Laboratorio Progettuale di Disegno Assistito dal Calcolatore

L'azienda

Da quasi 40 anni, Spra-Coupe® produce irroratrici multifunzionali ad alte prestazioni. Oggi, le irroratrici Spra-Coupe® sono presenti sul suolo americano in maniera preponderante rispetto ad altri marchi grazie all'innovazione, al design e alle tecnologie presenti su queste macchine agricole.

Spra-Coupe serie 7000.

Le irroratrici serie Spra-Coupe 7000 sono state sviluppate per nebulizzare sostanze secondo i metodi convenzionali oppure tramite il concetto Spra-Coupe, cioè ad alte velocità. I motori diesel Caterpillar®, con gestione elettronica del motore, sono conformi alle più rigide normative legislative sulle emissioni, erogano una potenza e una coppia motrice elevata, riuscendo così ad adattarsi perfettamente alle esigenze delle varie applicazioni. Grazie all'elevata distanza da terra Spra-Coupe riduce al minimo i danni al raccolto consentendo inoltre di irrorare le colture anche in una fase di crescita più avanzata (il modello Spra-Coupe 7650 ha una distanza da terra di 122 cm). Inoltre uno schermo di fondo montato di serie protegge le colture e il piano inferiore della macchina.

Questo modello presenta, come gran parte dei mezzi agricoli, un riduttore epicicloidale montato sul mozzo (di seguito vengono riportate le motivazioni di questa soluzione) mentre la trasmissione è affidata ad un gruppo catena che è nella nascosto da dei carter. Come si può anche intravedere nell'immagine seguente, i due carter che ospitano la catena, insieme ad un ammortizzatore-molla vanno a formare la sospensione. Attraverso questa sospensione, che presenta ingombri laterali ridotti in modo da ridurre i danni alle colture, viene appunto trasmesso il moto alle ruote.

Da noi è stata eseguita la modellazione del riduttore epicicloidale e del gruppo freno dell'irroratrice tramite il software CATIA (Dassault Systemes) di cui abbiamo sfruttato i moduli di Part Design per la realizzazione dei singoli componenti, Assembly Design per la generazione degli assiemi e DMU Kinematics per la riproduzione dei principali cinematismi.

Il riduttore epicicloidale.

Il riduttore epicicloidale offre interessanti vantaggi applicativi, tali da proporsi come una valida alternativa ai riduttori ad ingranaggi paralleli in applicazioni nei diversi settori industriali. I vantaggi sono tanto più sensibili quanto le applicazioni richiedono riduttori con:

elevati rapporti di riduzione

Elevati rapporti di riduzione

In uno stadio di riduzione epicicloidale, rispetto ad una riduzione ad ingranaggi a parità di numero di denti fra pignone e corona si ottengono rapporti più elevati. In questo caso l'epicicloidale ha un rapporto più elevato del 20%. Questa caratteristica si traduce in termini pratici per la riduzione epicicloidale rispetto a quella ad ingranaggi, nell'ottenere a parità di rapporto un miglior proporzionamento degli ingranaggi e quindi prestazioni più elevate, con uno stadio di riduzione in meno, con conseguenti riduzioni di costi e dimensioni. La realizzazione di diversi rapporti per uno stadio di riduzione si esegue normalmente mantenendo la corona dentata e cambiando gli ingranaggi solare e planetari.

elevate coppie da trasmettere

Elevata coppia trasmessa / Dimensioni e pesi contenuti

Nella riduzione epicicloidale gli ingranaggi hanno ingranamenti multipli contrariamente a quanto avviene in una riduzione ad ingranaggi paralleli dove l'ingranamento è singolo. A parità di coppia da trasmettere questo si traduce in forze sui denti molto inferiori e quindi a parità di sollecitazioni unitarie, la riduzione epicicloidale necessita di ingranaggi con dimensione molto più contenute. Minori dimensioni, a parità di velocità di rotazione, portano a velocità periferiche delle dentature più basse, per cui ingranaggi a dentatura diritta normalmente utilizzati nelle riduzioni epicicloidali sono in grado di competere a livello di rumorosità con gli ingranaggi a denti elicoidali delle riduzioni tradizionali. Ingranaggi più piccoli, significa anche dentature con modulo inferiore, quindi più bassi strisciamenti, tali da assicurare pur con degli ingranamenti multipli (come si hanno in uno stadio epicicloidale) valori di rendimento totale paragonabili a quelli dei riduttori ad assi paralleli. Le due figure rappresentano un confronto dimensionale fra due tipi di riduzioni a parità di: rapporto, sollecitazioni sulle dentature e coppia da trasmettere.

elevati carichi da sopportare sull'albero in uscita

Elevati carichi radiali sopportabili dall'albero lento

Le forze che si trasmettono attraverso gli ingranaggi in una riduzione epicicloidale sono fra loro equilibrate. La loro risultante è nulla, esiste solo la coppia che si trasmette attraverso il portaplanetario all'albero d'uscita. Al contrario in una coppia di ingranaggi le forze devono essere equilibrate supportando gli ingranaggi stessi sugli alberi che ruotano su cuscinetti. Ne deriva che in un riduttore epicicloidale i cuscinetti montati sugli alberi di entrata e uscita sono a disposizione interamente per supportare i carichi esterni al riduttore dato che i carichi interni dovuti agli ingranaggi sono fra loro equilibrati. Ciò non avviene in un riduttore tradizionale dove i cuscinetti devono supportare sia i carichi interni che esterni.
Si ha così che un riduttore epicicloidale può sopportare gli stessi valori di carico in tutte le direzioni cosa che non avviene in un riduttore tradizionale.

