Ottimizzazione della densità di potenza basata su metodi di calcolo locali

La densità di potenza è un fattore chiave nella progettazione degli ingranaggi. L’aumento della densità di potenza consente agli ingegneri di progettare ingranaggi più piccoli e, di conseguenza, di ridurre il peso e gli ingombri dei nuovi riduttori. Il vantaggio per l’industria automobilistica è una minor massa ed inerzia dei veicoli con una conseguente riduzione del consumo di carburante e delle emissioni di CO2. Il fattore limitante per l’aumento della densità di potenza delle trasmissioni è la resistenza del materiale rispetto alla modalità di cedimento. Questo studio mostrerà come gli approcci di calcolo locali basati su analisi numeriche (FEA) possano venire utilizzati per progettare ingranaggi migliori in cui vangano sfruttate al massimo le proprietà del materiale in termini di pitting, la rottura al piede e la frattura del fianco, così da massimizzare la densità di potenza. I risultati del calcolo verranno validati con test sperimentali su diversi banchi di prova e geometrie. I risultati dei test saranno confrontati con i risultati derivanti dall’applicazione di approcci di calcolo locali basati su FEA e quelli in accordo alla normativa ISO 6336.

Quale approccio?

Aumentare la densità di potenza degli ingranaggi è l’obiettivo di ogni progettista: riuscire a trasmettere la stessa potenza con una soluzione più compatta significa lasciare maggiore spazio per altri componenti del sistema. Allo stesso tempo, questo porta ad una riduzione delle masse. Nel caso di trasmissioni automotive, ad esempio, il downsizing si traduce in una riduzione dei consumi e delle emissioni inquinanti. Per riuscire a raggiungere questo obiettivo, però, sono indispensabili metodi precisi per il calcolo del fattore di sicurezza contro le principali tipologie di cedimento. Tra queste il pitting, cedimento a piede dente e frattura del fianco.

Per quanto concerne gli ingranaggi cilindrici, negli ultimi anni è chiaramente visibile una migrazione verso approcci locali di calcolo. Anziché basarsi solamente su metodi validi a livello globale, si utilizzano approcci come l’analisi agli elementi finiti (FEA). Il principale punto di forza è legato alla capacità del metodo di modellare con accuratezza l’esatta geometria comprensiva delle modifiche di profilo, la rigidezza locale… portando ad un calcolo più preciso delle forze agenti e degli sforzi nel materiale. Di contro, gli approcci globali sono fortemente semplificativi e basati su semplici formule empiriche.

Alla fine però entrambi i metodi mostrano limitazioni. Se il metodo proposto dalla normativa offre risultati ottimali per ingranaggi simili a quelli su cui i modelli sono stati sviluppati, questo non è vero per geometrie inusuali. Geometrie, dimensioni, materiali o finiture superficiali possono fare nascere inconsistenze nel calcolo. Ad esempio, ingranaggi grandi richiedono fattori di sicurezza maggiori rispetto a ingranaggi di dimensioni minori [1,2]. Lo svantaggio è che però i metodi numerici possono avere risultati dipendenti dalla griglia di calcolo, o legati al solutore che può tralasciare alcuni aspetti fisici (ad esempio, gli attriti). Sebbene i metodi basati su FEA permettano un calcolo preciso dei carichi, i risultati non sono oggi molto utilizzati per le verifiche di resistenza.

 

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