Sulla energia dissipata in alcuni organi di macchina

Questa tesi riguarda l'analisi delle trasmissioni ad ingranaggi e delle ruote dentate in generale, nell'ottica della minimizzazione delle perdite di energia. È stato messo a punto un modello per il calcolo della energia e del calore dissipati in un riduttore, sia ad assi paralleli sia epicicloidale. Tale modello consente di stimare la temperatura di equilibrio dell'olio al variare delle condizioni di funzionamento. Il calcolo termico è ancora poco diffuso nel progetto di riduttori, ma si è visto essere importante soprattutto per riduttori compatti, come i riduttori epicicloidali, per i quali la massima potenza trasmissibile è solitamente determinata proprio da considerazioni termiche. Il modello è stato implementato in un sistema di calcolo automatizzato, che può essere adattato a varie tipologie di riduttore. Tale sistema di calcolo consente, inoltre, di stimare l'energia dissipata in varie condizioni di lubrificazione ed è stato utilizzato per valutare le differenze tra lubrificazione tradizionale in bagno d'olio e lubrificazione a “carter secco” o a “carter umido”. Il modello è stato applicato al caso particolare di un riduttore ad ingranaggi a due stadi: il primo ad assi paralleli ed il secondo epicicloidale. Nell'ambito di un contratto di ricerca tra il DIEM e la Brevini S.p.A. di Reggio Emilia, sono state condotte prove sperimentali su un prototipo di tale riduttore, prove che hanno consentito di tarare il modello proposto [1]. Un ulteriore campo di indagine è stato lo studio dell’energia dissipata per ingranamento tra due ruote dentate utilizzando modelli che prevedano il calcolo di un coefficiente d'attrito variabile lungo il segmento di contatto. I modelli più comuni, al contrario, si basano su un coefficiente di attrito medio, mentre si può constatare che esso varia sensibilmente durante l’ingranamento. In particolare, non trovando in letteratura come varia il rendimento nel caso di ruote corrette, ci si è concentrati sul valore dell'energia dissipata negli ingranaggi al variare dello spostamento del profilo. Questo studio è riportato in [2]. È stata condotta una ricerca sul funzionamento di attuatori lineari vite-madrevite. Si sono studiati i meccanismi che determinano le condizioni di usura dell'accoppiamento vite-madrevite in attuatori lineari, con particolare riferimento agli aspetti termici del fenomeno. Si è visto, infatti, che la temperatura di contatto tra vite e chiocciola è il parametro più critico nel funzionamento di questi attuatori. Mediante una prova sperimentale, è stata trovata una legge che, data pressione, velocità e fattore di servizio, stima la temperatura di esercizio. Di tale legge sperimentale è stata data un'interpretazione sulla base dei modelli teorici noti. Questo studio è stato condotto nell'ambito di un contratto di ricerca tra il DIEM e la Ognibene Meccanica S.r.l. di Bologna ed è pubblicato in [3].

This thesis deals with the analysis of the lubrication and the cooling of geared transmissions, with the intention of minimizing power losses. A physical model was developed and calibrated for the calculation of the energy and the heat dissipated in the gearbox, for both parallel shaft and planetary geartrains. This model allows the determination of the equilibrium temperature of the oil for different operating conditions. Gearbox temperature calculation in their design is not yet widespread, but it is important, especially for compact gearboxes, as in planetary gearboxes, in which the maximum transmissible power is solely governed by thermal considerations. The model here proposed was implemented in an automatic calculation system that can be tailored to various typologies of gearboxes. This calculation technique, furthermore, allows the determination of the energy dissipated under different lubrication conditions and was used to evaluate the difference between lubrication of a dry sump and an oil mist/humid gearbox. The model was applied to the particular case of a two-stage gearbox: the first one with parallel gears and the second one with epicyclic gears. An experimental test carried out on a prototype, made within the scheme of a contract between DIEM and Brevini S.p.A. of Reggio Emilia, allowed the tuning of the model parameters [1]. Another investigation concerned the study of the energy dissipated in the meshing of two gears using a model that foresees the variations in the coefficient of friction along the contact zone. On the contrary, existing models are based on an average coefficient of friction despite recognition that it varies during meshing. In particular, in the absence of finding within published literature how the performance varies in the case of corrected profile, focus was given to the value of the energy dissipated in the gears at various changes of profile [2]. Research was conducted on the function of a power-screw linear actuator comprising a worm and nut. It was found that the temperature in the contact between the worm and the nut is the most critical parameter for the functioning of this actuator. The ongoing wear mechanisms were studied with particular emphasis to the thermal aspect of the phenomena. Within the scheme of a contract between DIEM and Ognibene Meccanica S.r.l. of Bologna, a model based on an experimental test was developed for the determination of the running temperature, given the pressure, the velocity and the service factor. This model was compared to existing theoretical approaches [3].