In questo lavoro viene proposto un nuovo banco prova, progettato per fornire informazioni sui flussi d’olio all’interno di una cassa ingranaggi di prova lubrificata a getto mediante un approccio quantitativo, anziché qualitativo. Su tale banco prova è stata condotta un’estesa campagna sperimentale. Tali risultati vengono qui discussi al fine di evidenziare i fattori che influenzano maggiormente il comportamento del flusso dell’olio lubrificante dopo l’impatto del getto sui fianchi dei denti.
Introduzione
Gli ingranaggi trasmettono potenza tra assi diversi mediante il contatto tra profili coniugati. La forma del profilo adottato fa sì che questo avvenga in presenza di rotolamento e strisciamento. La lubrificazione è essenziale per separare fisicamente le superfici, limitando l’attrito e rimuovendo il calore generato durante l’ingranamento[1]. Nelle trasmissioni ad alta velocità, la lubrificazione può essere effettuata a sbattimento o a getto, in cui ugelli fornisco olio in pressione solo nelle zone d’interesse. Quest’ultima soluzione è considerata nel presente studio per il suo interesse applicativo.
Il lavoro si inserisce nel contesto delle Main Gear Box (MGB) elicotteristiche, lubrificate a getto, nelle quali l’olio svolge una ulteriore funzione diagnostica, trasportando eventuali detriti metallici verso i chip detector. È necessario garantire che l’olio raggiunga le zone critiche, raccolga i detriti e li convogli verso il sensore. Per questo motivo è fondamentale conoscere direzione, intensità e distribuzione dei flussi d’olio all’interno della cassa. In questo contesto, la Computational Fluid Dynamic (CFD) è indubbiamente uno strumento promettente per analizzare la distribuzione dell’olio in geometrie complesse; tuttavia, la affidabilità dei suoi risultati richiede una validazione sperimentale specifica.
Per tale motivo è stato sviluppato un banco prova semplificato, progettato per riprodurre in modo controllato le principali condizioni operative del sistema reale. In tale banco la misura principale è la quantità di olio raccolta da tasche disposte radialmente attorno alla coppia di ingranaggi. I risultati permettono di valutare quantitativamente l’influenza di velocità di rotazione, numero di ugelli attivi, pressione e portata del getto, temperatura dell’olio e variazioni geometriche degli ingranaggi sulla distribuzione finale del lubrificante.
Contesto sperimentale
La lubrificazione a getto degli ingranaggi è stata studiata a partire dagli anni Settanta, con particolare attenzione alla capacità del getto d’olio di raggiungere la zona di ingranamento e di garantire il corretto raffreddamento dei fianchi dentati. I primi lavori, principalmente associati a Townsend e Akin [2,3], hanno fornito modelli descrittivi, dati termici e prime visualizzazioni del fenomeno.
Una revisione della letteratura sperimentale inerente alla lubrificazione dei riduttori ha evidenziato che la lubrificazione a getto è meno documentata rispetto alla lubrificazione a sbattimento. Su 63 studi analizzati, meno di un terzo sono riferiti al caso di interesse [4].
In generale, i metodi sperimentali più diffusi per lo studio della lubrificazione sono la misura delle perdite di potenza associata al lubrificante e l’analisi fotografica. Tuttavia, entrambe le tecniche presentano limiti significativi. Le perdite di potenza sono misure indirette e includono contributi di cuscinetti, tenute e altri componenti [5]. L’analisi fotografica, pur utile per osservare il comportamento globale del flusso, fornisce informazioni prevalentemente qualitative.
Tecniche più avanzate, come LDA e PIV (vedi [6]), permettono misure di velocità puntuali o campi di moto bidimensionali e tridimensionali, ma richiedono condizioni ottiche favorevoli. Nel caso della lubrificazione a getto, la presenza di olio colorato, miscela olio-aria e micro-gocce limita l’applicabilità di tali metodi. Anche l’analisi termica (vedi [7]), mediante termocoppie o termografia infrarossa, fornisce informazioni utili, ma descrive soprattutto l’effetto del lubrificante sui componenti, non la distribuzione diretta dell’olio.
