Lo stato dell’arte di ingranaggi e trasmissioni

Carlo Gorla

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Lubrificazione, rumore e vibrazioni, nuovi materiali. Sono questi i temi “caldi” su cui si gioca il futuro di ingranaggi e trasmissioni

Lo stato dell’arte di ingranaggi e trasmissioni al Fall Technical Meeting

L’edizione 2023 del Fall Technical Meeting AGMA si è svolta dal 16 al 18 ottobre, all’Huntigton Place di Detroit: come avviene con cadenza biennale, negli anni dispari, nella stessa struttura si è svolto anche il Motion + Power Transmission (MPT) Show, evento fieristico dedicato ad ingranaggi e trasmissioni.

Accanto al Fall Technical Meeting, ha avuto luogo anche l’EV Town Hall, che può essere considerato a tutti gli effetti un prolungamento del FTM, vista la rilevanza dei temi tecnici trattati.

I partecipanti al FTM sono stati 110, in crescita quindi rispetto alla scorsa edizione, che era stata la prima in presenza dopo la pandemia, consolidando così il trend di ripresa.

Anche quest’anno il meeting ha costituito un’ottima occasione per fare il punto sullo stato della ricerca e innovazione, sia in ambito accademico sia industriale, con una netta prevalenza di presentazioni di provenienza europea.

Efficienza, lubrificazione, rumore e vibrazioni

La prima sessione, dedicata ai temi dell’efficienza, della lubrificazione e del rumore e vibrazioni, si è aperta con un intervento del Prof. Höhn, che, sebbene sia in pensione e sia stato sostituito alla guida dell’FZG dal Prof. Stahl ormai da più di dieci anni, è ancora attivo e in grado di proporre come sempre interventi di grande rilevanza, su temi che suscitano l’interesse e la discussione tra i partecipanti. Con riferimento alle trasmissioni dei veicoli elettrici, Höhn ha innanzitutto mostrato come si affronta in modo sistematico la scelta dei rapporti di trasmissione, sulla base delle mappe di efficienza del motore e successivamente ha mostrato alcuni esempi di applicazione. In particolare, gli esempi erano finalizzati a dimostrare che, a fronte di una tendenza abbastanza generalizzata verso trasmissioni a una sola marcia, vi siano condizioni specifiche nelle quali la scelta di un cambio a due marce consente rilevanti benefici in termini di efficienza, soprattutto nel caso di autovetture con motori poco potenti (indicativamente al di sotto dei 100 kW) o dei veicoli industriali. Su questo tema, in genere il dibattito si articola soppesando l’aumento di efficienza con la maggiore complessità del sistema e, a seconda di quale aspetto si voglia privilegiare, le conclusioni possono essere diverse. Ma proprio per questo motivo, la disponibilità di modelli per la stima dell’efficienza e della sua ottimizzazione costituisce il presupposto fondamentale per pervenire ad una scelta razionale.

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Il Prof. Bernd Robert Höhn ha mostrato come si affronta in modo sistematico la scelta dei rapporti di trasmissione, sulla base delle mappe di efficienza del motore e attraverso alcuni esempi applicativi

La sessione è proseguita con un altro intervento prestigioso: Claudio Autore, di Ferrari Gestione Sportiva, ha presentato una memoria sull’ottimizzazione dei rotismi epicicloidali, che devono soddisfare specifiche sempre più stringenti in termini di prestazioni, leggerezza, densità di potenza ed efficienza, i quali sono influenzati da numerose variabili. La metodologia presentata, la cui applicazione si basa sull’utilizzo di KISSsoft, si concentra sulla definizione di un sistema opportuno di vincoli, in grado di tenere conto dei requisiti prestazionali e delle limitazioni geometriche, analizzandone tutte le possibili combinazioni. Lo studio è stato svolto in collaborazione con Massimiliano Turci, che conferma ancora una volta la propria presenza attiva ai lavori dell’AGMA.

La prima sessione si è chiusa con due presentazioni che hanno trattato della lubrificazione e in particolare dell’utilizzo della CFD per simularla. L’interesse per questo tema è sempre di grande attualità e le capacità di modellare sistemi sempre più complessi sono in rapida crescita, a beneficio dei progettisti che iniziano a disporre di strumenti affidabili per prevedere, fin dagli inizi dello sviluppo del prodotto, le performance del sistema di lubrificazione e l’efficienza. La competizione tra i due approcci praticabili, a particelle (SPH) o a volumi finiti, è tuttora aperta e, non a caso, i due lavori presentati si basavano rispettivamente sull’una e sull’altra.

