Perdite per strisciamento degli ingranaggi

L’efficienza sta diventando un aspetto di sempre maggiore importanza per i produttori di ingranaggi. In questo articolo si presenta un approccio che incorpora vari aspetti della lavorazione.

L’efficienza sta diventando un aspetto di sempre maggiore importanza e a cui i produttori di ingranaggi stanno dando ogni giorno più attenzione. Migliorare l’efficienza dei riduttori è fondamentale sia per ridurre i costi ma anche per migliorare l’affidabilità, grazie alle temperature operative ridotte che ne derivano. E infatti noto che per grandi carichi e basse velocità le perdite per strisciamento sono quelle predominanti. Lavori pregressi degli stessi autori hanno mostrato come metodi in forma chiusa non permettano una stima sufficientemente accurata delle perdite che porti ad una valutazione realistica della capacità termica del riduttore.

In questo articolo si presenta un approccio che incorpora le caratteristiche del lubrificante, la geometria degli ingranaggi, la finitura superficiale e le condizioni operative nel modello di calcolo. Con questo nuovo algoritmo diventa quindi possibile prevedere in modo accurato le perdite per strisciamento per qualsiasi punto di lavoro, anche al variare delle caratteristiche progettuali, diventando così un importante strumento a supporto della progettazione.

L’approccio, sviluppato per i contatti singoli, viene qui utilizzato per qualsiasi tipo di ruota considerando sia le velocità di rotolamento che quelle di strisciamento e l’effettiva area di contatto a ogni istante.

Stima del coefficiente di attrito: una sfida ingegneristica impegnativa

La stima del coefficiente di attrito e delle relative perdite per strisciamento nei contatti lubrificati striscianti-volventi è una sfida ingegneristica impegnativa. In presenza di carichi elevati e velocità variabili, una stima dell’attrito non è banale. Il valore del coefficiente di attrito è influenzato dalla viscosità del lubrificante, che varia con la pressione e la temperatura che si genera nel contatto.

Nella valutazione del coefficiente di attrito vanno ad esempio inclusi gli effetti di assottigliamento in presenza di lubrificanti non newtoniani che si hanno all’aumentare delle velocità ed al variare delle pressioni di contatto. Solo includendo tutti questi effetti è possibile arrivare ad un calcolo preciso del comportamento viscoelastico e del relativo attrito.

Per carichi operativi caratteristici, le superfici di contatto subiscono una deformazione elastica. Se i materiali sono esposti a pressioni estreme, si ha la possibilità di cedimenti per pitting, scuffing e usura. Gli accoppiamenti (superfici a contatto) operano solitamente in regime elasto-idrodinamico (EHL). Il lubrificante si comporta come un materiale viscoelastico ad elevata viscosità a causa delle enormi pressioni che si generano nel contatto hertziano. Inoltre, si hanno variazioni di viscosità dovute all’aumento di temperatura dovuta a sua volta alla generazione di calore all’interno del contatto. Si ha quindi un legame tra la forza di attrito, gli strisciamenti e la temperatura del film.

Questo documento descrive una metodologia sviluppata per incorporare i suddetti effetti nel calcolo delle perdite per attrito. Il modello include la geometria degli ingranaggi, la finitura superficiale e le condizioni operative consentendo di prevedere con precisione le perdite di strisciamento per qualsiasi range operativo.

Inizialmente, vengono presentati i risultati derivanti dall’applicazione della metodologia ad un caso test su una mini-macchina di trazione (MTM). Lo stretto accordo tra i risultati sperimentali e le previsioni teoriche ha permesso validare l’approccio. Questo stato successivamente utilizzato per prevedere le perdite di potenza negli ingranaggi FZG di tipo C per diverse combinazioni operative. Anche in questo caso si è arrivati a risultati molto soddisfacenti.

I calcoli preliminari sono focalizzati sulla stima del coefficiente di attrito per valori λ maggiori di 3, in cui λ è definita come il rapporto tra spessore del film e rugosità superficiale media.

Per calcolare l’attrito viene utilizzata la formula Ree-Eyring, che incorpora la viscosità del lubrificante a una bassa velocità ed una correzione per pressione e temperatura. Un modello che descriva la relazione pressione-temperatura-viscosità è stato sviluppato da Bair [1].

Definito il coefficiente di attrito, si è passati al calcolo degli strisciamenti e, quindi, alle perdite nell’ingranaggio FZG-C in varie condizioni di funzionamento. Per il set di ingranaggi preso a riferimento, l’ingranamento è stato discretizzato in 25 step. Per calcolare la forza normale, la velocità di rotolamento, la velocità di strisciamento ed il raggio di curvatura del dente nelle differenti posizioni di contatto è stato utilizzato l’approccio AGMA 925-A03 [2].

I parametri reologici dell’olio sono stati utilizzati come input per il calcolo delle perdite per strisciamento in ogni posizione dell’ingranamento.

 

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