Queste caratteristiche emergono direttamente dal principio di funzionamento della riduzione epicicloidale.

L'ingranaggio solare (1) in entrata al moto, ingrana e mette in rotazione tre ingranaggi planetari (2), questi ruotano all'interno dell'anello dentato (3) che risulta fisso. Come conseguenza gli assi dei planetari stessi (4), montati sul portaplanetari (5) si muovono lungo una circonferenza. Il portaplanetari (5) ruota così a velocità ridotta rispetto all'ingranaggio solare (1).

I vantaggi dei riduttori basati su questi rotismi rendono particolarmente adatto questo meccanismo all' applicazione in questione. Le macchine agricole necessitano infatti di trasmettere elevate coppie e di ottenere rapporti di riduzione notevoli mantenendo le dimensioni contenute. A parità di numero di denti di pignone e corona la riduzione di velocità è maggiore perchè lo è il rapporto di trasmissione, il che può rendere necessario uno stadio di riduzione in meno rispetto a riduttori ad assi fissi e quindi un contenimento dei pesi e soprattutto degli ingombri.

Freno a disco

Il freno a disco è per definizione, un freno per il quale la superficie di strisciamento è piana e perpendicolare all’asse di rotazione del disco.

Nei freni a disco i ceppi, portati da apposite staffe, sono premuti contro le facce di un disco montato solidalmente all’albero che deve essere frenato. I ceppi solitamente utilizzati nel campo automobilistico ricoprono una porzione angolare, assai ridotta del disco. Grazie a questa soluzione si ricava un miglior smaltimento del calore rispetto ai ceppi completi, i quali ricoprono tutto il disco.

La soluzione costruttiva adottata per queste irroratrici è quella della staffa fissa: in questo tipo di freni la staffa è solidale al telaio del veicolo e sostiene, dalle due parti del disco, dei cilindri idraulici sui quali si muovono dei pistoncini. Questi pistoncini pressano delle guarnizioni di varia forma dette pastiglie, che la pressione idraulica del fluido di comando spinge contro il disco. Il ritorno delle pastiglie, in fase di frenatura, è realizzato grazie all’elasticità delle tenute idrauliche o mediante piccole molle.

Modellazione

Il lavoro è consistito nella modellazione del riduttore epicicloidale montato sull'irroratrice Spra-Coupe serie 7000 e di altri componenti meccanici appartenenti al mozzo della ruota.
A partire dai disegni costruttivi dell' azienda si sono individuati alcuni gruppi dei componenti (sottoprodotti) che vengono analizzati in dettaglio. Un’attenzione particolare meritano gli ingranaggi e il gruppo freno.

Assemblato.

Questo è il risultato finale che si è ottenuto dalla modellazione dei singoli componenti.
Ogni singolo componente è stato modellato in un file a se stante tramite il comando Part Design.
Le viti e tutti i componenti che devono rispettare delle normative sono stati inseriti utilizzando la funzione libreria di Catia.
La fase successiva alla modellazione dei componenti è stata la generazione dell'assemblato di questi pezzi tramite il comando Assembly Design. Per assemblarli tra loro si sono dovuti applicare i vincoli che legano i vari pezzi per poterli posizionare in maniera corretta, lasciando però liberi i relativi gradi di libertà.

Nella generazione dell'assemblato si è prestato particolare attenzione al posizionamento dei vari prodotti. Infatti risulta conveniente, per poi sviluppare in maniera corretta la cinematica, posizionare nello stesso Product i componenti aventi lo stesso movimento (in questo caso la stessa rotazione) e in un ulteriore Product i componenti che rimarranno fermi.

Nelle due foto la vista laterale e un esploso dell'assemblato.

Porta satelliti.

Il porta satelliti (o portaplanetari) è l’organo che ha il compito di trasmettere il moto ridotto alla ruota; nel nostro caso infatti viene direttamente collegato alla stessa. Al suo interno sono fissati i quattro satelliti grazie ai perni il cui moto di rotazione attorno all’asse principale del riduttore è bloccato da una vite.

Satellite.

Il satellite ha il compito di permettere la trasformazione della velocità in entrata dall' albero di potenza e di imporre una rotazione al portasatelliti trasmettendole il moto tramite lo spinotto.
Il satellite è collegato al portasatelliti tramite uno spinotto che è fissato tramite una vite. Siccome la rotazione del satellite intorno all'asse dello spinotto è indipendente dal movimento dello spinotto e quindi del portasatellite, viene montato tra essi un cuscinetto a rulli.

Componenti fissi.