Per questi motivi, il presente studio adotta un metodo di misura diretto basato sulla raccolta dell’olio. Tasche di estrazione poste a valle dei getti permettono di valutare la quantità di lubrificante raccolta in un intervallo di tempo definito. Tale approccio è semplice, applicabile indipendentemente dal tipo di olio, meno sensibile alle condizioni ottiche e più direttamente collegato alla distribuzione del lubrificante rispetto alle misure di efficienza. Nonostante la sua semplicità, il banco qui discusso risulta essere uno dei primi realizzati.
Il limite principale della tecnica è la natura locale della misura, poiché ciascuna tasca descrive solo una specifica regione della cassa. Per compensare tale limite, i dati quantitativi sono integrati con osservazioni fotografiche e registrazioni ad alta velocità. Il banco prova è quindi costituito da una coppia di ingranaggi cilindrici a denti diritti racchiusi in carter (shrouding) dedicati, dotate di tasche di raccolta e di un pannello trasparente per l’accesso ottico all’intero volume interno. Uno schema riportante una sezione della geometria finale del banco è riportato nella figura 1.
Sviluppo del banco prova
Il banco prova è stato sviluppato a partire dal “CENIT2”, un banco prova a ricircolo di potenza per prove di fatica da contatto. Il banco ha un interasse di 91,5 mm e rapporto di trasmissione 17/18. Rispetto a un banco FZG convenzionale, il carico torsionale è applicato mediante un attuatore idraulico rotante. Inoltre, come nei comuni banchi prova per ingranaggi, è presente un sistema dedicato al controllo della temperatura del lubrificante prima dell’ingresso nei riduttori
Per le finalità del presente studio, il riduttore di prova è stato riprogettato modificandone la cassa e, parzialmente, il sistema di lubrificazione. Della configurazione originale è stata conservata solo una metà della cassa, mentre alberi, cuscinetti e componenti rotanti sono stati progettati nuovamente. Le scelte geometriche sono state vincolate dalle dimensioni del banco e dalla posizione degli ugelli, cercando comunque di riprodurre le condizioni principali di una MGB reale. Sono stati adottati olio AeroShell Turbine Oil 555, ugelli da 1 mm diretti verso la zona di ingranamento, pressione nominale di 4 bar e carter che “avvolgono” la ruota.
Le prove sono condotte a coppia molto bassa per evitare fenomeni di gear rattle. Gli alberi sono quindi disposti a sbalzo e supportati da cuscinetti radiali a sfere schermati, montati in cartucce inserite nella cassa. Tale configurazione evita con la lubrificazione degli ingranaggi e garantisce ampio accesso ottico alla zona di interesse. La cassa è costituita da più piastre tagliate al laser, nelle quali sono ricavate le tasche di raccolta e i rispettivi canali di scarico. I bordi rialzati delle tasche separano fisicamente le diverse zone di raccolta, così che l’olio drenato possa essere associato a una regione specifica della cassa. I canali convogliano il lubrificante verso raccordi filettati posti sulla piastra frontale, dai quali l’olio viene scaricato in cilindri graduati. La quantità raccolta in intervalli temporali definiti costituisce il dataset quantitativo dello studio.
Un pannello frontale trasparente consente l’osservazione diretta. Durante le acquisizioni ad alta velocità, l’olio drenato viene convogliato in un contenitore separato anziché nei cilindri graduati. La geometria complessiva del banco è simmetrica rispetto al piano medio della fascia dentata, condizione utile per l’applicazione di piani di simmetria negli eventuali modelli CFD. Dopo l’assemblaggio, il banco è stato verificato controllando l’integrità del sistema, l’assenza di perdite tra i componenti e il corretto drenaggio da tutte le tasche di raccolta.
Le figure 2 e 3 mostrano due diverse viste del banco prova durante le registrazioni video ad alta velocità. In particolare, la figura 2 mostra il set-up completo, inclusi la telecamera e il sistema di illuminazione. Il pannello blu verticale contiene il sistema di controllo della portata d’olio. La figura 3 mostra la vista frontale del banco e il campo visivo della telecamera. In questa immagine sono chiaramente visibili anche i tubi di drenaggio dell’olio. Durante le prove con acquisizione video, questi tubi scaricano l’olio in un secchio e non nei cilindri graduati dedicati.
