RICERCA

GEAR FORUM 2013

Gli ingranaggi e le trasmissioni del futuro
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di Carlo Gorla –

Gli ingranaggi e le trasmissioni del futuro: efficienza e prestazioni. Un tema di estrema attualità che coinvolge e unisce il mondo della Ricerca e i capitani di industria.

Gear Forum 2013, primo convegno internazionale dedicato agli ingranaggi e alle trasmissioni di potenza,si è svolto al Palacassa Congress Centre di Parma il 20 e 21 marzo scorso, in concomitanza con la fiera MECSPE.

Nell’occasione, alcuni tra i principali esponenti mondiali, sia del mondo accademico e scientifico, sia di quello industriale, hanno fatto il punto sulle tendenze in atto nel settore della trasmissione di potenza e degli ingranaggi, con particolare riferimento ai temi delle prestazioni e dell’efficienza.

L’evento si è svolto in due giornate, la prima dedicata a una tavola rotonda nella mattina, alla quale hanno partecipato player del mondo industriale italiano e internazionale, e a una sessione scientifica pomeridiana, nella quale alcuni tra i nomi più noti della scena mondiale degli ingranaggi hanno fatto il punto su alcuni aspetti fondamentali riguardanti il tema dell’efficienza. Nella mattina della seconda giornata si sono invece svolte le presentazioni tecniche degli sponsor, mentre il pomeriggio è stato lasciato libero per consentire ai partecipanti di visitare la fiera. Il forum si è concluso con una terza giornata, dedicata a una visita aziendale presso Samp Spa, golden sponsor della manifestazione.

Sulla base dell’esperienza di eventi internazionali simili, i circa 150 congressisti regolarmente registrati costituiscono un notevole successo di partecipazione.

Università, Ricerca e industria si incontrano

Partenza alla grande fin dal primo intervento della tavola rotonda mattutina, da parte di Marco Cocchi di Ferrari Gestione Sportiva, ovviamente dedicato ai cambi delle vetture da competizione, seguito da Marco Bellini, dell’omonima azienda, sul tema della lubrificazione delle trasmissioni a ingranaggi. Con Eddy Zen e Silvia Dotto della Breton si è invece parlato di tecnologie, e si è fatto il punto sull’utilizzo dei centri di lavoro a cinque assi nella costruzione delle ruote dentate, tendenza di grande attualità alla quale gli operatori guardano con molto interesse per comprendere quali siano lo stadio di sviluppo raggiunto e i campi di applicazione vantaggiosi. Vi è poi stata una serie di interventi che hanno riguardato i SW, con Ivan Saltini della KISSsoft, i fluidi tecnologici con Paolo Cappellano della Blaser e il ruolo dei costruttori di ingranaggi, tema toccato ad Artemio Affaticati, AD di Samp. A seguire l’intervento di Luigi Cavallero della Skf e di Franco Mazzà e Jurg Huber della Sunnen riguardante il gear honing.

Anche l’ASSIOT è intervenuta alla tavola rotonda del Gear Forum, nella persona del suo segretario generale, Fabrizio Cattaneo, anche in rappresentanza di Eurotrans.

Gli ultimi quattro interventi sono stati da parte di esponenti di aziende indiane: Eicher (veicoli industriali), Hal (aeronautica e aerospazio), Mahindra e Rij Engineering (automotive).

Ma era senza dubbio la sessione del pomeriggio quella che aveva maggiormente attratto i partecipanti al convegno e che si prospettava come apice dell’evento, visto il rilievo dei relatori internazionali. Primo fra tutti il prof. Karsten Stahl, ormai da quasi due anni direttore del prestigioso centro di ricerca FZG della Technische Universität Munchen, seguito da Charlie Fischer, vice presidente della divisione tecnica dell’AGMA, da Andrea Piazza, del Centro Ricerche Fiat, da Ulrich Kissling fondatore e presidente della KISSsoft AG, da Michel Octrue del centro francese CETIM e da Michael Goldstein, della rivista statunitense Gear Technology.

Le relazioni si sono articolate in due gruppi di tre, seguiti da uno spazio dedicato alle “Questions and Answers”.

Infine, chi scrive ha svolto il ruolo di moderatore della sessione.

