Analisi semi-analitica per la progettazione delle trasmissioni di potenza

GeDy TrAss sviluppa e commercializza un software innovativo per la progettazione di componenti meccanici, con un focus particolare sulle ruote dentate. Grazie alle conoscenze sviluppate durante gli anni, GeDy TrAss offre servizi di consulenza e formazione sul comportamento dinamico
di componenti meccanici. La start-up è pre-incubata in I3P ed è in fase di ottenimento del riconoscimento di spin-off del Politecnico di Torino.

di Carlo Rosso, Fabio Bruzzone, Claudio Marcellini, Tommaso Maggi

GeDy TrAss è un team imprenditoriale costituito da quattro ingegneri meccanici con competenze specifiche nel campo delle trasmissioni di potenza. Il gruppo, che ha lavorato per anni nel campo delle trasmissioni aerospaziali, ha riconosciuto due problemi principali di cui le aziende di solito soffrono:

• il cliente richiede trasmissioni ad alte prestazioni in termini di durata, densità di potenza e riduzione di massa e NVH (rumore, vibrazione, durezza);
• la fase di progettazione è un collo di bottiglia perché durante la fase di pre-progettazione sono analizzati solo alcuni layout. Quando i clienti cambiano in corsa le specifiche oppure la soluzione finale proposta non soddisfa i requisiti, l’intero processo di progettazione deve essere riavviato e, per questo motivo, è necessaria maggiore flessibilità.
  Le prestazioni sempre più impegnative dei riduttori richieste dai clienti nei settori automobilistico, industriale, aerospaziale rendono obsolete le procedure di progettazione attuali. Ciò rende necessario rivoluzionare la fase di progettazione.
  Supporto alla progettazione dalla fase
  preliminare al dettaglio dei componenti
  GeDy TrAss è un software di analisi numerica che affianca l’ingegnere durante la fase di progettazione a partire dalla fase preliminare in cui deve essere definito il layout ottimale della trasmissione fino alla fase di dettaglio dei componenti, avvalendosi di una serie di tool implementati nel software e sviluppati dal gruppo di ricerca.
  Nella fase di pre-design, GeDy TrAss permette di delineare un primo layout a partire da un numero limitato di parametri geometrici e vincoli imposti dal cliente. Per ottenere ciò, questo tool è suddiviso in due elementi: un algoritmo di definizione della geometria sia macro che micro della dentatura e della trasmissione e una procedura che genera in un qualsiasi software CAD un layout di primo tentativo. La potenza del tool è quella di lasciare all’utente libertà di scelta nei parametri di vincolo su cui variare le diverse configurazioni, inserendoli in una semplice e intuitiva interfaccia grafica. Tale procedura è valida sia per trasmissioni automotive/aerospaziali che industriali e si completa con la scelta dei cuscinetti, ingombri di massima dei sincronizzatori e dimensione degli alberi costituenti la trasmissione. In figura 1 viene rappresentato un primo risultato ottenuto dal tool, ovvero un cambio automobilistico a 5 marce con retromarcia, alberi, cuscinetti e sincronizzatori.
  Inserendo semplicemente una serie di parametri in input, quali coppia in ingresso, numero massimo di giri consentito, rapporto di trasmissione e interasse con tolleranze ammesse, materiale degli ingranaggi e numero minimo di ore di utilizzo, il software è in grado di restituire in soli 15 minuti un primo layout della trasmissione. Ciò consente di impiegare il tempo risparmiato per cercare di ottimizzare le caratteristiche degli elementi dimensionati dal codice parametrico, ma permette anche di ottenere rapidamente le dimensioni effettive degli elementi in configurazioni diverse, semplicemente variando le grandezze in ingresso al programma di calcolo.
  GeDy TrAss non si limita alla definizione dei parametri macro-geometrici operativi (ingombri, rapporti di trasmissione, dimensioni degli ingranaggi), ma fornisce la miglior soluzione per durabilità e comportamento dinamico della trasmissione. Con l’aiuto di un tool di elevata velocità di calcolo che permette di iterare sulla micro-geometria dei componenti, è possibile ottenere il miglior compromesso che garantisce più bassi sovraccarichi dinamici e di conseguenza riduce le problematiche legate al rumore. La parte del codice relativa alla definizione della micro-geometria, viste le elevate potenzialità ed innovatività, è stata deposita come brevetto (IT201800001328A1). Nello specifico, in tale procedura inizialmente viene utilizzato un approccio quasi-statico per risolvere l’analisi di contatto tra ruote tenendo conto di tutti i possibili contributi di flessibilità. Per fare ciò, è stato implementato un modello non-hertziano per l’investigazione delle reali aree di contatto dovute alle diverse curvature dei corpi. In figura 2 sono mostrate alcune immagini del software GeDy TrAss che esegue analisi di contatto tra diverse tipologie di ruote dentate.
  Con questa metodologia è possibile abbattere i tempi computazionali per ottenere la distribuzione delle pressioni di contatto fra corpi di forma generica, passando anche da ore di calcolo con il metodo agli elementi finiti fino a pochi secondi. In figura 3 è rappresentato il caso di contatto tra rullo e pista di un cuscinetto.
  Successivamente, vengono effettuate analisi statiche e dinamiche che tengano conto della rigidezza non lineare di contatto, con possibilità di perdita di presa tra i denti: le analisi dinamiche sono da considerarsi una enabling technology che oggi viene trascurata dai progettisti per gli elevati tempi computazionali richiesti.
  Inoltre, in alternativa alle analisi di dettaglio sul modello in output ottimizzato, come ad esempio il rilevamento stress dei componenti dovuto a sforzi o alla temperatura di lavoro, l’utente ha la possibilità di validare e/o ottimizzare modelli già esistenti ricreando in maniera rapida e intuitiva la trasmissione da testare ed effettuare virtual validation avanzate sia in statica che in dinamica.