Campagna sperimentale
La procedura di misura della distribuzione dell’olio prevede l’attivazione dei getti e della rotazione degli alberi, il funzionamento del banco per 5 min e, infine, l’arresto con raccolta dell’olio residuo.
Le prove preliminari hanno permesso di valutare il transitorio iniziale, comprendente il tempo necessario al raggiungimento della velocità impostata e il ritardo tra l’attivazione degli ugelli e l’arrivo dell’olio ai cilindri graduati. Nelle condizioni più sfavorevoli, tale ritardo è risultato pari a circa 20 s. La ripetibilità delle misure è risultata comparabile con la risoluzione dei cilindri graduati, pari a 50 ml, corrispondente a circa l’1% del volume erogato da ciascun ugello durante i 5 min di prova.
La campagna sperimentale ha considerato due coppie di ingranaggi, indicate come geometrie “A” e “B”. Le due configurazioni presentano lo stesso modulo e lo stesso numero di denti, ma differiscono per spostamento di profilo, diametro di testa e larghezza di fascia. La geometria “A” rappresenta il caso di riferimento, mentre la geometria “B” è stata inclusa per valutare l’influenza delle variazioni geometriche sulla distribuzione del lubrificante.
La campagna principale è stata condotta su entrambe le geometrie a 500, 1000, 1500, 2000, 2500 e 3000 rpm, in entrambi i versi di rotazione. Per ciascuna velocità sono state considerate tre configurazioni di alimentazione: solo ugello superiore, solo ugello inferiore ed entrambi gli ugelli attivi. In questa fase, la pressione degli ugelli è stata mantenuta a 4 bar e la temperatura dell’olio a 60 °C, per un totale di 72 condizioni operative. In queste condizioni, la portata media misurata sul singolo è risultata pari a 0.85 l/min.
Una seconda serie di prove è stata eseguita sulla geometria “A” agli estremi del campo di velocità, ancora in entrambi i versi di rotazione e con le tre configurazioni degli ugelli. Sono stati valutati l’effetto della pressione, pari a 3 e 5 bar a 60 °C, e l’effetto della temperatura dell’olio, aumentata a 90 °C mantenendo la pressione a 4 bar. Questa serie ha aggiunto 24 condizioni operative. Le misure quantitative di raccolta dell’olio sono state integrate con osservazioni ad alta velocità, al fine di interpretare qualitativamente i percorsi principali del lubrificante. Le registrazioni sono state eseguite con una telecamera Phantom VEO-E 310L e illuminazione LED dedicata. Le immagini sono state acquisite a 7500 fps, pari a dieci volte la frequenza di ingranamento alla massima velocità di prova. Fotografie e video sono stati acquisiti per la geometria “A” a diversi livelli di velocità, configurazioni degli ugelli e versi di rotazione. A titolo di esempio, le figure 4 e 5 mostrano due diversi fotogrammi.
Come riportato in figura 6, la nomenclatura adottata per le prove distingue il verso di rotazione rispetto al pignone e la posizione degli ugelli, superiore e inferiore, entrambi orientati verso la zona di ingranamento. In rotazione oraria, l’ugello inferiore lavora in configurazione in-mesh e quello superiore in configurazione out-of-mesh; in rotazione antioraria si verifica la condizione opposta.
A titolo di esempio dei dati quantitativi raccolti, la figura 7 mostra alcuni dati ottenuti con la geometria A. I risultati sono espressi come valori medi e come percentuale della portata totale erogata misurata. I dati completi della campagna sono raccolti in [4], a cui rimandiamo il lettore interessato.
Discussione
Come è possibile capire anche dalle mappe di colore ripotate in figura 7, la configurazione dell’ugello rispetto alla zona di contatto modifica in modo significativo l’interazione tra getto e denti. In modalità out-of-mesh, il getto impatta su fianchi dentati che si muovono in direzione opposta, causando una maggiore frammentazione e dispersione dell’olio. Tale effetto è particolarmente evidente alle basse velocità e produce spruzzi intensi sul pannello trasparente. In modalità in-mesh, invece, il getto risulta meno disturbato, poiché il moto dei denti è concorde con la direzione del getto; di conseguenza, la tasca centrale tende a raccogliere la frazione maggiore di lubrificante.
