Due tipi di cuscinetti a confronto
Lo studio mette a confronto la nuova generazione di cuscinetti a rulli conici con caratteristiche di capacità “Power-Dense” e di contenimento dei consumi “Fuel-efficient” di Timken e i cuscinetti a sfere a contatto obliquo per pignoni.
di Jean Merckling
Timken, produttore di cuscinetti e componenti per la trasmissione di potenza meccanica, ha sviluppato una nuova generazione di cuscinetti a rulli conici per il contenimento dei consumi e con una maggiore capacità di carico a parità di dimensioni. Questa nuova generazione di cuscinetti è in grado stare al passo con l’efficienza dei cuscinetti a sfere a contatto obliquo e, in alcuni casi, può perfino superarla, come dimostrato dalle prove comparative al banco prova in-house.
Oggi, i cuscinetti a sfere a contatto obliquo (a doppia corona di sfere) hanno acquisito un’importante quota di mercato per quanto riguarda l’utilizzo di cuscinetti di supporto albero pignone rispetto ai cuscinetti a rulli conici, grazie all’elevato rendimento, specialmente a 40°C e nelle condizioni operative usate per definire i livelli di emissioni di CO2 delle automobili. In un’ottica di miglioramento continuo, Timken ha esaminato l’uso di cuscinetti a rulli conici della serie “Fuel-efficient” (FE TRB), per il contenimento dei consumi, negli assali LVS (Sistemi per Veicoli Leggeri) per meglio definire il reale rendimento dei FE TRB rispetto ai cuscinetti a sfere a contatto obliquo ACBB (figura 1). Sulla base di questi test, eseguiti in collaborazione con un produttore di assali leader nel settore, Timken ha sviluppato una nuova generazione di cuscinetti a rulli conici per il contenimento dei consumi (FE TRB) in grado di eguagliare i cuscinetti a sfere a contatto obliquo (ACBB) in termini di rendimento.
Le prove relative alla nuova soluzione FE TRB
Dopo lo studio e la progettazione dei cuscinetti, e la costruzione dei relativi prototipi, Timken li ha sottoposti a un programma di test completo presso il Centro Tecnologico d’eccellenza Timken di Canton (Ohio, Stati Uniti) per confrontarne prestazioni e rendimento rispetto agli ACBB.
La prima fase del programma di prova ha valutato l’applicazione in condizioni operative reali. Il flusso effettivo (portata) di lubrificante in direzione dei cuscinetti del pignone è stato misurato usando il ponte di trazione e i design dell’alloggiamento attuali. Il ponte posteriore del cliente è stato dotato di ACBB e dei nuovi FE TRB per misurare il flusso di lubrificante ai cuscinetti del pignone a diverse velocità dell’albero e temperature del lubrificante; pertanto, i test sono stati condotti con entrambi i cuscinetti.
Sulla base delle prove di misurazione del flusso di lubrificante, ne sono stati selezionati tre per la prova di rendimento al banco nel simulatore del pignone: 0,7 l/min (a 40, 60, 80 e 100 °C), 1,6 l/min e 2,6 l/min (entrambi a 60, 80 e 100 °C).
Banco prova di simulazione del pignone
La società ha sviluppato un banco prova specifico (figura 2) e un metodo sperimentale che sfrutta comandi, hardware e strumenti all’avanguardia per simulare l’ambiente del sistema pignone (carico, flusso di lubrificante, velocità, deflessione, ecc.), consentendo una misurazione precisa della sola coppia di rotolamento del cuscinetto (al netto della catena cinematica di trasmissione, comprese le tenute, come con i tradizionali test di efficienza degli assali).
L’obiettivo del simulatore al banco prova pignone, era quello di caricare i cuscinetti esattamente come sarebbe accaduto per un ponte di trazione reale (carico radiale/assiale). Tenute prive di contatto sono state usate per ridurre al minimo la loro influenza sui risultati. Due gruppi di cuscinetti per pignoni sono stati testati sull’attrezzatura; pertanto, la coppia totale dell’albero è pari a 2x (cuscinetti di testa e di coda). Per simulare le condizioni operative del cuscinetto il più fedelmente possibile sono stati impiegati livelli di portata di lubrificante definiti, controlli dell’attrezzatura e diversi sensori.
Una matrice di test per le prove di coppia
Insieme al cliente-partner, una matrice di test completa (figura 3) è stata definita e messa in pratica sul banco prova del pignone per simulare il NEDC (New European Drive Cycle) e condizioni di carico più realistiche. Questa matrice di test è stata avviata con combinazioni definite dei parametri di prova.
Ogni FE TRB e ACBB è stato testato tre volte per verificare la coerenza dei risultati e confermare la precisione del test. Un’enorme quantità di dati è stata raccolta, permettendo una comprensione precisa del rendimento dei cuscinetti. Per ciascun ciclo di carico definito nella matrice di test (precarico/coppia/temperatura), un rapido cambiamento di velocità (aumento e riduzione) è stato eseguito da 250 giri/min a 6.000 giri/min e di nuovo a 250 giri/min. Coppia di rotolamento, temperatura e velocità sono stati registrati con intervalli di mezzo secondo. Le formule della linea di tendenza sono state calcolate per la coppia media di ciascun tipo di cuscinetto, per consentire una post-elaborazione e un confronto efficaci dei nuovi FE TRB rispetto agli ACBB. La Figura 4 mostra il riepilogo chiave di tutte le misurazioni della coppia, sulla base della post-elaborazione di tutti i dati. Tali valori scaturiscono dalle medie di tutte le analisi eseguite con un ciclo di carico simile (tre analisi e diverse forze di precarico) per riportare in maniera precisa la coppia del cuscinetto rilevata. La matrice mostra il rapporto della coppia FE TRB diviso per la coppia ACBB in tre categorie. Nelle condizioni indicate in verde, i cuscinetti FE TRB di nuova generazione hanno registrato prestazioni migliori. Nelle condizioni indicate in bianco, gli ACBB hanno registrato prestazioni migliori. La Figura 5 è costituita da due esempi di grafici della coppia che mostrano gli estratti delle misurazioni della coppia per il caso NEDC (a sinistra) e con carichi e temperature su strada più realistici (a destra).
