Ingranaggi in polimero, tra vantaggi e criticità

ingranaggi in polimero

Materiali innovativi per ruote dentate polimeriche: analisi delle performance in applicazioni ad elevata potenza.

Negli ultimi anni, al fine di migliorare le prestazioni e l’efficienza delle trasmissioni meccaniche, sono stati introdotti nuovi materiali e processi produttivi con riferimento alle ruote dentate.

Le ruote dentate sono elementi chiave di una macchina e trovano oggi impiego in un’ampia gamma di applicazioni. Le esigenze del mercato moderno, richiedono ingranaggi silenziosi, leggeri ed affidabili, dalle eccellenti prestazioni meccaniche e, preferibilmente, dai costi contenuti. Pertanto, per soddisfare tali requisiti e restare al passo con gli sviluppi tecnologici, la progettazione delle ruote dentate deve essere continuamente adattata e migliorata. In questo contesto, la ricerca nel campo di nuovi materiali per ruote e trasmissioni meccaniche rappresenta un tema di grande attualità, meritevole di attenzione e continui studi. Quando si parla di innovazione, con specifico riferimento agli ingranaggi, sono possibili diverse opzioni: se in alcuni casi essa prevede l’estensione dei materiali comunemente in uso ad altre applicazioni, in altri essa riguarda l’introduzione di tecnologie di produzione innovative, come nel caso della manifattura additiva. Vi sono poi soluzioni ibride, che combinano i benefici derivanti dall’impiego di materiali compositi.

Di seguito una panoramica sugli ingranaggi polimerici dimostra come la selezione di specifici materiali possa influenzare le performance e la vita utile di tali componenti, in particolare, in applicazioni che richiedono elevata potenza.

Vantaggi e limiti degli ingranaggi in polimero

I materiali polimerici trovano ampio impiego nelle applicazioni che coinvolgono ruote dentate. Come valida alternativa ai metalli, essi offrono leggerezza, buona resistenza allo smorzamento, operatività anche in assenza di lubrificazione e costi contenuti. Ingranaggi polimerici sono oggi in fase di sviluppo, in particolare nel settore automobilistico, sia per applicazioni che richiedono trasmissione di moto a bassa potenza, sia laddove è richiesta una potenza più elevata.

Gran parte degli standard di progettazione, come il British Standard 6168 e lo standard German VDI 2736, formulati in origine per ingranaggi in metallo, hanno subito integrazioni e modifiche per tenere conto delle proprietà dei materiali polimerici. Linee guida dettagliate sono relative, ad esempio, a materiali come la poliammide (PA) o il poliossimetilene (POM). La scarsa disponibilità di linee generali però rimane un grosso limite, considerando che nuovi materiali per ruote polimeriche sono continuamente disponibili sul mercato.

Figura 1 – Tasso di usura in funzione della coppia per ruote in POM

A ciò si aggiunge la difficoltà a reperire in letteratura prove a sostegno della validità di metodi e prove standard che, quando individuati, dimostrano spesso scarsa correlazione tra i calcoli teorici e i risultati sperimentali. Di conseguenza, data la difficoltà di comprensione delle reali prestazioni degli ingranaggi polimerici in applicazioni che richiedono maggiore potenza, il loro impiego risulta ancora piuttosto limitato e scarsamente accettato. Altro punto di debolezza degli attuali standard di progettazione riguarda poi le tipologie di guasto che interessano gli ingranaggi polimerici, ulteriori e differenti rispetto a quelle previste dagli standard citati.

Usura, pitting, cricche alla radice del dente sono danni che accomunano sia gli ingranaggi polimerici che quelli in metallo. Tuttavia, poiché le prestazioni di dissipazione termica del polimero sono meno efficienti rispetto a quelle all’acciaio, nel caso delle ruote dentate polimeriche il danno risulta maggiormente influenzato dalla temperatura del componente. In questo contesto, considerando che i materiali polimerici, per le loro caratteristiche di elasticità e resistenza, risultano molto sensibili alle variazioni di temperatura, un’ulteriore sfida riguarda la comprensione del fenomeno del contatto correlato alle condizioni termiche di esercizio.