Le registrazioni ad alta velocità confermano tali tendenze. Nei casi out-of-mesh si osserva una regione fortemente disturbata, spostata rispetto alla zona di ingranamento, dovuta all’impatto del getto sui denti in moto contrario. Nei casi in-mesh, il disturbo è più contenuto e localizzato in prossimità della zona di contatto. L’aumento della velocità modifica progressivamente la distribuzione dello spruzzo, ma non altera la gerarchia generale tra tasche centrali e laterali.
Il confronto tra la somma dei risultati ottenuti con i singoli ugelli e le misure con entrambi gli ugelli attivi mostra una buona sovrapposizione., come mostrato nell’esempio riportato in figura 8. Valutando tale condizione su tutti i casi sperimentali riportati, l’errore medio assoluto è pari a 164 ml, circa il 4% della portata erogata da un singolo ugello, indicando un’interazione limitata tra i due getti. Tale risultato è coerente, poiché i denti separano fisicamente i getti e ne impediscono l’interazione diretta prima dell’impatto sui fianchi.
Il confronto tra le geometrie “A” e “B” evidenzia che le differenze geometriche non modificano il comportamento macroscopico del flusso. Tuttavia, la geometria “A” produce distribuzioni più simmetriche, mentre la geometria “B” tende a favorire le tasche di destra, in particolare con rotazione oraria e ugello superiore attivo. Questo effetto è attribuito ai diversi diametri di testa e alla conseguente asimmetria degli spazi tra ingranaggi e cuspidi della cassa.
Le variazioni di pressione dell’ugello e di temperatura dell’olio modificano la portata, poiché l’aumento della pressione o la riduzione della viscosità incrementano il flusso volumetrico. Tuttavia, la distribuzione globale tra le tasche rimane sostanzialmente invariata, come mostrato nell’esempio riportato in figura 9. Le differenze osservate sono prevalentemente locali e spesso compensate dalle tasche adiacenti. Pertanto, pressione e temperatura influenzano solo localmente, senza però in modo significativo i principali percorsi macroscopici dell’olio all’interno della cassa.
Conclusioni
Il presente lavoro fornisce un dataset sperimentale quantitativo per lo studio dei flussi d’olio in riduttori lubrificati a getto. Sulla base della revisione della letteratura, è stato sviluppato un banco prova dedicato alla misura della quantità di olio raccolta in tasche disposte radialmente attorno alla zona di ingranamento. Tale grandezza è stata scelta perché permette una valutazione diretta della distribuzione del lubrificante all’interno della cassa e costituisce un riferimento utile per la validazione di modelli CFD.
Il banco prova è stato progettato per analizzare i principali parametri che influenzano i flussi d’olio prima dello sviluppo completo dei modelli numerici. La campagna sperimentale comprende numerose condizioni operative, ottenute variando geometria degli ingranaggi, configurazione degli ugelli, velocità e verso di rotazione, pressione a monte degli ugelli e temperatura dell’olio. Le misure quantitative sono state integrate con registrazioni ad alta velocità, per supportare l’interpretazione dei principali percorsi del lubrificante.
I risultati mostrano che la distribuzione globale dell’olio è governata soprattutto dal verso di rotazione e dalla configurazione in-mesh o out-of-mesh dell’ugello attivo. La velocità di rotazione, la pressione dell’ugello e la temperatura del lubrificante producono invece variazioni prevalentemente locali e graduali, senza modificare in modo sostanziale le tendenze macroscopiche. Inoltre, le distribuzioni ottenute con due getti attivi risultano ben approssimate dalla sovrapposizione dei corrispondenti casi a singolo getto, indicando una limitata interazione diretta tra i due getti nella configurazione analizzata.
Sebbene le conclusioni siano riferite alla specifica geometria sperimentale considerata, il lavoro introduce una metodologia semplice e quantitativa per caratterizzare la lubrificazione a getto e fornisce dati utili per la validazione CFD. Studi futuri su ulteriori geometrie e configurazioni di lubrificazione permetteranno di estendere la comprensione dei meccanismi che regolano la distribuzione dell’olio nei riduttori.