Confronto delle coppie di rotolamento
Per valutare il rispettivo rendimento del cuscinetto per i cicli NEDC, è stato eseguito un calcolo per un presunto ciclo NEDC usando i dati misurati della coppia della matrice di prova. I risultati del calcolo (figura 6) mostrano che la perdita di potenza degli FE TRB sarebbe simile alla perdita di potenza ACBB per il ciclo NEDC considerato, dimostrando dunque che l’obiettivo chiave del progetto è stato raggiunto.
Conclusione: rendimento simile in condizioni NEDC
Il risultato chiave di tutte le prove di rendimento eseguite su questo banco di prova è che la nuova generazione di FE TRB offre rendimenti comparabili a quelli degli ACBB in condizioni NEDC a 40°C. Inoltre, i calcoli eseguiti usando i risultati di prova indicano che i FE TRB potrebbero superare in maniera significativa le prestazioni degli ACBB in termini di rendimento a temperature più elevate e con carichi maggiori.
Le prove di rendimento su entrambe le soluzioni di cuscinetti eseguite sui ponti di trazione posteriori hanno confermato tali conclusioni.
Prove di rigidità: migliore deflessione rispetto agli ACBB
Il banco prova di simulazione del pignone è anche stato utilizzato per confrontare la rigidità del cuscinetto e del sistema. Una matrice dei carichi è stata definita per rappresentare le condizioni NEDC e i carichi maggiori delle applicazioni (sia in fase di trazione che inerziale). Le deflessioni dell’albero sono state misurate nelle direzioni radiali e assiali in un punto che rappresenta il punto di presa d’ingranamento del pignone con la corona. Diversi sensori sono stati posizionati sull’attrezzatura per ottenere dati precisi e riproducibili. I FE TRB hanno dimostrato una deflessione simile o migliore rispetto agli ACBB, fattore essenziale per le buone prestazioni degli ingranaggi e dei risultati relativi alla produzione di rumore (analisi NVH).
Convalida dei risultati attraverso Syber
Questa sezione confronta i risultati del calcolo, effettuato con il software aziendale Syber, alla coppia misurata dei nuovi cuscinetti a rulli conici FE TRB. Un modello di calcolo preciso del banco di prova è stato creato in Syber per simulare il più fedelmente possibile le condizioni di carico del cuscinetto e le condizioni operative del banco di prova.
Il modello ha dimostrato che la coppia calcolata è precisa rispetto ai risultati dei test. Ciò significa che la società può usare lo strumento di calcolo Syber per progettare soluzioni FE TRB a elevato rendimento per i nuovi progetti dei clienti. La ripetizione dei test di rendimento al banco prova, per le nuove applicazioni e le proposte da formulare ai clienti relative all’utilizzo dei cuscinetti a rulli conici della serie ”Fuel Efficient” ad alto rendimento, non sarà necessaria per futuri progetti anche coinvolgendo altre dimensioni di cuscinetti.
In conclusione…
L’obiettivo dello studio era quello di sviluppare e testare la nuova generazione di cuscinetti a rulli conici a elevata capacità di carico e ad alto rendimento: appositamente studiati e costruiti con caratteristiche migliorative per il contenimento dei consumi. La nuova soluzione è stata progettata per l’efficienza e il miglior rapporto ingombri/capacità di carico (miglior peso, dimensione ridotta), puntando a prestazioni simili a quelle degli ACBB. Sono stati usati metodi e banchi prova all’avanguardia, che hanno permesso una misurazione precisa del rendimento del cuscinetto durante la simulazione d’esercizio del ponte di trazione (flusso del lubrificante, carichi, ecc.). I test della coppia di rotolamento del cuscinetto sono stati eseguiti internamente utilizzando attrezzature che simulavano il carico agente sul cuscinetto del pignone.
Le misurazioni sono state effettuate secondo un metodo di prova basato sul Nuovo Ciclo Europeo di Definizione delle emissioni (NEDC).
Il programma di prova implementato da Timken e i risultati corrispondenti hanno mostrato che questa nuova generazione di cuscinetti a rulli conici specifici per il contenimento dei consumi offre un rendimento paragonabile ai cuscinetti a sfere a contatto obliquo per NEDC a 40°C. I test, inoltre, indicano che il loro rendimento è migliore rispetto ai cuscinetti a sfere a contatto obliquo per numerose condizioni operative reali come, per esempio, in condizioni di carichi e temperature maggiori al NEDC. Per confermare l’analoga rigidità dei FE TRB rispetto agli ACBB, l’attrezzatura usata per le prove di rendimento era anche dotata di sensori per misurare la deflessione radiale e assiale al punto di presa dell’ingranaggio del pignone. Un calcolo con il programma di analisi Syber è stato eseguito per dimostrare che la coppia di rotolamento calcolata è sovrapponibile ai risultati del test. Ciò significa che la società può sviluppare nuove soluzioni di cuscinetti per i progetti dei clienti senza dover ripetere i test di rendimento per ogni nuovo progetto.