Tra i primi progressi nella analisi termo-strutturale di ruote dentate polimeriche spicca il metodo di Hachmann e Strickle, su cui si basano sia lo standard di progettazione tedesco che britannico, oltre alla maggior parte dei metodi di stima della temperatura superficiale di ingranaggi polimerici. L’approccio, originariamente limitato ad ingranaggi lubrificati in nylon rispetto a quelli in acciaio, ipotizza che la conduzione del calore del dente polimerico non sia influenzata in modo significativo dalla lubrificazione. Ipotesi tuttavia smentita dalle prove sperimentali, poiché sono stati infatti osservati significativi miglioramenti delle prestazioni di un ingranaggio polimerico in condizioni di lubrificazione. Da un punto di vista empirico, le numerose misurazioni della temperatura della superficie e delle parti interne della cartella di una ruota dentata, eseguite per comprendere il comportamento termico delle soluzioni polimeriche, sono state spesso ottenute arrestando le ruote oggetto di prova. Secondo Yousef (Ref.3) però, metodi di che prevedono un’interruzione dei test risultano inaccurati poiché la temperatura della superficie e del volume della ruota diminuiscono molto rapidamente a seguito dell’arresto. Un metodo di misurazione indiretto, dai risultati più soddisfacenti, è stato proposto da Letzelter et al. (Ref.4). Esso non prevede interruzioni, monitorando la temperatura del corpo di un ingranaggio in nylon PA 6/6 grazie all’impiego di una termocamera a infrarossi. Un ulteriore punto di debolezza degli attuali standard di progettazione risiede infine nella scarsa reperibilità di informazioni relative ai materiali impiegati.

Le numerose ricerche volte a comprendere il comportamento degli ingranaggi con lo scopo di ottenere una trasmissione di potenza elevata, soprattutto in applicazioni che richiedono leggerezza (come, ad esempio, cambi per motocicli e veicoli elettrici), si concentrano in gran parte su coppie di ingranaggi metallo-polimero. Esiste pochissima letteratura sulla progettazione e sulle prestazioni di coppie di ingranaggi compositi a matrice polimerica. Sono quindi utili le informazioni che si stanno ricercando circa il loro comportamento dal momento che si tratta di soluzioni che, per i loro vantaggi unici, alimentano un crescente interesse tecnico in molti campi.

Analisi delle performance di ingranaggi in polimero

Di seguito vengono riportati il set up ed i risultati sperimentali di alcuni studi comparativi su ingranaggi polimerici costituiti da cinque differenti materiali con lo scopo di individuare quelli particolarmente resistenti all’usura.

In letteratura si trovano esempi di banchi prova (Ref.1) che includono la possibilità di disallineare l’ingranaggio e di registrare l’usura della sua superficie in modo continuo e con carico costante, senza necessità di interrompere la prova. La coppia viene applicata in modo continuo mentre il tasso di usura, parametro critico per monitorare la vita utile dell’accoppiamento, viene misurato indirettamente, registrando il disallineamento della coppia di ruote. Un limite di questa tipologia di set-up riguarda i risultati, incapaci di distinguere gli spostamenti dovuti alla flessione dei denti da quelli causati dai fenomeni di usura, ma comunque attendibili per comprendere e prevedere con buona approssimazione la capacità di carico e le performance di una coppia di ruote polimeriche.

Gli ingranaggi oggetto dello studio sono realizzati mediante stampaggio a iniezione, con impiego di cinque differenti materiali polimerici: PC (policarbonato), POM (poliossimetilene), HDPE (polietilene ad alta densità), PA (poliammide, nylon 46) e PEEK (polietere etere chetone o PEEK650). L’interasse degli ingranaggi è regolato tenendo conto degli effetti del ritiro del polimero a seguito dello stampaggio a iniezione. Le proprietà dei materiali degli ingranaggi in polimero sono riportate nella tabella 1 mentre la geometria nominale degli ingranaggi testati è riassunta in tabella 2.

