Banco prova per giunti scanalati trattati superficialmente in condizioni di disallineamento

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L’aumento della capacitĂ  di carico dei giunti scanalati nelle connessioni albero-ingranaggio, come ad esempio nei motori aeronautici UBHR, si ripercuote in modo positivo sulla progettazione dei componenti del gruppo propulsore, permettendone un aumento dell’efficienza. Un approccio per aumentare la capacitĂ  di carico dei giunti scanalati consiste nell’applicare trattamenti superficiali ottimizzati, quali rivestimenti e strutturazione laser, che possono ridurre il rischio di usura e cedimenti per fatica.

I test pin-on-disc mostrano risultati promettenti in termini di comportamento ad usura dei rivestimenti multistrato TiN + MoS2:Ti e TiN + DLC + MoS:Ti:C ottenuti mediante deposizione fisica da vapore (PVD) in combinazione strutturazione topologica mediante laser. Per valutare il potenziale di questi trattamenti superficiali per un aumento delle performance dei giunti scanalati, è necessario eseguire prove in condizioni di lavoro reali su vasta scala e su giunti scanalati veri. Poiché l’applicazione presa ad esempio è una turbina a gas UHBR aero-engine, i test sui veri componenti non sono possibili per chiari motivi economici. Pertanto, è necessario realizzare un sistema che riproduca la connessione di tali giunti scanalati (in prova) con semplici test al banco così da studiare il comportamento ad usura e fatica dei componenti trattati. L’articolo presentato affronta questo argomento presentando l’approccio progettuale seguito per la definizione della geometria degli scanalati basato su un modello di simulazione e la progettazione del banco prova. La combinazione di modelli di simulazione e test consente di arrivare a un banco che abbia tutte le caratteristiche richieste in modo da condurre le prove nel modo più semplice ed efficace possibile.

La pressione di contatto necessaria e la cinematica del caso reale sono state riprodotte anche sul banco prova mediante la realizzazione di profili scanalati specifici e l’applicazione di condizioni di test che riproducessero le reali condizioni di esercizio (la coppia di prova, la velocità di rotazione e il disallineamento).

Nelle applicazioni ingranaggistiche, i giunti scanalati vengono utilizzati per collegare ingranaggi e alberi e trasmettere una coppia (momento torcente) elevata [1]. Inoltre, gli accoppiamenti scanalati vengono utilizzati anche nei moderni motori aeronautici a turbina a gas per collegare gli alberi e compensare i disallineamenti [2]. La compensazione dei disallineamenti dell’albero porta ad una riduzione delle reazioni vincolari che si scaricano sulle parti circostanti della macchina [3]. Alla luce della riduzione delle sollecitazioni in conseguenza delle reazioni vincolari ridotte, il progettista è quindi in grado di ridurre il volume ed il peso del sistema. Nel complesso, questo aspetto permette una riduzione dei costi di produzione grazie al downsizing e al minor impiego di materiale. Inoltre, ciò ho un impatto diretto sull’efficienza del sistema e sulle emissioni [4]. La compensazione specifica dei disallineamenti dell’albero attraverso l’impego di giunti scanalati può portare a diversi vantaggi in molte applicazioni del gruppo propulsore. Vi è però un rovescio della medaglia: un crescente disallineamento all’interno dell’accoppiamento scanalato porta a crescenti velocità di strisciamento, che, a loro volta, aumentano il rischio di usura e cedimenti per fatica superficiale [5]. Se tali danni (legati all’usura ed alla fatica) avvengono o meno dipende dal rapporto tra la sollecitazione in esercizio e la capacità di carico del materiale (sollecitazione ammissibile). Pur aumentando la sollecitazione del materiale a causa degli strisciamenti, è comunque necessario assicurare che la capacità di carico non venga mai superata.

I fattori che influenzano la capacità di carico dei giunti scanalati includono il materiale e il trattamento termico, la tecnologia di produzione, le proprietà superficiali (a seguito di trattamenti specifici) e le condizioni di funzionamento, tra cui lubrificazione e temperatura. Recenti ricerche volte a ridurre al minimo gli effetti dell’usura nei giunti scanalati ha portato allo sviluppo di trattamenti superficiali specifici, come il rivestimento PVD e la strutturazione laser [6]. Nel complesso, le performance richieste aumentano quando i giunti scanalati vengono utilizzati per la compensazione dei disallineamenti dell’albero. Al fine di consentire un funzionamento sicuro senza un eccessivo sovradimensionamento, non si può prescindere da una conoscenza dettagliata e una comprensione totale dei fattori di influenza sulla capacità di carico dei giunti scanalati in condizioni di disallineamento.

