Analysis and design against pitting of gears in power transmissions for off-highway vehicles

Il lavoro descritto in questa tesi è stato sviluppato nell'ambito di un programma di apprendistato in alta formazione e ricerca in collaborazione con Carraro S.p.A., azienda leader nel mercato delle trasmissioni di potenza per veicoli “off-highway”, ovvero veicoli destinati ad uso in campo agricolo ed industriale. Lo studio è finalizzato all'analisi dei meccanismi che portano al cedimento per fatica da contatto degli ingranaggi, ed allo sviluppo di metodi affidabili ed efficienti per caratterizzare i materiali con cui vengono realizzate le ruote dentate. Il pitting è il più pericoloso tra i fenomeni di fatica da contatto a cui gli ingranaggi sono soggetti. Si manifesta con la formazione di crateri sulle superfici, che causano rumore, vibrazioni e perdita di efficienza, e può a sua volta dare luogo a danni secondari come la frattura dei denti. Le ruote solari dei riduttori epicicloidali che costituiscono lo stadio finale di riduzione delle trasmissioni fuoristrada sono particolarmente critiche dal punto di vista del pitting, essendo soggette a coppie elevate ed a condizioni di scarsa lubrificazione determinate dalla bassa velocità di rotazione. In questo lavoro, i fenomeni di fatica da contatto sono studiati sulla base della loro osservazione su ruote solari danneggiate durante i test di validazione eseguiti sugli assali completi. I meccanismi di cedimento, così come gli approcci più comuni proposti in letteratura per la valutazione della capacità di carico e la previsione della durata degli ingranaggi, sono commentati attraverso un'analisi della letteratura esistente sull'argomento. Il problema della progettazione a pitting degli ingranaggi cementati è quindi affrontato da due diversi punti di vista: in primo luogo i limiti di resistenza per i materiali utilizzati dai fornitori di Carraro S.p.A. nella produzione di ingranaggi cementati sono stati determinati sulla base di una rianalisi del database dei test di validazione eseguiti in passato gli assali completi; in secondo luogo, un'analisi sperimentale della distribuzione della pressione sui denti delle ruote solari durante il funzionamento ha permesso di valutare le principali discrepanze tra i modelli teorici e i sistemi attuali, al fine di migliorare la consapevolezza nell'uso dei pacchetti software di calcolo dedicati alla previsione della durata delle ruote dentate. Infine, viene descritto lo sviluppo di un banco di prova per la caratterizzazione della fatica da contatto di materiali per ruote dentate, mediante prove relativamente veloci su coppie di dischi di semplice ed economica realizzazione. Viene inoltre presentato l’approccio utilizzato per ricreare le condizioni operative di una particolare coppia di ruote dentate mediante un design dedicato di provini, e sono discusse le problematiche riscontrate nel tentativo di ricavare una correlazione fra le prestazioni a fatica di ingranaggi e dischi.