HDPE PC POM PA46 PEEK650
Specific gravity (g/c m3) 0.96 1.20 1.42 1.18 1.30
Tensile strength (MPa) 23 66 70 105 155
Flexural modulus (MPa) 900 2400 2900 3300 3600
Coefficient of friction 0.1 0.31 0.21 0.28 0.21
Melting temperature (°C) 131 155 178 295 343

Tabella 1 – Proprietà dei cinque materiali impiegati

Module (mm) 2
Tooth Number 30
Pressure angle 20°
Face width (mm) 17
Thickness (mm) 3.14
Contact ratio 1.67

Tabella 2 – Geometria nominale degli ingranaggi testati

In una prima fase, sono state confrontate coppie di ruote realizzate con lo stesso polimero. Per le prove sperimentali è stato utilizzato il test di carico incrementale con velocità costante pari a 1000 giri/min. Le ruote sono caricate inizialmente a 3 Nm per un’ora, successivamente il carico viene aumentato a 4, 5, 6 e 7 Nm per un’ora di funzionamento con ciascun carico.

I risultati mostrano che, per tutte le coppie testate, al di sotto di un determinato valore di carico le superfici degli ingranaggi si usurano lentamente, fatto che garantisce una vita utile relativamente lunga. Al di sopra di un valore di coppia critico, invece, il tasso di usura accelera rapidamente, provocando un rapido deterioramento. Le coppie critiche osservate per ciascuna ruota sono rispettivamente pari a circa 6 Nm per il policarbonato (PC), 8 Nm per il POM, 8.5 Nm per il PA, 11 Nm per il PEEK e 4.7 Nm per l’HDPE. Al di sopra delle coppie critiche, gli ingranaggi in PC vanno incontro a collasso per variazione del passo; quelli in POM cedono per usura termica (la temperatura massima della superficie del dente causa la perdita delle proprietà strutturali del materiale); le ruote in PA e PEEK subiscono eccessiva usura superficiale; infine le ruote in HDPE collassano per eccessiva deformazione. Quest’ultimo cedimento è prevedibile, dato il basso modulo di elasticità dell’HDPE (circa un terzo rispetto a quello degli altri polimeri considerati). Tuttavia, l’HDPE, grazie al suo coefficiente di attrito molto basso, è un materiale interessante in tutte quelle applicazioni che richiedono basso carico ed elevato numero di cicli.

Infine, particolare attenzione è rivolta ai materiali come PEEK e PA. Sebbene i meccanismi che causano l’aumento improvviso del tasso di usura per PEEK e PA non siano stati ancora approfonditi, l’elevata usura della estremità del dente per entrambi gli ingranaggi è legata all’elevata forza di attrito in corrispondenza di tale zona. Test di carico incrementale sono poi eseguiti anche su coppie di ingranaggi di materiali diversi, mantenendo la velocità costante di 1000 giri/min.

Diverse le coppie di ingranaggi a confronto: POM contro POM, PEEK contro PEEK, PEEK (ruota motrice) contro POM (ruota condotta) e POM contro PEEK. È quest’ultima la coppia per cui si osservano le performance migliori, con valore massimo di coppia trasmessa pari a circa 13 Nm. A seguire, gli 11 Nm del PEEK contro PEEK, i 10 Nm del PEEK contro POM e gli 8 Nm del POM contro POM. Come dimostrato, la principale modalità di guasto degli ingranaggi in POM è l’usura legata ad effetti termici. La forza di attrito è il fattore che più influisce sull’usura del dente di un ingranaggio in POM.

In particolare, a causa dei meccanismi di ingranamento, essa è più elevata nella regione della radice rispetto alla punta del dente per la ruota motrice e, viceversa, per la ruota condotta. Di conseguenza, si ha un’usura maggiore alla radice rispetto alla estremità del dente quando il POM è la ruota motrice. L’usura della estremità accelera molto più rapidamente l’usura complessiva della ruota, per questo, gli ingranaggi in POM hanno prestazioni migliori come ruote motrici.

Analisi delle prestazioni di ruote in polimero rinforzato con fibra di vetro

Le prove sperimentali, riprendendo un set up analogo a quello illustrato nel precedente paragrafo, confrontano ruote in POM e GFR POM (glass-fibers reinforced POM) per studiare l’effetto dei rinforzi in fibra di vetro sulle prestazioni degli ingranaggi. Quattro i parametri di prova registrati in modo continuo: coppia, velocità, usura e cicli a rottura.