Influenza delle ruote dentate e della lubrificazione

Nel primo intervento, Stahl ha trattato il tema dell’efficienza delle trasmissioni a ingranaggi, evidenziando l’influenza delle ruote dentate e della lubrificazione sulla base di dati relativi alle trasmissioni automobilistiche. Partendo dall’analisi delle fonti di perdita delle trasmissioni a ingranaggi e dal loro peso sull’efficienza complessiva ha poi messo in evidenza, con il supporto di numerosi dati sperimentali, le possibili linee di intervento sui diversi fronti, quali le caratteristiche geometriche delle dentature dei “low loss gears”, il livello del lubrificante, che ha un impatto notevole sul rendimento di una trasmissione ma che, d’altro canto deve anche garantire l’affidabilità richiesta, le caratteristiche di viscosità del lubrificante, la gestione dei flussi di calore, rivestimenti superficiali e tipi di olio base.

I benefici effettivi sono stati valutati sulla base di simulazioni e di rilievi sperimentali, prendendo come riferimento i consumi di combustibile in cicli NEDC e confrontandoli con quelli di una soluzione tradizionale di riferimento.

Per esempio, gli interventi sulla dentatura, finalizzati alla riduzione della lunghezza di condotta e quindi degli strisciamenti, senza incidere in modo significativo sugli sforzi di flessione e di contatto, che portano a dentature di piccoli moduli e passi trasversali, ed elevati angoli di pressione, d’elica e larghezze di fascia, possono determinare una diminuzione del fattore di perdita dei denti che si traduce in una riduzione di energia del 13% nel NEDC. La riduzione del livello del lubrificanti può determinare, per il caso specifico considerato, un’ulteriore riduzione delle perdite del 5%. Circa il possibile effetto di un lubrificante meno viscoso, il cui utilizzo deve però essere valutato, come ha fatto il professor Stahl, alla luce di una verifica della sua influenza sulla resistenza/usura della dentatura, può portare a un ulteriore beneficio del 8 %. Anche la gestione dei flussi di calore, avente l’obbiettivo di innalzare la temperatura della trasmissione, per esempio per ottenere regimi termici ottimali in tempi più brevi, può condurre a un miglioramento del 8% e, complessivamente, sommando tutti gli effetti si può quantificare nel 30% il miglioramento conseguibile. Come già accennato, all’FZG si stanno attualmente studiando e sperimentando gli effetti combinati di oli lubrificanti con diverse basi e dei rivestimenti superficiali.

Il contributo rilevante della normativa

L’intervento di Charlie Fischer ha innanzitutto presentato l’AGMA e le sue attività, che non si riducono all’ambito normativo del quale tutti siamo a conoscenza. Venendo alle norme, alle quali i progettisti di ingranaggi sono particolarmente interessati perché parte significativa della loro quotidianità, l’AGMA sta giocando un ruolo di primo piano in ambito ISO e in particolare nel TC 60. I progetti attualmente in corso riguardano le tolleranze, la capacità di carico, i materiali e il micropitting. Uno dei principali obbiettivi sul fronte delle norme relative all’accuratezza degli ingranaggi è quella di pervenire a un’unica norma internazionale, che soppianti le norme DIN e AGMA. Riguardo ai materiali, uno dei punti più interessanti riguarda l’aggiornamento in corso dei dati di resistenza forniti dalla ISO 6336/5 che tenga conto delle recenti pratiche. Riguardo alla 6336 in generale, oltre all’aggiornamento continuo, un interessante progetto riguarda lo sviluppo di un Technical Report, che assista l’utente nell’applicazione dello Standard. Novità attese anche per le ruote coniche, in particolare con l’aggiornamento della 10300, con un metodo B1 basato sulla ricerca e un B2 basato su AGMA e Gleason, e con l’inclusione delle ruote ipoidi. Anche il micropitting, per il quale è stato sviluppato il TR 15154, è un argomento di grande attualità sul quale si sta costruendo un’esperienza che ancora manca. E infine Charlie Fischer ha sottolineato che l’attività normativa è anche e soprattutto un modo per imparare e crescere!

Sviluppi nelle trasmissioni per cambi automotive

La prima parte delle relazioni è stata conclusa da Andrea Piazza, ben conosciuto nel mondo degli ingranaggi anche a livello internazionale, anche per essere il rappresentante dell’Italia ai tavoli normativi ISO riguardanti il calcolo degli ingranaggi. L’intervento di Piazza, evidentemente legato al campo automotive, si è ben integrato e ha completato quello precedente di Stahl, grazie alla visione della trasmissione all’interno dell’intero sistema veicolo.

