Nuovo approccio ibrido per la modellazione degli ingranaggi

Le trasmissioni meccaniche sono ampiamente utilizzate in diverse applicazioni che spaziano dal settore automobilistico a quello industriale e robotico. Per migliorare la progettazione di nuove soluzioni e in ottica di un di monitoraggio dello stato di funzionamento in esercizio, la disponibilità di modelli fisici in grado di descrivere accuratamente il comportamento del sistema, sia in condizioni integre che danneggiate, rappresenterebbe un grande supporto. Mentre gli approcci sperimentali sono validi solo per la specifica configurazione in esame, le tecniche numeriche tradizionali mostrano limitazioni legate all’onere computazionale richiesto. Questo articolo mostra un approccio innovativo per la caratterizzazione del comportamento delle trasmissioni meccaniche. I risultati ottenuti per i cambi integri – non danneggiati – sono stati confrontati con misurazioni sperimentali al fine di validare l’approccio. Una volta validati i modelli, la stessa metodologia è stata utilizzata per studiare l’effetto della presenza di guasti tipici degli ingranaggi ed in particolare legati a fenomeni di fatica superficiale (pitting), sulla risposta vibrazionale. La capacità di riprodurre l’effetto dei danneggiamenti con un modello virtuale del sistema rappresenta il primo indispensabile passo per un monitoraggio strutturale.

I riduttori a ingranaggi sono sistemi meccanici caratterizzati da speciali modalità di cedimento come la flessione al piede dente e la fatica superficiale (pitting). Mentre la prima è molto pericolosa e porta a guasti catastrofici dell’intero sistema, la seconda è meno critica e comincia con un progressivo degrado del comportamento NVH (rumore, vibrazioni) che, prima di evolversi in conseguenze più gravi, influenza le prestazioni del sistema. Inoltre, va detto come in applicazioni specifiche, quali ad esempio le turbine eoliche, i riduttori siano spesso i componenti più deboli (un guasto importante è atteso generalmente ogni cinque anni [1]). La capacità di modellare il comportamento in esercizio delle trasmissioni a ingranaggi è molto utile per pianificare interventi di manutenzione riducendo i costi e prevenire ulteriori danni.

Jason Louis Austin [2] ha studiato, mediante approcci numerici, il comportamento di una trasmissione multistadio validando i risultati mediante un banco prova di proprietà di NREL. Yi Guo et al. [3] hanno studiato la ripartizione del carico in un riduttore per l’eolico da 750 kW. Kahraman et al. [4] hanno valutato l’influenza della dimensione delle nervature della ruota sulle deformazioni dell’intero cambio. I primi risultati sembravano promettenti, anche se sono state osservate alcune discrepanze. Esperimenti sono stati condotti anche da Yongzhi Qu et al. [5] che hanno usato sensori di deformazione piezoelettrici montati vicino al piede per misurare l’effetto di cricche sul comportamento della trasmissione. È stato possibile osservare differenze nelle misure tra fianchi danneggiati e non danneggiati. La conoscenza della risposta del riduttore in presenza di differenti livelli di danneggiamento può essere utile per monitorare in tempo reale il suo stato di salute permettendo di pianificare gli interventi di manutenzione.

Lo scopo di questo lavoro preliminare è, da un lato, la validazione dell’approccio analitico FE-ibrido e, dall’altro, determinare se la presenza e l’evoluzione di un danneggiamento superficiale (pitting) possano essere monitorate sulla base degli spettri vibrazionali. Pertanto, l’attività preliminare consisteva nella definizione e validazione di un approccio in grado di modellare l’effetto del danneggiamento superficiale. In questa fase sono stati modellati i riduttori a ingranaggi come integri e i risultati sono stati confrontati con le misurazioni al banco. L’analisi numerica delle geometrie selezionate (un banco prova back-to-back e un riduttore epicicloidale) rappresenta già di per sé una sfida ingegneristica ardua. Una volta che i modelli sono stati validati mediante confronto con dati sperimentali, il passo successivo è stato la simulazione del sistema in presenza di diversi livelli di danneggiamento per comprenderne l’effetto sulla NVH.

Geometrie

In questo studio sono state considerate due configurazioni cinematiche totalmente differenti: un banco prova back-to-back (o FZG) e un riduttore epicicloidale industriale.

 

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