Tutti i dati sperimentali sono relativi a coppie di ruote GFR POM (ruote GFR POM contro GFR POM) o POM contro POM con un rapporto di velocità pari a uno in assenza di lubrificazione. Le proprietà dei materiali POM (Delrin 500P NC010) e GFR POM (Hostaform C9021 GV1/30) sono riportate nella tabella 3 mentre la geometria nominale delle ruote è riportata in tabella 4.

Property POM GFR POM
Density (kg/m3) 1420 1600
Tensile modulus (MPa) 3100 9200
Flexural modulus (MPa) 2900 7800
Deflection temperature (°C) 158 160
Melting temperature (°C) 176 170

Tabella 3 – Proprietà dei materiali POM e GFR POM a confronto [K.Mao et al.]

Module (mm) 2
Tooth Number 30
Pressure angle 20°

Tabella 4 – Geometria nominale delle ruote testate. [K.Mao et al.]

Le prove sono eseguite utilizzando il metodo di carico incrementale ma, diversamente dagli studi precedenti, viene impostata una velocità costante pari a 2000 giri/min. Entrambe le coppie di ruote POM e GFR POM vengono fatte funzionare per una durata di 20000 cicli per ogni step di carico, con successivi incrementi di carico di 0.5 Nm per le ruote in POM e di 1 Nm per le ruote in GFR POM.

Figura 2 – Modalità di guasto per coppie di ruote in POM:
ruota motrice (a) e condotta (b)

Le ruote dentate in POM sono testate con coppia iniziale di 3 Nm ed incremento di 0.5 Nm ogni 20000 cicli. I risultati complessivi (in figura 1) mostrano un drastico aumento del tasso di usura delle ruote in POM quando il carico raggiunge e supera i 7.5 Nm.

Alla velocità costante di 2000 giri/min è visibile una chiara coppia di transizione a circa 7.5 Nm (valore pari a 8 Nm alla velocità di 1000 giri/min). La ruota motrice ha subito un guasto consistente a causa di una grave usura termica, come mostra la figura 2 (a). Per la ruota condotta in figura 2(b), invece, l’usura termica è meno grave, con un minore assottigliamento dello spessore del dente. Tali comportamenti derivano probabilmente dai meccanismi di contatto fra i denti. Le immagini SEM (scanning electron microscope) tipiche di un dente usurato di ruota motrice in POM mostrano un’usura molto più grave sia in corrispondenza della estremità che della radice del dente. La causa risiede nella velocità relativa fra le superfici dei denti a contatto: molto più elevata in prossimità di queste due zone rispetto alla regione centrale del dente, dove è prossima allo zero. Osservazioni simili valgono anche per la ruota condotta. Le ruote GFR POM sono state testate con una coppia iniziale di 6 Nm, aumentata di 1 Nm dopo 20000 cicli ad ogni livello di coppia.

La figura 3 evidenzia un rapido incremento del tasso di usura per carichi intorno agli 11 Nm (in prossimità della coppia di transizione) e oltre. Il significativo aumento del carico di transizione osservato per le ruote in GFR POM, se confrontato con gli ingranaggi in POM (7.5 vs 11 Nm), indica un aumento della capacità di carico di circa il 50% per le ruote con polimero rinforzato. Sia la ruota motrice sia quella condotta si sono danneggiati per flessione termica del dente (figura 4).

Figura 3 – Tasso di usura in funzione della coppia per ruote in GFR POM

L’ulteriore esercizio delle ruote oltre la soglia della coppia di transizione ne accelera ulteriormente l’usura. L’aumento di temperatura causa il rammollimento del dente dell’ingranaggio il quale arriva a deformazioni eccessive e anche alla rottura. La tabella 5 mostra come la fibra abbia una scarsa influenza sulla temperatura di transizione del polimero. Come per le ruote in POM (figura 2), le differenze di usura tra ruote motrice e condotta (figura 4) sono legate principalmente alle forze di attrito.

