Danneggiamenti degli Ingranaggi

Danneggiamenti degli Ingranaggi. Tratto da Cibaldi C. I criteri di scelta e di trattamento degli acciai da costruzione e da utensilii Vol. IV Dignosi dei Difetti Metallurgici

Gli ingranaggi, o ruote dentate, sono meccanismi che risolvono il problema della trasmissione del movimento e del lavoro tra due alberi che ruotano in verso costante. Il loro campo d’applicazione non ha limiti, per velocità e potenza; infatti, si passa da ruote lentissime (pochi giri al minuto), come gli ingranaggi di orologi o d’impianti di sollevamento, a ruote velocissime, come gli ingranaggi del cambio di automobili di formula 1, che ruotano a velocità di parecchie migliaia di giri il minuto. Per quanto riguarda la potenza si passa da valori pressoché nulli (ingranaggi di orologi da polso) a valori di migliaia di kW (trasmissione tra albero di una turbina idroelettrica e quello di un alternatore, o tra l’albero di un grande motore marino e quello dell’elica di una nave). Gli ingranaggi possono lavorare nelle condizioni più disparate e assai più numerose di quelle in cui normalmente lavorano altri componenti meccanici. Gli assi di rotazione degli ingranaggi possono essere paralleli (ruote dentate cilindriche), concorrenti (ruote dentate coniche), sghembi (ruote dentate elicoidali) e ortogonali, come nelle coppie ingranaggio/vite senza fine. I profili dei denti sono progettati in modo che il movimento reciproco avvenga come se fossero due circonferenze che rotolino l’una sull’altra senza strisciare. Tuttavia, quando il punto di contatto tra due denti in presa si allontana dalla circonferenza primitiva verso la cresta (addendum) o la radice del dente (dedendum), il movimento relativo tra le due superfici in contatto non è più un semplice rotolamento, ma è anche strisciamento, che aumenta con la distanza. Ciò genera dissipazione d’energia e usura del fianco del dente. Quando una ruota dentata possiede un diametro infinitamente grande (ingranaggio rettilineo) si definisce cremagliera che, opportunamente accoppiata, trasforma il moto di rotazione in traslazione.

Infatti, frequentemente accade che il danneggiamento di una ruota dentata dipenda da quella accoppiata, o dal montaggio non corretto, o a disallineamento o flessione eccessiva degli alberi di trasmissione. Per affrontare la diagnosi di difetto degli ingranaggi l’Analista deve conoscere la terminologia appropriata (figure 1, 2, 3)

I risultati di studi statistici sulle principali cause del danneggiamento e delle rotture degli ingranaggi mostrano che:

• il 38 % dei casi avviene per danneggiamento superficiale, suddiviso in:

• 25 % da pitting (fatica superficiale che innesca cricche subcorticali), spalling (fatica superficiale che innesca cricche in superficie) e/o crushing (scheggiatura superficiale per fatica da pitting e spalling);
• 13 % da scoring (prima fase del grippaggio) e scuffing (danneggiamento da usura adesiva con formazione di striature lisce e brunite, che precorrono il grippaggio).

• il 32 % dei casi avviene per rottura di fatica a flessione alternata alla base del dente;
• il 24 % per urto o sovraccarico singolo;
• il 6 % per cause diverse.

Molti casi di danneggiamento e rottura sono attribuiti al progetto, all’installazione, alle condizioni d’esercizio o alla cattiva o mancanza di manutenzione. Raramente il materiale usato per la fabbricazione degli ingranaggi è la principale causa del danneggiamento. Tuttavia, è noto che i microdifetti dell’acciaio, affioranti o subcorticali, possono favorire l’innesco di fratture di fatica da contatto. Anche i difetti indotti dalle condizioni d’esercizio dell’ingranaggio, quali l’erosione, la corrosione e le ammaccature possono favorire la frattura. I tipi di danneggiamento degli ingranaggi possono essere raggruppati in quattro classi: usura; fatica; deformazione plastica; frattura. Un ingranaggio può rompersi per più cause concomitanti. Può anche accadere che una frattura sia la conseguenza di un danneggiamento progressivo indotto da un altro meccanismo. La diagnosi di difetto (classificazione e identificazione dei meccanismi di danneggiamento e rottura), deve saper distinguere le cause e gli effetti e deve dare suggerimenti per risolvere il problema. Negli ingranaggi sono normali l’usura da smerigliatura e tutti i tipi d’usura di fatica da contatto (salvo la cavitazione), che portano inevitabilmente al degrado nel tempo e all’avaria (figura 3), mentre sono rare l’usura erosiva, l’usura da scalfittura e l’usura da fretting.

Usura degli Ingranaggi – Suddivisione

L’usura adesiva che nella forma più grave porta al grippaggio (figura 5) è possibile quando la lubrificazione è insufficiente o inadeguata. L’usura degli ingranaggi può essere ulteriormente suddivisa in:

• usura normale (rodaggio o lucidatura);
• usura moderata (porta all’aumento dei giochi e alla rumorosità);
• usura distruttiva (decreta l’avaria);
• usura da interferenza (asporta materiale nel dedendum e sulla cresta dei denti e porta alla perdita delle quote iniziali. Favorisce la rumorosità, la fatica superficiale severa o la rottura dell’ingranaggio);
• usura corrosiva (combinazione di varie forme d’usura e della corrosione).

Danneggiamento per Deformazione Plastica

Il danneggiamento per deformazione plastica degli ingranaggi si riferisce alla deformazione superficiale permanente dei denti dell’ingranaggio, come effetto del superamento del carico unitario di snervamento sotto sollecitazioni troppo intense, spesso dovute ad urti. Il fenomeno è favorito nei materiali relativamente teneri e duttili, ma può avvenire anche negli acciai temprati e distesi. I più comuni tipi di deformazione plastica negli ingranaggi sono: la rullatura (rolling); la pallinatura (peening); l’ondulazione o increspatura; la striatura o increstatura (ridging).

