Riassunto analitico
Il presente lavoro di tesi consiste nella generazione di un foglio di calcolo in grado di dimensionare preliminarmente i principali componenti presenti all’interno di una trasmissione per applicazioni Off-Highway.
L’attività ha avuto luogo presso Carraro Drive Tech, azienda leader nella progettazione e produzione di drivelines per veicoli Off-Highway.
In primis sono state analizzate le procedure per dimensionare i componenti presenti all’interno di un modulo ausiliario, avente la funzione di freno di stazionamento, collegabile alla trasmissione studiata.
In particolare sono stati sviluppati i metodi per il dimensionamento di cuscinetti (ISO 281, ISO 16281, catalogo SKF), profili scanalati (DIN 5480 (Niemann, Winter, Hohn) e AGMA 6123), dischi di attrito/frizioni (VDI 2241) e molle a tazza (DIN EN 16983, DIN EN 16984, Foglio calcolo Mubea).
Successivamente è stata studiata la proposta del cliente riguardante lo sviluppo di una trasmissione da installare in un wheel excavator, in grado di soddisfare dei requisiti di velocità massima e pendenza minima superabile.
L’analisi si è quindi spostata sulla determinazione di un metodo in grado di ottimizzare i tre rapporti presenti all’interno della trasmissione (avente due marce) selezionata per questa applicazione, dovendo rispettare alcuni vincoli dimensionali dati della scatola del cambio, che impone il mantenimento degli interassi dei tre alberi della trasmissione, e altri parametri caratteristici degli ingranaggi (modulo, angolo di pressione, interasse,..) e del creatore con cui vengono prodotti.
I rapporti ottimali sono stati selezionati sulla base di una valutazione riguardante la determinazione dei coefficienti di sicurezza a pitting e a bending, generati seguendo le rispettive norme ISO 6336-2 e ISO 6336-3, e di altri valori come il rapporto di ricoprimento, il gioco in testa all’ingranaggio, la riserva, lo spessore del dente in testa, la velocità di scorrimento, oltre alla velocità massima ottenibile dal veicolo e alla pendenza massima superabile.
Tutti i metodi fin ora descritti sono stati verificati tramite lo sviluppo dei rispettivi modelli utilizzando il software KISSsoft.
A questo è seguita un'analisi della microgeometria delle tre coppie di ruote dentate elicoidali tramite software KISSsys, con il quale, dopo aver generato il modello della trasmissione nella sua interezza, si sono modificati alcuni valori geometrici per ottimizzare il transmission error e le pressioni di contatto generate.
Fatto ciò è stata eseguita una verifica statica secondo Von Mises delle sezioni critiche dei tre alberi della trasmissione, dalla quale, grazie al calcolo delle forze e dei momenti agenti su di essi, sono stati verificati i cuscinetti e i profili scanalati presenti nella trasmissione.
Infine, tramite software Nastran NX, è stato sviluppato un modello dell’albero di uscita con la ruota dentata della prima marcia, in modo da eseguire una simulazione agli elementi finiti per determinare le tensioni raggiunte ai piedi e alla radice della saldatura che li collega, valutando la vita a fatica utilizzando il metodo locale PSM con approccio SED.
E' stato quindi sviluppato un foglio di calcolo che consente di verificare e dimensionare i componenti più critici all’interno di un sistema di trasmissione.
Il tutto viene supportato da una cospicua analisi delle normative che regolano i dimensionamenti dei componenti approfonditi e da una ricerca bibliografica, riguardante le tipologie di trasmissione utilizzate in ambito Off-Highway, ingranaggi (tipologie, propirietà, caratteristiche,..), limite prestazionali degli ingranaggi, microgeometria, metodi per il calcolo della fatica nella saldature e metodo PSM (SED).
|
Abstract
The present thesis work consists in the generation of a spreadsheet capable of preliminarily sizing the main components present within a transmission for Off-Highway applications.
The activity took place at Carraro Drive Tech, a leading company in the design and production of drivelines for Off-Highway vehicles.
First of all, the procedures for sizing the components inside an auxiliary module, having the function of a parking brake, which can be connected to the studied transmission, were analyzed.
In particular, methods were developed for the design of bearings (ISO 281, ISO 16281, SKF catalogue), spline profiles (DIN 5480 (Niemann, Winter, Hohn) and AGMA 6123), friction/clutch discs (VDI 2241) and disc springs (DIN EN 16983, DIN EN 16984, Mubea spreadsheet).
Subsequently, the customer's proposal was studied regarding the development of a transmission to be installed in a wheel excavator, capable of meeting the requirements of maximum speed and minimum gradeability.
The analysis then moved on to the determination of a method capable of optimizing the three ratios present within the transmission (having two gears) selected for this application, having to comply with some dimensional constraints given by the gearbox, which requires the maintenance of the wheelbases of the three transmission shafts, and other characteristic parameters of the gears (module, pressure angle, center distance,..) and of the creator with whom they are produced.
The optimal ratios were selected on the basis of an evaluation regarding the determination of the pitting and bending safety coefficients, generated following the respective ISO 6336-2 and ISO 6336-3 standards, and other values such as the contact ratio, the clearance at the tip of the gear, the reserve, the thickness of the tooth at the tip, the sliding speed, in addition to the maximum speed that can be obtained by the vehicle and the maximum gradient that can be passed.
All the methods described so far have been verified by developing the respective models using KISSsoft software.
This was followed by an analysis of the microgeometry of the three pairs of helical gears using KISSsys software, with which , after having generated the transmission model in its entirety, some geometric values were modified to optimize the transmission error and the generated contact pressures.
Once this was done a static verification according to Von Mises was performed on the critical sections of the three transmission shafts, from which, thanks to the calculation of the forces and moments acting on them, the bearings and spline profiles in the transmission were checked.
Finally, using Nastran NX software, a model of the output shaft was developed with the first gear wheel in order to perform a finite element simulation to determine the stresses reached at the toe and at the root of the weld that connects them, evaluating the fatigue life using the local PSM method with SED approach.
A spreadsheet was then developed that allows the most critical components within a transmission system to be verified and sized.
All this is supported by a conspicuous analysis of the regulations governing the sizing of the components and by a bibliographic search, concerning the types of transmission used in Off-Highway, gears (types, properties, characteristics,..), performance limits of the gears, microgeometry, methods for calculating fatigue in welding and PSM method (SED).
|
