Ruote libere a sprag : modellazione, simulazione e prove sperimentali

The aim of this thesis is to provide sprag free-wheels models, to implement them in a simulation software and to verify the same by experimental tests. Free-wheels are one-way clutches used in several mechanical systems -- among which helicopter transmissions, where they are primarily necessary for craft autorotation in case that all engines are inoperative. Free-wheel analysis begins by determining its steady working configuration, which -- given the mutual connection between components orientation and system deformations -- requires an iterative technique. To compute deformation contributions it's necessary to introduce in this technique some sub-models, which in this work have been increased compared to typical literature. An original model, which uses iterative technique outputs, has been developed: it computes sprag free-wheels torsional stiffness (that turns out to be an increasing function of applied torque). This result, useful for dynamical modelling of complete transmission, has been implemented -- together with deformation computation sub-models and other functions -- in a simulation software. Proper experimental tests basically verified the torsional model and enabled to define a method for torsion tests on free-wheels. A specific destructive test has been carried out to investigate roll-over, which is an overload failure mode typical of some sprag free-wheels and predictable by the torsional model.

Questa tesi ha l'obiettivo di produrre dei modelli per le ruote libere a sprag, di implementarli in un software di simulazione e di validarli tramite prove sperimentali. Le ruote libere sono innesti unidirezionali impiegati in vari sistemi meccanici -- fra cui le trasmissioni elicotteristiche, dove sono necessarie innanzitutto per l'autorotazione del velivolo in caso di avaria di tutti i motori. L'analisi della ruota libera inizia con la determinazione della sua configurazione di funzionamento a regime, che -- data la reciproca dipendenza fra orientazione dei componenti e deformazioni del sistema -- richiede un procedimento iterativo. In quest'ultimo è necessario inserire dei sottomodelli per il calcolo dei contributi di deformazione, che in questo lavoro sono stati arricchiti rispetto alle tipiche trattazioni della letteratura. È stato sviluppato un modello originale che, sfruttando gli output del procedimento iterativo, calcola la rigidezza torsionale delle ruote libere a sprag (che risulta crescente con la coppia applicata). Il risultato, utile per la modellazione dinamica della trasmissione completa, è stato implementato -- con i sottomodelli di calcolo delle deformazioni e altre funzioni -- in un software di simulazione. Apposite prove sperimentali hanno sostanzialmente validato il modello torsionale e hanno permesso di definire una metodologia per le prove di torsione sulle ruote libere. È stata eseguita anche una particolare prova distruttiva per indagare il roll-over, una modalità di cedimento per sovraccarico tipica di alcune ruote libere a sprag e prevedibile con il modello torsionale.