Un case study ha quantificato e confrontato i tempi di progettazione
Poiché nel mercato dei software non è presente una tecnologia come GeDy TrAss, per quantificare i risparmi ottenuti, è stato condotto un case study in cui si confrontano i tempi nella fase di progettazione dedicati al design e alle simulazioni. I software comparati sono un programma ad elementi finiti (FEM) generico, GeDy TrAss e un software specifico per analisi statiche e dinamiche su ruote dentate. Ipotizzando che un’azienda debba progettare all’anno sette riduttori contenenti ognuno dieci ruote e su ogni ruota si debbano eseguire cinque analisi per ottenere la dentatura finale con micro-geometria ottimizzata, il tempo necessario con l’utilizzo di GeDy TrAss è di circa 200 ore; il confronto con gli altri software è mostrato in tabella 1. Le opportunità che ne derivano sono l’aumento del numero di trasmissioni analizzabili e realizzabili e il miglioramento della qualità aumentando il numero di analisi sul singolo componente. Permette inoltre di ammortizzare i costi di progettazione o riallocare le risorse disponibili in maniera più flessibile.
Da un’ulteriore indagine inoltre è emerso che i software presenti sul mercato si limitano a una validazione ottenuta attraverso letteratura o mediante altri software che non garantiscono la veridicità dei risultati finali. Il gruppo di ricerca di GeDy TrAss sta realizzando un banco prova che inoltre offrirà la possibilità di testare sperimentalmente quanto calcolato dal codice. Il banco attualmente è progettato per la misurazione dell’errore di trasmissione in condizioni quasi-statiche in ruote dentate cilindriche (denti dritti ed elicoidali), coniche e spiro-coniche. In un secondo momento il banco offrirà la possibilità di analisi di tipo tensionale e di sovraccarichi dinamici.

Il software si rivolge anche alle PMI
Il software GeDy TrAss è pensato per tutte le imprese che progettano e utilizzano trasmissioni ad alte prestazioni, dove anche la minima dispersione di energia può fare la differenza tra un prodotto competitivo ed efficiente e uno mediocre. Pertanto, GeDy TrAss vuole dare la possibilità di utilizzo del software anche alle PMI che non possono permettersi una licenza annuale, tramite un’implementazione in cloud computing. Sono sempre di più le aziende del settore automotive che stanno investendo in modo ingente su progetti di ricerca e sviluppo riguardanti powertrain ibride o puramente elettriche, dove la trasmissione ha un ruolo ancora più fondamentale nel cercare di diminuire al minimo le dissipazioni di potenza e di rumore.