Per poter studiare e valutare i fattori di influenza e le prestazioni di nuovi trattamenti superficiali per giunti scanalati sono necessarie prove sperimentali ad alta velocità di rotazione sotto carico e in presenza di disallineamenti indotti e controllati. Considerando l’applicazione specifica, l’utilizzo dei giunti scanalati nei motori aeronautici delle turbine a gas, le prove sui componenti reali sono adatte per indagini di ricerca sistematica (in luce di costi eccessivi).

Per ottenere risultati affidabili in modo più efficiente sia in termini di tempo che da un punto di vista economico, è essenziale la realizzazione di un banco prova dedicato. L’obiettivo di questo articolo è identificare e riassumere le diverse possibili configurazioni sperimentali per prove su giunti scanalati disponibili in letteratura e sulla base di quelle presentare un nuovo concept di banco prova, progettato per lo studio di giunti scanalati in condizioni di disallineamento, velocità di rotazione e coppie elevate e in presenza di disallineamenti.

giunti scanalati f1

Analisi dello stato dell’arte

Gli accoppiamenti scanalati caricati in modo ciclico sono soggetti a fenomeni di fatica, fatica da contatto e usura [2].

Le campagne di caratterizzazione sperimentale della resistenza dei giunti scanalati a queste tipologie di danneggiamento, sono per lo piĂą condotte su banchi prova che possono essere suddivisi in tre categorie:
I. Test con provino semplice
II. Test con giunti scanalati
III. Test con giunti scanalati in condizioni di lavoro reali

Di seguito, vengono descritte diverse configurazioni sperimentali possibili (Figura 1).

I. Test con provino semplice

• Limmer et al. affermano che l’utilizzo di macchine di prova idrauliche, quali semplici attuatori lineari, rappresenti un modo efficiente per ridurre i costi dei test, agendo sul costo di produzione dei campioni che per questa tipologia di prova risultano molto inferiori rispetto a quelli che prevedono l’impiego di giunti scanalati a grandezza naturale. Il provino viene bloccato tra due supporti, che vengono mossi su e giù. Le condizioni di contatto che si generano nei giunti scanalati in questa tipologia di test sono rappresentative del comportamento reale e riportate in Figura 1. L’utilizzo di un attuatore permette la riduzione del tempo prova grazie alle elevate frequenze di lavoro [7].
• Ferre et al. hanno applicato un carico normale che, in combinazione al carico di un pulsatore, ha permesso di studiare la fatica da fretting [8].
• Hyde et al. e Leen et al. hanno utilizzato un campione scanalato rappresentativo dotato di fianchi dentati semplificati che permettessero di riprodurre le condizioni di contatto tipiche dei giunti scanalati. Con questa configurazione, Hyde et al. e Leen et al. hanno anch’essi condotto indagini di fretting [9, 10].
• Wavish et al. è andato oltre e ha combinato un carico di serraggio normale ciclico a bassa frequenza e una sollecitazione da ciclico fuori piano e con frequenza più elevata. Ciò ha consentito indagini di fretting multi-assiali. [11]

II. Test con giunti scanalati

• Curà et al., utilizzando un pulsatore con un dispositivo a leva per la generazione della coppia, hanno condotto test direttamente sui giunti scanalati. Per mezzo di questo dispositivo, è stato possibile condurre prove su componenti anche con carichi variabili. L’impiego del pulsatore permette test efficienti in termini di tempo [5].
• Ratsimba et al. ha studiato il cedimento a fatica e l’usura su una configurazione di prova che prevedeva più attuatori, così da riprodurre anche carichi multi-assiali. Durante il test di un giunto scanalato, questo viene bloccato verticalmente e la coppia applicata per mezzo di due attuatori orizzontali montati su due leve opposte. Quattro ulteriori attuatori verticali, in combinazione con un sistema di leveraggi incrociati, permettono di riprodurre sia i carichi assiali, sia le forze di flessione rotanti che si hanno nei giunti scanalati in condizioni di disallineamento. Questa configurazione di test si è mostrata economicamente vantaggiosa [12].