Danneggiamenti degli Ingranaggi Fratture

Quando si parla di frattura di un ingranaggio s’intende la rottura di una parte sostanziale o di un intero dente o di più denti. Anche la cricca (inizio della frattura) di un dente è considerata una frattura a tutti gli effetti, perché la cricca rende inservibile l’ingranaggio quanto la perdita parziale o totale di un dente. Le fratture dei denti degli ingranaggi sono generalmente dovute a: fatica; usura; sovraccarico; cricche di tempra; cricche da rettifica. È importante saper distinguere le fratture di fatica da quelle che dipendono da altre cause, perché i rimedi sono diversi. Per comprendere le cause delle fratture di fatica a flessione dei denti di un ingranaggio bisogna capire come sono caricati. Essi ricevono una spinta sulle superfici di contatto e lavorano come una trave a sbalzo. Il massimo sforzo di flessione si ha alla radice, o nella zona di raccordo alla base del dente; dunque ogni frattura innescata alla base dei denti è dovuta a flessione e si propaga per fatica fino alla frattura di schianto dell’intero dente, o una sua parte, come si può riconosce bene con l’esame visivo per la presenza di linee di spiaggia, concentriche al punto d’innesco (figura 8). Questo tipo di danneggiamento ha tutte le caratteristiche macro e micrografiche della fatica per il susseguirsi di sollecitazioni cicliche e dipende dal numero di volte in cui si ripete una variazione di sollecitazione in un dato intervallo d’intensità piuttosto che dal tempo complessivo sotto carico, non avviene a sollecitazioni d’intensità inferiori al limite di fatica dell’acciaio, è fortemente favorito dagli intagli, solchi, discontinuità superficiali e imperfezioni subcorticali, che agiscono da concentratori di sforzi e fanno diminuire lo sforzo che può essere sopportato per un dato numero di cicli, aumenta significativamente al crescere del valore medio della sollecitazione di trazione del ciclo di carico. La frattura di fatica per flessione del dente è il più comune tipo di rottura degli ingranaggi, che avviene e progredisce nell’area soggetta alla massima sollecitazione di flessione ed è contraddistinta da cinque condizioni: 1) l’origine si trova presso il raccordo alla radice del lato caricato del dente; 2) l’origine giace nei pressi del centro della larghezza del dente, dove si rileva la massima sollecitazione nel caso di ingranaggi correttamente allineati; 3) un dente si rompe per primo e la frattura progredisce lentamente verso l’interno fino al punto di sollecitazione nulla al centro del dente sulla circonferenza di base e poi si sposta verso il raccordo del lato opposto del dente, procedendo verso l’esterno; 4) come la frattura progredisce, il dente flette a ogni ciclo di carico e permette la compressione simultanea del raccordo di cresta del dente successivo sul dedendum del dente dell’ingranaggio antagonista, generando un sovraccarico. Ciò porta alla rapida frattura del dente successivo nella stessa posizione del precedente. L’aspetto della frattura del secondo dente appare più recente di quello della prima frattura; 5) le caratteristiche metallurgiche del materiale influenzano notevolmente la resistenza a fatica a flessione del dente. Le caratteristiche della fatica classica per flessione dei denti possono essere studiate con modelli fotoelastici. Una volta che la cricca è iniziata al raccordo della radice del dente si propaga verso il punto di sollecitazione nulla (figura ..) e poi continua fin sotto il raccordo del lato opposto. A questo punto cede di schianto la sezione minore fino a raggiungere la superficie del raccordo opposto. Durante la rottura di fatica il dente flette progressivamente di più e permette al raccordo della cresta del dente successivo di interferire col dedendum del dente dell’ingranaggio opposto. Il carico sul primo dente diminuisce, permettendo una propagazione più lenta per la minore sollecitazione ciclica, ma il dente successivo è sovraccaricato ed è solo questione di tempo affinché s’inneschi una cricca di fatica nella stessa posizione del dente già rotto.

La fatica termica negli ingranaggi è rara, ma si può talvolta osservare sulle superfici laterali soggette a frizione sotto una spinta d’elevata intensità. Esse si possono ripetutamente riscaldare per attrito e raffreddare subito dopo. Ciò favorisce le condizioni per l’innesco di cricche da fatica termica. Questo fenomeno non si manifesta praticamente mai sulle superfici attive dei denti dell’ingranaggio.

Le fratture per usura severa si manifestano su sezioni dei denti progressivamente ridotte dall’asportazione di materiale, fino alla rottura di schianto quando l’area non è più sufficiente per reggere le sollecitazioni reali. Questo tipo di rottura è classificata come danneggiamento per usura, perché la vera causa della frattura è l’usura.

Anche la corrosione, come l’usura severa, può asportare dai denti dell’ingranaggio tanto materiale da ridurne le dimensioni al punto che la sezione restante non sia più in grado di sopportare il carico imposto, con conseguente inevitabile rottura.

Circa un quarto delle fratture degli ingranaggi avvengono per sovraccarico o fatica oligociclica, ovvero dopo un modestissimo numero di cicli (anche solo due) sotto sollecitazioni molto elevate. Esse sono spesso attribuite all’eccessiva durezza del materiale. Tuttavia, avvengono anche in ingranaggi costruiti con materiali duttili, sottoposti a forti sovraccarichi quali urti o rapide accelerazioni o decelerazioni. La frattura per sovraccarico può avvenire per fatica o di schianto.