Di seguito rappresentiamo l' insieme dei componenti che non sono in moto.
I componenti che non possiedono movimento sono il tamburo (giallo), la corona, la staffa del freno e il carter. Il carter e il tamburo sono collegati all'asse di rotazione tramite una coppia di cuscinetti (che qui non vediamo). Questi sono cuscinetti a rulli conici a una corona, quindi adatti a sopportare sforzi in direzione sia radiale sia lungo l'asse di rotazione.

Albero.

Sull'albero di potenza sono stati montati due cuscinetti a rulli conici ad una corona che lo collegano al carter. Sull'albero è montata una corona che trasmette tramite una catena la potenza erogata dal motore. Il coperchio (blu) ha il solo compito di bloccare qualsiasi movimento assiale dei componenti meccanici.

Trasmissione.

Una rappresentazione totale della trasmissione a partire dall'albero di potenza fino al mozzo della ruota.

Freno a disco.

Le caratteristiche e il funzionamento del freno a disco sono già state riportate nella relativa sezione.
Qui ci limitiamo a mostrare in particolare il montaggio del freno alla staffa fissa e a rappresentare la componentistica interna (nella seconda immagine).

Cinematismo

Per trasmettere potenze elevate si ricorre all’uso di ruote dentate in cui la forza periferica da trasmettere non dipende più dall’aderenza tra i materiali a contatto, ma tale forza si esercita tra i denti che ingranano tra di loro. Due ruote dentate che ingranano tra di loro costituiscono un meccanismo chiamato ingranaggio.

Caratteristiche di una ruota dentata

Caratteristiche di una ruota dentata

Circonferenza di testa: è la circonferenza che limita la sommità dei denti.
Circonferenza primitiva: è la circonferenza lungo la quale avviene il contatto della coppia di ruote dentate.
Circonferenza di fondo: è la circonferenza che limita la base dei denti.
Passo (p): è la lunghezza dell’arco di circonferenza primitiva compreso tra gli assi di due denti consecutivi.
Spessore (s): è la lunghezza dell’arco di circonferenza primitiva delimitata da un dente.
Vano (v): è la lunghezza dell'arco di circonferenza primitiva compreso tra due denti consecutivi.
Larghezza: è la larghezza della parte dentata della ruota.
Altezza (h): è la distanza misurata lungo il raggio fra la circonferenza di testa e quella di fondo.
Costa: è la parte del dente compresa tra la circonferenza primitiva e quella di testa.
Fianco: è la parte del dente compresa tra la circonferenza di fondo e quella primitiva.
Addendum (a): è l'altezza della testa del dente.
Dedendum (d): è l'altezza della base del dente.

Indicando con dp il diametro della circonferenza primitiva e con z il numero dei denti, per ogni ruota dentata vale la seguente relazione per il calcolo del passo:

Il passo è un numero irrazionale; per questo motivo si preferisce caratterizzare la dentatura delle ruote dentate tramite un altro parametro, il modulo m (numero razionale):

Poichè:

Rapporto di trasmissione: le ruote dentate si possono immaginare come due ruote ideali di frizione le cui circonferenze di contatto sono le circonferenze primitive:

Rapporto di trasmissione

Rapporto di trasmissione

Quindi nel caso delle ruote dentate il rapporto di trasmissione è uguale anche al rapporto tra il numero di denti della ruota condotta e il numero di denti della ruota motrice.

I denti delle ruote dentate sono costruiti con particolari profili, detti profili coniugati (molto usati sono i profili ad evolvente); questa particolarità costruttiva consente ai denti di non staccarsi o compenetrarsi durante il funzionamento.

Forza trasmessa

Forza trasmessa

I denti della ruota motrice trasmettono ai denti della ruota condotta una spinta S che ha direzione tale da formare un angolo di pressione a con la tangente comune alle due circonferenze primitive.
La forza utile trasmessa dalla ruota motrice a quella condotta è la componente della spinta S sulla tangente alle due circonferenze primitive e vale:
F=S*cos(α)
Il valore dell’angolo di pressione a influisce sul numero minimo di denti che una ruota può avere affinché il profilo del dente sia tutto coniugato (condizione di non interferenza). L'angolo viene assunto solitamente uguale a 20° e in pratica il numero minimo di denti si assume in funzione dell'angolo α e del rapporto di trasmissione.

Realizzazione.

Lo scopo di quest' analisi consiste nel fornire una rappresentazione realistica dei movimenti del riduttore epicicloidale. Per fare ciò abbiamo utilizzato il modulo DMU Kinematics di CATIA V5R17.
Grazie a questo modulo è possibile sostituire i vincoli di assemblaggio con i giunti cinematici che permetto il movimento dei vari meccanismi composti. Si è creato un meccanismo per ciascun componente che partecipa alla movimentazione del riduttore. Per la realizzazione della cinematica del riduttore con il software si è tracciata in primo luogo la circonferenza primitiva sulle ruote dentate. A questo punto è stato inserito una legge di moto per l'albero, che è il responsabile della trasmissione del moto alle altre ruote dentate, e parametrizzato il movimento delle restanti ruote in funzione di questa legge inserendo i rapporti di trasmissione tra albero e satelliti e tra satelliti e corona. Abbiamo così ottenuto il cinematismo.

Video.

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