Material Melting temperature (peak) in °C Cristallization temperature (peak) in °C Degree of crystallinity in %
POM 176 147 51.13%
GFR POM 170 143 28.06%

Tabella 5 – Risultati delle misurazioni effettuate su ruote in POM e GFR POM mediante tecnica DSC (differential scanning calorimetry)

Dalle analisi al SEM, si osservano diverse lunghezze delle fibre di vetro nel materiale dei campioni prima e dopo i test. Le lunghezze delle fibre di vetro nei campioni non testati variano tra 200 e 500 µm, mentre nei campioni testati oscillano tra 30 e 100 µm. Queste riduzioni della lunghezza dimostrano la rottura delle fibre durante il test per gli elevati carichi sul dente. Anche la presenza di alcune cavità attorno alle fibre, osservate a seguito dei test, sono attribuiti agli stessi effetti locali della frattura delle fibre.

Figura 4 – Modalità di collasso per coppie di ruote in GFR POM:
ruota motrice (a) e condotta (b)

Il modulo elastico (sia a trazione che a flessione) degli ingranaggi in GFR POM è quasi tre volte superiore a quello degli ingranaggi non rinforzati (tabella 3). Alle stesse condizioni di carico (ad esempio, 7.5 Nm), ci si aspetterebbe una deformazione del dente molto più elevata per le ruote senza rinforzo in fibra, con un conseguente attrito molto più elevato. Il cedimento degli ingranaggi GFR POM è mediato dal meccanismo di rottura delle fibre della superficie dell’ingranaggio a carichi molto più elevati (ad esempio 11 Nm). Poiché le fibre di vetro sono fragili, le fratture delle fibre superficiali causano un rapido e significativo calo dei moduli elastici locali (e quindi maggiore deformazione) e conseguente elevato riscaldamento locale per attrito. L’improvviso aumento dell’attrito causa un rapido decadimento delle proprietà guidato da innalzamento termico, spesso correlato a sua volta a flessione eccessiva del dente per le ruote in GFR POM, come mostrato nella figura 4.

Conclusioni

Per misurare le prestazioni di ruote dentate polimeriche, sono in corso specifici test di usura nei laboratori di ricerca universitari e industriali, mediante, come si è visto, banchi prova specifici. Nei casi particolari esaminati in questo articolo, ad esempio, si è parlato di un banco di prova senza lubrificazione in cui si sono eseguite prove di carico a coppia incrementale e velocità costante.

In generale, emergono significative differenze nelle modalità di danneggiamento e cedimento delle ruote e nelle variazioni delle loro prestazioni. Rispetto ai materiali citati in questo articolo, per le ruote analizzate, a parità di materiale, sono state rilevate coppie critiche pari a circa 4.7 Nm per l’HDPE, 6 Nm per il PC, 8 Nm per il POM, 8.5 Nm per il PA e 11 Nm per il PEEK.

Le ruote in policarbonato hanno evidenziato un collasso dovuto a perdita del passo nominale correlato al meccanismo di usura della superficie del dente. Le ruote in POM sono andate incontro a cedimento per usura termica. Per il POM la superficie degli ingranaggi si è usurata lentamente, con un tasso di usura basso e costante per carico sulla coppia di ruote inferiore ad un valore di soglia. Tale tasso di usura aumenta rapidamente quando il carico cresce oltra tale valore di soglia. È stato dimostrato come la coppia limite sia correlata al punto in cui la temperatura massima della superficie del dente diventa uguale o superiore alla temperatura di fusione del POM.

Per le ruote in PA e PEEK, la principale modalità di guasto osservata è stata l’usura progressiva. Le ruote in polietilene ad alta densità, come previsto, si sono dimostrate poco performanti, presentando un cedimento per grande deformazione a causa del basso modulo di elasticità del materiale.

Per le ruote di materiale diverso, è interessante notare che le prestazioni migliori sono state ottenute con il POM come ruota motrice e il PEEK come ruota condotta, rispetto alle altre coppie testate (POM contro POM, PEEK contro PEEK e PEEK contro POM).

Come evidenziato, i risultati riguardano le sole condizioni di funzionamento a secco. Tuttavia, dai risultati preliminari su ricerche sugli effetti della lubrificazione, emerge un aumento di oltre il 40% della capacità di carico per gli ingranaggi in PEEK lubrificato.

Per quanto riguarda le prestazioni degli ingranaggi in polimero rinforzati, come abbiamo visto, le coppie di ingranaggi in POM rinforzato al 28% di fibra di vetro (GFR POM), mostrano prestazioni migliori, con capacità di carico di circa il 50% superiore, rispetto alle coppie di ingranaggi in POM non rinforzati.