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Il FTM 2023 è stata un’ottima occasione per fare il punto sullo stato della ricerca e innovazione nell’ambito ingranaggi e trasmissioni

Materiali e trattamenti termici

La mattina del secondo giorno è stata dedicata ai materiali e ai trattamenti termici, rispetto ai quali non è sufficiente ottenere prestazioni sempre crescenti ma è anche fondamentale avere la capacità di prevederle in modo affidabile, tenendo conto dell’influenza di tutti i possibili parametri, che possono essere i più svariati. Ad esempio, il lavoro presentato da FZG ha investigato mediante un estesa campagna sperimentale la influenza dell’austenite residua sulle prestazioni a fatica e pitting di ingranaggi cementati, confrontando fra di loro diverse varianti di trattamento termico.

L’esperienza dimostra che l’approccio più affidabile per caratterizzare le performance è quello costituito dall’utilizzo di ruote dentate quali provini da sottoporre a sperimentazione: tuttavia è di fondamentale interesse anche la messa a punto di modelli di calcolo per prevederle sulla base di test condotti su provini generici. In questo contesto, CETIM ha presentato un metodo di calcolo per determinare gli sforzi ammissibili a fatica da contatto e a flessione a fondo dente, partendo da dati sperimentali a flessione rotante.

Per i componenti delle trasmissioni a ingranaggi, anche la messa punto del trattamento termico, del processo e delle attrezzature, con l’obbiettivo di mantenere sotto controllo le distorsioni, è un elemento di fondamentale importanza e non poteva mancare un intervento dedicato ad alcuni sviluppi in questa direzione.

Il FTM è anche l’occasione per fare dare informazioni su qualche evoluzione in corso in ambito normativo, alla luce dei lavori dei comitati tecnici: nella Special Presentation sono state discusse alcune novità, riguardanti gli ingranaggi aeronautici, in tema di materiali speciali, di fattori metallurgici e di gradi di qualità, che saranno oggetto della nuova edizione dello Standard 926, la cui release è prevista per fine 2023.

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A sinistra, Hanspeter Dinner, General Manager di KISSsoft, che è stato infatti insignito del Best Presentation Award

Nella sessione dedicata alle modalità di avaria delle dentature si è parlato innanzitutto di fatica che, nelle sue varie modalità di manifestazione, è la tipologia di cedimento più frequente negli ingranaggi. Riguardo alla fatica al piede, il progetto in presenza di carichi variabili, o a spettro, è spesso affetto da una non trascurabile incertezza perché necessita non solamente della conoscenza della curva S-N ma anche l’utilizzo di un modello di danneggiamento cumulato affidabile. FZG ha analizzato le potenzialità dei modelli di accumulo del danno non lineare, confrontandoli con i più tradizionali modelli lineari, concentrandosi in particolare sullo studio dell’influenza della sequenza dei carichi e della presenza di sovraccarichi sulla vita utile. Lo studio si fonda sulla disponibilità di un vasto database sperimentale. In un secondo intervento targato FZG, si è discusso ancora dell’influenza dei sovraccarichi, questa volta con specifico riferimento alla frattura del fianco. La ricerca sperimentale ha mostrato che sovraccarichi numerosi hanno un impatto negativo sulla resistenza, mentre invece un numero limitato di sovraccarichi, purché di entità non eccessiva, ha un effetto benefico. Il CETIM è invece intervenuto in tema di shot-peening, pratica in grado di incrementare significativamente le prestazioni a fatica delle dentature, concentrandosi in particolare sugli effetti sulla resistenza a pitting e micropitting.

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L’interesse per la CFD è sempre di grande attualità e le capacità di modellare sistemi sempre più complessi sono in rapida crescita

Gli ingranaggi in polimeri rappresentano un capitolo a se stante e sono solo parzialmente assimilabili riguardo alle modalità di cedimento a quelli metallici: per questo motivo devono essere sottoposti a prove specifiche su banchi appositamente concepiti, come mostrato da Riccardo Longato nella presentazione targata Italia dedicata all’usura.

Anche nelle sessioni del terzo giorno si è parlato di fatica a fondo dente e ci si è focalizzati soprattutto sull’influenza della geometria del raccordo al piede. WZL ha messo in luce che piccole differenze geometriche, anche semplicemente dovute ad un diverso trattamento termico, che sovente neppure vengono misurate e considerate nel calcolo, sono in grado di produrre variazioni non trascurabili nelle prestazioni e dovrebbero pertanto essere messere in conto, auspicabilmente con modalità previste dalle norme. Sullo stesso tema e sulla base di analoghe considerazioni, il dottor Pinnekamp di Renk ha mostrato una metodologia di calcolo, fondata sull’approccio ISO delle rette tangenti a 30°, integrato con una parte numerica, per tenere conto dell’effettiva geometria locale del raccordo al piede.  Infine, anche la presentazione congiunta dei professori Pedrero (UNED) e Fuentes (Rochester) ha trattato di aspetti geometrici ed in particolare ha descritto una proposta di calcolo del fattore di forma secondo AGMA (fattore J) per le dentature interne, che attualmente non sono coperte dalle norme.