Da un lato, i test con giunti scanalati consentono prove efficienti in termini di risorse e tempo grazie all’utilizzo di attuatori pulsanti e dispositivi a leva per la applicazione della coppia. D’altra parte, l’utilizzo di questi attuatori invece di giunti scanalati rotanti, comporta la non corretta riproduzione del moto del picco di pressione dovuto al contatto disallineato. Inoltre, la reale condizione di lubrificazione nell’ingranamento non viene riprodotta correttamente, principalmente a causa della mancanza delle forze centrifughe che inve- ce si hanno nelle applicazioni reali (rotanti).

III. Test con giunti scanalati in condizioni di lavoro reali

Il collaudo dei giunti scanalati in condizioni di lavoro reali richiede una configurazione più complessa del banco prova in modo da tenere adeguatamente conto delle condizioni operative, della velocità di rotazione, del carico torsionale e del disallineamento dell’albero. Cuffaro et al. hanno presentato un banco prova per il test di giunti scanalati in grado di riprodurre in modo corretto tutti questi requisiti. Ciò è stato possibile installando un sistema di alberi coassiali divisi con ricircolo meccanico della potenza. A tale scopo, le due parti costituite da un albero interno e uno esterno sono state collegate. Gli alberi interni sono stati collegati appunto mediante il giunto scanalato in prova, mentre gli alberi esterni mediante un giunto flessibile. Durante la rotazione di questo sistema di alberi, preventivamente caricato con la coppia di prova, il giunto scanalato opera nelle condizioni di lavoro più realistiche possibili. Per le prove in condizioni di disallineamento, le due parti del sistema possono essere inclinate l’una rispetto all’altra. Con questa configurazione di prova è stato possibile fornire una coppia massima Tmax = 5000 Nm e una velocità di rotazione massima nmax = 2000 giri/min. La temperatura massima è θmax = 60°C. In relazione a queste specifiche operative, le caratteristiche prestazionali del banco prova presentate da Cuffaro et al. mirano ad applicazioni soggette ad elevate coppie ma velocità di rotazione relativamen- te contenute [13].

Conclusioni sullo stato dell’arte

Come mostrato, la maggior parte dei banchi di prova per giunti scanalati descritti in letteratura sono stati costruiti come banchi di prova per analogia. I banchi prova con provino semplice riproducono una condizione di scorrimento tra i fianchi a contatto in modo semplificato. I vantaggi derivanti da test su
banchi di prova con provini semplici vanno individuati nella semplicità di produzione del campione e in costi e tempo di prova contenuti grazie alle frequenze elevate degli attuatori lineare. Ciò consente test con valenza statistica in tempi e costi ragionevoli. Per contro, il principale svantaggio di siffatti banchi prova è da individuarsi nelle condizioni di lavoro che non riproducono in modo fedele quelle del componente in esercizio.

La cinematica specifica del contatto del dente non è replicata sufficientemente bene neppure nei banchi prova che utilizzano veri giunti scanalati come provino. Infine, il movimento assiale della zona di contatto sul fianco del dente che è tipico dei giunti scanalati soggetti a disallineamento in esercizio, non può essere riprodotta sui banchi prova esistenti. Per esaminare a fondo i meccanismi di danneggiamento e i fenomeni di usura dei giunti scanalati in presenza di disallineamento, è dunque necessario testare i giunti scanalati nelle condizioni di lavoro reali. Un banco prova che può essere utilizzato per questo scopo è descritto da Cuffaro et al.. La soluzione è però idonea solo per coppie elevate e velocità di rotazione e temperature moderate. Tuttavia, velocità di rotazione e temperature elevate sono caratteristiche dei motori aeronautici a turbina a gas. Vi è quindi un deficit nella capacità di testare giunti scanalati in condizioni di prova simili a quelle di esercizio.

L’obiettivo di questo documento è quello di presentare un banco prova di nuova concezione e una geometria di giunto scanalato che possa essere testata ad alta velocità di rotazione e ad alta temperatura, anche in condizioni di disallineamenti. A tale scopo si è modificato un banco prova back-to-back. Oltre all’elevata velocità di rotazione, è ora possibile eseguire test a temperature (fino a un massimo di θmax = 120 °C) grazie all’iniezione controllata di olio nell’ingranamento.

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