomerici impiegati e il design delle tenute e degli alberi. Nel seguito si presenteranno i risultati di uno studio sull’interazione tra le più comuni formulazioni di lubrificante, in particolare oli sintetici ed elastomeri a base nitrile e fluoro. Si presenteranno modelli di usura della tenuta (RSS) che permettano una stima della variazione della forma del labbro e il rodaggio necessario.

Le tenute radiali sono generalmente utilizzate per fornire tenuta dinamica agli alberi rotanti, Figura 1a.

Figura 1 – Sistema tribologico di una tenuta radiale.

Il meccanismo di tenuta è un fenomeno dinamico complesso (Figura 1), che si oppone alla semplice chiusura statica di una luce di passaggio tra albero e cassa.

Il fenomeno di tenuta dinamico è influenzato da fattori come la superficie dell’albero il design del labbro di tenuta la viscosità e la bagnabilità del lubrificante e le proprietà micro e macro geometriche dell’elastomero. Il meccanismo di tenuta si basa su effetti di pompaggio del lubrificante. La tenuta fa correttamente il suo lavoro quando il lubrificante tra l’albero e il labbro torna completamente all’interno del sistema senza trafilamenti esterni.

Un apporto sufficiente di lubrificante alla tenuta è fondamentale per la sua affidabilità è durata. Anche in condizioni statiche comunque, il lubrificante penetra tra labbro della tenuta e l’albero a causa delle forze capillari. In ogni caso si hanno condizioni in cui si ha contatto diretto tra labbro di tenuta e albero come nel caso di partenza da fermo e successiva accelerazione in cui avviene un passaggio da attrito statico a condizione di lubrificazione elastoidrodinamica. La tenuta non deve mai operare a secco. Per questo, in fase di montaggio, spesso la tenuta viene lubrificata con grasso. Il mezzo che deve essere contenuto nel sistema spesso non ha solo funzioni lubrificanti ma anche di dissipazione del calore.

Anche l’albero in quanto parte del sistema tribologico influenza il fenomeno di pompaggio. Solamente una superficie accuratamente finita può garantire un buon funzionamento.

I limiti di funzionamento della tenuta dipendono altresì dalla rugosità e dalla durezza dell’albero. I principali produttori hanno sviluppato specifiche in tal senso. La rugosità, così come lo spessore del film lubrificante ed altri parametri, dipendono dalla temperatura, dalla velocità e dalla viscosità (funzione quindi dell’applicazione specifica) e non saranno per questo discussi nel seguito di questo articolo che si concentrerà tra l’interazione tra elastomeri della tenuta e fluidi lubrificanti in condizioni di lubrificazione elastoidrodinamica.

Dato che vi è un moto relativo alla superficie dell’albero e labbro di tenuta, si avrà sempre e comunque usura. Questa potrà essere localizzata nel labbro di tenuta (Figura 2a), sull’albero (Figura 2b) o in entrambi.

Figura 2 – a) labbro di tenuta dopo 1.000 ore di funzionamento dinamico; b) ingrandimento della superficie dell’albero che mostra usura nell’area di contatto con la tenuta.

La Figura 2a mostra l’ingrandimento del labbro di tenuta dopo 1.000 ore di funzionamento dinamico. Il labbro di tenuta mostra usura marcata.

L’usura può portare a trafilamenti. Per questo motivo ridurre l’usura è fondamentale e può essere fatto attraverso un’opportuna lubrificazione. La riduzione dell’usura può essere anche ottenuta mediante un’ottimizzazione dei fenomeni di pompaggio.

Nel seguito si mostreranno i meccanismi e di metodi per la caratterizzazione di questo fenomeno rimarcando la differenza tra interazione fisica ed interazione chimica punto per punto.

 

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Source: Stampi
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