Infatti Piazza, dopo aver presentato una serie di dati e considerazioni riguardanti l’efficienza dei cambi automobilistici, ha sottolineato che ormai siamo prossimi ai limiti delle possibilità di miglioramento del rendimento della trasmissione che, peraltro, ha un peso limitato nell’intero veicolo, dove il motore, per esempio, è fonte di perdite ben più elevate. Questo non significa che non si debba continuare a lavorare sulle perdite intrinseche degli ingranaggi e degli altri componenti della trasmissione, visto che comunque ogni singolo grammo di CO2 è importante, ma si devono anche potenziare gli interventi sul sistema complessivo, lavorando sui tipi di trasmissione, sulla riduzione delle masse e delle inerzie, sull’utilizzo dei rapporti di trasmissione per l’ottimizzazione del rendimento complessivo, al quale il motore a c.i. contribuisce in modo preponderante. In sintesi quindi, in futuro avremo non solo cambi più efficienti, come quelli manuali, automatizzati o doppia frizione a secco, ma anche e soprattutto in grado di consentire al motore di lavorare in modo più efficiente, cioè in punti del campo di funzionamento a minor consumo specifico. Rispetto a questo obbiettivo, anche i cambi automatici, intrinsecamente meno efficienti, potranno giocare un ruolo di primo piano seguendo la tendenza attualmente in atto verso l’incremento del numero di rapporti.

Software e simulazione degli ingranaggi

Anche l’intervento di Ulrich Kissling ha suscitato grande interesse negli ascoltatori. Kissling ha ripercorso le principali tappe dello sviluppo dei software per ingranaggi, alle quali ha partecipato attivamente con un contributo significativo, a partire dagli albori fino ai nostri giorni.

Con i SW specifici degli ingranaggi è ormai possibile effettuare in modo produttivo tutti i calcoli relativi alle prestazioni, tenendo conto dei diversi tipi di cedimento e delle relative normative/metodi di calcolo. Anche lo studio del contatto tra le dentature e il dimensionamento e la verifica dell’intera trasmissione e dei suoi componenti sono ormai una realtà. Le tendenze di sviluppo negli strumenti di simulazione, oltre a seguire le novità che ci saranno relativamente ai metodi di calcolo e ai cedimenti per i diversi tipi di ingranaggi, riguarderanno soprattutto l’aspetto sistemistico e l’integrazione dei SW specifici per ingranaggi con quelli di impiego generale, quali il FEM e il multibody per esempio. Saranno quindi al centro dell’attenzione degli sviluppatori di SW i flussi di potenza, i cicli di servizio, la vita utile, la sperimentazione virtuale, le perdite dell’intera trasmissione, lo studio termico e la previsione del rumore che, a tutt’oggi, sebbene se ne comprendano le cause e le influenze, non è ancora possibile in modo quantitativo. Sicuramente gli sviluppi dei SW daranno un contributo significativo al miglioramento delle prestazioni e dell’efficienza delle trasmissioni del futuro.

La sfida degli ingranaggi a vite

Il nome di Michel Octrue è da sempre legato agli ingranaggi a vite. Alla luce delle condizioni cinematiche di ingranamento, questo tipo di ingranaggi non è particolarmente avvantaggiato riguardo all’efficienza energetica e quindi la crescente attenzione alle perdite costituisce una sfida assai impegnativa.

D’altro canto questo tipo di riduttore è molto diffuso nelle applicazioni. Il tema delle perdite in questi tipi di riduttori si interseca in modo particolare con quello delle prestazioni perché il calcolo termico costituisce in molti casi il fattore limitante. Octrue ha presentato uno stato dell’arte sulla normativa e sul calcolo e ha analizzato le perdite di potenza, mettendo in evidenza i parametri che le influenzano e la sensibilità alla loro variazione, fornendo in questo modo indicazioni molto utili per la progettazione di ingranaggi a vite più efficienti.

Lo stato dell’arte del settore

La sessione dei big è terminata con l’intervento di Michael Goldstein che ha toccato temi di natura economica, quali lo stato attuale dell’industria degli ingranaggi americana e mondiale. L’intervento di Goldstein si è basato sullo studio di molti dati e statistiche provenienti dalle associazioni e dalle agenzie governative ma anche sull’acquisizione diretta d’informazioni da parte delle aziende. Complessivamente, sebbene tenendo conto dell’attuale stato di difficoltà e di incertezza, il punto di vista di Goldstein sulle prospettive per l’industria degli ingranaggio è positivo per molti dei settori di applicazione.

L’interesse dei partecipanti per questa sessione è stata confermata dalle Q&A finali, che si sono protratte per più di mezzora oltre l’orario di chiusura prestabilito e che hanno dato luogo a un interessante discussione tra i presenti.

Concludendo, il Gear Forum ha riscosso grande soddisfazione e apprezzamento da parte dei numerosi presenti. Anche l’abbinamento con il MECSPE è stato definito “very impressive” da parte dei partecipanti internazionali. Sicuramente è un evento da ripetere e già si parla di un Gear Forum 2015.

 

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