In tema di lavorazioni, non poteva mancare il power skiving, processo relativamente giovane e quindi in fase di sviluppo, per il quale è stata mostrata una metodologia per determinare l’influenza dell’orientamento dell’utensile sulla geometria e sulle tolleranze di lavorazione, creando così i presupposti per l’ottimizzazione della lavorazione.

Il controllo degli ingranaggi rispetto alle proprietà acustiche è un argomento delicato: WZL ha evidenziato come l’emissione sonora di un riduttore possa essere la conseguenza di una sfavorevole combinazione delle deviazioni di lavorazioni delle ruote ingrananti e per questo motivo usualmente è necessaria una verifica finale a fine produzione. D’altro canto, disassemblare e rimontare un riduttore a fine linea costituisce un considerevole aggravio di costi e tempi. La disponibilità di una procedura affidabile per prevedere il comportamento acustico a partire dai rilievi sulle dentature, basata su simulazione, può essere di grande aiuto, purché i tempi di calcolo siano compatibili con quelli del processo, come del caso della proposta di WZL, che utilizza un modello a rete neurale del riduttore.

Nell’ultima sessione vi sono stati due interessanti interventi da parte di KISSsoft: il primo da parte del dottor Kissling, storico fondatore e oggi presidente dell’azienda, ha mostrato una procedura per la verifica dei componenti di un riduttore, basata sulla determinazione degli spettri di sollecitazione di ciascuno di essi a partire dai dati di coppia e velocità. Il secondo ha dato modo ai partecipanti di apprezzare le approfondite competenze ingegneristiche applicative dell’azienda nell’ambito dei perni di supporto dei satelliti dei rotismi planetari di grandi dimensioni ed è stata l’occasione per conoscere e apprezzare le capacità di comunicazione di Hanspeter Dinner, General Manager di KISSsoft, che è stato infatti insignito del Best Presentation Award.

Il Fall Technical Meeting del 2024 si terrà a Chicago, dal 7 al 9 ottobre.

Electric Vehicle Town Hall

La concomitanza con l’evento fieristico, che evidentemente si rivolge a un numero molto più grande di addetti rispetto al convegno, è stata utilizzata da AGMA per organizzare l’EV Town Hall, un forum dedicato alla discussione sulle implicazioni dell’elettrificazione per il settore delle trasmissioni ad ingranaggi. L’evento, al quale hanno partecipato più di 200 persone, è stato condotto da Amir Aboutaleb, con l’obbiettivo di comprendere i bisogni degli addetti ai lavori coinvolti in questa tecnologia e le modalità con cui AGMA possa supportarli, svolgendo così un ruolo che la contraddistingue fin dagli albori.

Come vanno adattati i criteri di progetto? Quali sono gli elementi e i parametri di tolleranza più opportuni da specificare per garantire i requisiti prestazionali degli ingranaggi per EV? Come possono cambiare le proprietà richieste ai materiali? Sono solo alcune le domande emerse nel corso dell’incontro. E la risposta? Si è convenuto che i “Base Standard” già esistenti, riguardanti il calcolo della resistenza, i materiali, l’NVH, le modalità di cedimento, etc., hanno bisogno di un “Application Standard”, che guidi nella loro ottimale declinazione per le trasmissioni degli EV, come già avviene per altri ambiti, quale ad esempio quello aeronautico, che ha una propria norma di applicazione specifica. Si dovrebbe trattare di uno Standard che ad esempio fornisca indicazioni su quali elementi sia più opportuno specificare sul disegno e controllare, nonché raccomandazioni relative alla tipologia di ingranaggi suggeriti per una trasmissione per EV, alla geometria e microgeometria, alla lubrificazione, alle proprietà dei materiali, all’NVH e così di seguito. Una norma di questo tipo non può che essere la sintesi delle esperienze dell’industria e pertanto AGMA auspica che le aziende, nel rispetto della riservatezza sugli aspetti fondamentali per mantenere la competitività, si impegnino a condividerle e a portarle a fattore comune, nell’ambito di tavoli tecnici ai quali l’associazione partecipi con il ruolo di collettore e coordinatore delle attività.

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