Inoltre, sia per le coppie di ingranaggi in POM che per quelle in GFR POM, per le velocità di funzionamento e geometrie fornite, sono state individuate coppie di transizione chiare, al di sopra delle quali i tassi di usura aumentano rapidamente, causando cedimento termico. Gli esami ottici e SEM hanno confermato un’usura termica, associata alla fusione locale della superficie superato il carico di transizione. Il tasso di usura delle ruote in POM aumenta drasticamente al di sopra del carico limite, poiché la temperatura di esercizio si avvicina al punto di fusione del materiale. Per carichi al di sotto delle coppie di transizione, invece, i tassi medi di usura per gli ingranaggi in POM e GFR POM sono molto simili, rispettivamente pari a 5.31 Nm/ciclo e 4.55 Nm/ciclo.

Durante i test, le fibre superficiali delle ruote in GFR POM si sono rotte, presentando lunghezze significativamente ridotte. Con la rottura delle fibre, la resistenza locale alla flessione diminuisce significativamente, portando ad un rapido cedimento per flessione termica. Le evoluzioni future necessiteranno di ricerche sempre più mirate alla valutazione delle prestazioni di nuovi materiali e analisi del loro comportamento in condizioni operative critiche. Particolare attenzione sarà destinata ai materiali compositi, che si stanno dimostrando molto promettenti per le ruote dentate e per i quali occorrono linee guida dettagliate e validate per favorirne l’impiego anche in applicazioni ad elevata potenza.

Recentemente, ad esempio, è stato dimostrato sperimentalmente che la capacità di carico delle ruote in PEEK rinforzato con fibre di carbonio, ad elevate temperature di esercizio, è nettamente superiore rispetto a quella delle ruote in PA. Il PEEK rinforzato con fibra di carbonio assume caratteristiche molto favorevoli in termini di resistenza meccanica, termica e chimica. L’aggiunta della fibra di carbonio lo rende ancor più resistente dal punto di vista meccanico e di versatile impiego anche nei settori industriali più estremi. È stato inoltre rilevato che le ruote in nylon rinforzate con fibre di vetro mostrano una migliore resistenza all’usura rispetto a quelle non rinforzate, grazie ad un modulo elastico migliorato e resistenza alla compressione. Materiali termoplastici rinforzati con fibre corte e resistenti alle elevate temperature sono oggi impiegati come elementi di scorrimento, in applicazioni in passato riservate ai soli materiali metallici. Per quanto concerne, infine, le tecniche di produzione di ingranaggi polimerici, lo stampaggio ad iniezione è un processo ormai ottimizzato ed efficiente. Ancora una volta emerge la necessità di avere maggiori informazioni sulle prestazioni delle ruote dentate polimeriche in diverse condizioni operative. Studi di questo tipo sono fondamentali se si pensa che il costo delle ruote stampate a iniezione è significativamente inferiore rispetto ai tradizionali processi di lavorazione meccanica.

Riferimenti

  1. Mao, K., Paul Langlois, N. P. Madhav, David Greenwood and Mark Millson. “A Comparative Study of Polymer Gears Made of Five Materials.” (2019).
  2. Ken Mao, Dave Greenwood, Ramkumar Ramakrishnan, Vannessa Goodship, Chetan Shrouti, Derek Chetwynd, Paul Langlois,
  3. The wear resistance improvement of fibre reinforced polymer composite gears, Wear, Volumes 426–427, Part B, 2019, Pages 1033-1039, ISSN 0043-1648, https://doi.org/10.1016/j.wear.2018.12.043.
  4. Yousef, S.S. “Techniques for Assessing the Running Temperature and Fatigue Strength of Thermoplastic Gears,” Mechanism and Machine Theory, Vol. 8, pp. 175–185, 1973.
  5. Letzelter, E., M. Guingand, J. Vaujany and P. Schlosser. “A New Experimental Approach for Measuring Thermal Behavior of Nylon 6/6 gears,” Polymer Testing, 29, pp1041–1051, 2010.

(di Giorgio De Pasquale, Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, Politecnico di Torino, Smart Structures and Systems Lab – Elena Perotti Senior data analyst)