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Jul 13, 2023

Test prestazionali della trasmissione planetaria a temperature molto basse

Scientific Reports volume 12, Numero articolo: 21815 (2022) Cita questo articolo 528 Accessi Dettagli metriche Questo articolo presenta i risultati di uno studio sulla resistenza al movimento in un ambiente multistadio

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21815 (2022) Citare questo articolo

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In questo articolo vengono presentati i risultati di uno studio sulla resistenza al movimento in una trasmissione epicicloidale multistadio, costruita con materiali strutturali leggeri come la lega di alluminio 2017, con nodi dei cuscinetti dotati di cuscinetti a sfera in acciaio realizzati in lega X65Cr14 e lubrificati con polvere di bisolfuro di molibdeno. Sono stati presentati i dettagli della costruzione dell'ingranaggio planetario, seguiti da test sulle prestazioni operative. Durante i test di prestazione, la temperatura del cambio in funzione è stata gradualmente abbassata con azoto liquido fino a −190 °C. L'analisi ha riguardato, tra l'altro, il consumo energetico del meccanismo in funzione della temperatura. I risultati sono stati confrontati con i parametri dei meccanismi già funzionanti nello spazio. Le misurazioni sono state effettuate per confermare l'applicabilità degli ingranaggi nei sistemi di azionamento di manipolatori destinati a operare in spazi aperti o in condizioni extraterrestri come su Marte.

I riduttori epicicloidali e ad onde di deformazione hanno i design più compatti. Nelle trasmissioni planetarie, la coppia trasmessa dagli ingranaggi è distribuita quasi equamente su più di una ruota dentata. Tipicamente, il loro numero varia da 3 a 6, il che consente un'elevata capacità di carico nonostante le dimensioni compatte del gruppo ingranaggi. Inoltre, queste trasmissioni sono generalmente progettate per un rapporto di trasmissione di 4–10, forniscono elevata stabilità e un'efficienza di circa il 97%1. Rapporti ancora maggiori, fino a 5000, sono offerti dalla trasmissione planetaria differenziale a due stadi2, ma la progettazione di tale trasmissione è complicata.

I riduttori epicicloidali possono essere utilizzati in varie configurazioni come riduttori, moltiplicatori e differenziali1. Nel gruppo di ingranaggi descritto in questo documento, è stata utilizzata una configurazione del riduttore con la corona fissa, l'ingranaggio centrale posizionato sull'albero di ingresso e il portapignone collegato all'albero di uscita. La Figura 1 mostra uno schema del meccanismo del riduttore epicicloidale a quattro stadi progettato, in cui il supporto del pignone dello stadio finale del riduttore è collegato a una parte del corpo girevole.

Schema del riduttore epicicloidale progettato.

Le temperature alle quali si prevede che la trasmissione funzionerà non si verificano sulla Terra, quindi quando si cerca di trovare progetti comparabili, si deve guardare principalmente alle soluzioni applicate alle macchine utilizzate su Marte. Le temperature sulla superficie di Marte variano da -140 a 27 °C poiché il pianeta è 1,52 volte più lontano dal Sole rispetto alla Terra. Ecco perché solo il 43% dell'energia che colpisce la Terra raggiunge un'area equivalente sulla superficie di Marte3,4.

Date le condizioni su Marte, le apparecchiature utilizzate lì, compresi gli ingranaggi, devono resistere a temperature molto basse, di cui si è discusso negli studi sulla progettazione dei lander e dei rover su Marte. Molto importante è anche l'influenza della temperatura sulle variazioni del momento di attrito durante il funzionamento della trasmissione5.

Il lander Mars Volatiles and Climate Surveyor era dotato di un braccio robotico, un manipolatore con quattro gradi di libertà. I suoi attuatori erano in grado di generare rispettivamente una coppia di: 26 Nm, 91 Nm, 53 Nm e 10 Nm durante il normale funzionamento e una coppia momentanea di picco superiore del 50%. Gli attuatori sono stati progettati come ingranaggi a due stadi contenenti un ingranaggio planetario e un ingranaggio armonico oppure un ingranaggio planetario e un ingranaggio conico. Gli ingranaggi erano azionati da motori a spazzole CC. I rapporti complessivi degli attuatori erano 4000 e 16.000. I sistemi meccanici degli attuatori sono stati progettati per funzionare a temperature comprese tra − 105 °C (− 90 °C) e 35 °C; per salvaguardarli dalle condizioni climatiche più estreme, i giunti sono stati dotati di riscaldatori da 1 W e 4 W6,7,8. I risultati dei test sull'effetto della temperatura sull'amperaggio richiesto dai motori degli attuatori durante il funzionamento a vuoto hanno mostrato che al diminuire della temperatura la potenza utilizzata dall'attuatore aumenta notevolmente.