Fatigue Performance Evaluation of Gears used in Off-Highway Drivelines

Le ruote dentate costituiscono il cuore dei sistemi di trasmissione di potenza. Lo studio della loro resistenza a fatica è indispensabile per le aziende che progettano e producono trasmissioni. Il lavoro qui presentato affronta lo studio della resistenza a fatica flessionale e da contatto di ingranaggi montati su assali e trasmissioni di veicoli fuoristrada. Questo lavoro è stato svolto nell'ambito di un Dottorato in Alto Apprendistato finanziato da Carraro Drive Tech, e ha previsto lo svolgimento dell'attività parte in Azienda e parte presso l'Università. Il lavoro è stato strutturato dapprima affrontando lo studio delle normative che trattano la progettazione di ruote dentate, in particolar modo la normativa ISO 6336 per le ruote cilindriche. Si sono poi appresi gli strumenti di calcolo commerciali per la loro applicazione in modo automatico su modelli virtuali. Con tali conoscenze si sono modellati i test mirati alla validazione di nuovi assali eseguiti negli ultimi anni da Carraro Drive Tech. Incrociando i risultati dei calcoli con le durate riscontrate durante i test si sono costruite le curve a fatica flessionale e da contatto per le applicazioni dell'Azienda. I risultati sperimentali hanno dimostrato che la dispersione statistica relativa alla resistenza a fatica flessionale e da contatto può essere notevole, e l'estrapolazione di curve ad elevate probabilità di sopravvivenza ha mostrato come i limiti dichiarati nella normativa ISO 6336 risultino troppo ottimistici per le applicazioni considerate. Il lavoro si è poi concentrato sullo studio della fatica a base dente di ruote dentate, pianificando un programma di prova che ha coinvolto acciai cementati provenienti da diverse aree dove l'Azienda sta localizzando la produzione di componentistica. I test comparativi, sia statici che a fatica, sono stati realizzati su provini lisci e cementati in modo da ricreare il più possibile la condizione superficiale dei denti di una particolare ruota dentata usata in Azienda. I vari acciai hanno dimostrato resistenza meccanica in linea con quella dei migliori acciai cementati presenti in letteratura, e caratteristiche comparabili tra le diverse aree di provenienza. Maggiore attenzione è stata riservata al 20MnCr5, eseguendo prove di fatica a flessione anche su provini intagliati e su ruote dentate. I dati sperimentali ottenuti sono stati usati come base per applicare i diversi metodi di progettazione della normativa ISO 6336 e verificarne l'attendibilità. La correlazione tra le curve di fatica ricavate su provini e ruote dentate è di forte interesse per le aziende che operano nel settore delle trasmissioni di potenza, perchè eseguire prove di fatica su provini è potenzialmente più rapido, economico e semplice di eseguire prove su ruote dentate. L'uso di provini inoltre permette di confrontare le capacità produttive di fornitori diversi, confrontando direttamente i limiti di fatica sperimentali. Tale approccio è più dettagliato di utilizzare le curve standardizzate della ISO 6336, dove il comportamento a fatica è fornito solo in funzione della qualità dell'acciaio considerato, che però non viene valutata con controlli che considerano in modo esplicito il limite di fatica. I metodi della normativa hanno saputo rappresentare il comportamento della ruota dentata osservato sperimentalmente solo in modo parziale, specialmente per quanto riguarda la stima della sensibilità all'intaglio. Per questa ragione, i dati sperimentali raccolti sono stati usati per sviluppare e migliorare i metodi di progettazione riportati in normativa, portando a risultati più soddisfacenti. Il limite di durata ottenuto su provini ed ingranaggi è risultato essere collocato tra i 50,000 e 300,000 cicli, valori molto più bassi dei 3,000,000 di cicli proposti dalla ISO 6336. La metodologia di prova su ingranaggi usata nello studio è risultata più completa ed efficace delle attuali procedure di prova aziendali, riuscendo a caratterizzare l'intera curva di fatica in tempi molto più ridotti. Lo studio delle proprietà a fatica flessionale è stato corredato anche dalla osservazione al microscopio a scansione elettronica delle superfici di rottura ottenute sui provini, all'analisi delle tensioni residue indotte dalla cementazione, all'influenza che la rettifica può apportare sulle superfici cementate e alla presenza di una tensione media. I risultati sono stati discussi e confrontati con le prescrizioni riportate nella ISO 6336, trovando in alcuni casi solo parziale accordo