Efficiency of gear transmissions and CFD analysis of the load independent power losses

Efficiency is becoming an increasingly issue in the design of gear power transmissions. Since it is important to be able to predict the power losses already during the design step and as reliable models for the prediction of some kinds of power losses are still missing, a comprehensive analysis of the power losses in power transmissions has been performed in order to define the weight of the different contribution to the global efficiency and to understand the appropriateness and the effectiveness of the models and tools available in literature for the prediction of the different kind of losses. From this investigation has emerged that, even if for all the kind of losses improvements are in principle possible, the fields in which more research is needed concerns the load independent power losses. The load dependent power losses have already been deeply investigated and reliable models are available, while other losses, as those determined by the interaction with lubricant, still need further investigation. For the prediction of the no-load losses of gears only few works are available and each of them covers only few aspects. Furthermore, this source of losses is the only one in which discrete margins of improvement are still possible, while for other sources, like, for instance, frictional losses, thanks to the results of many years of studies, the remaining possibilities of improvement are comparatively lower. For this reason a specific research program on the gear efficiency has been conducted and in particular the aspects related to the no-load power losses (churning, squeezing and windage losses) of gears have been analyzed trough CFD simulations and experimental tests. By means of the testing campaign, the influence on the losses of some geometrical and operating parameters has been studied and the predictions of CFD models have been validated. The final aim of the research described is to substitute the experimental tests with reliable virtual tests in order to provide sufficient data useful to define analytical relations which in the end can be used effectively in the design practice. To prove the effectiveness of the method, some efficiency calculations on a real planetary speed reducer has been made and the results appear in good agreement with the measured ones.

L'efficienza sta diventando un tema sempre più sentito nella progettazione di trasmissioni di potenza ad ingranaggi. Poiché essere in grado di prevedere le perdite già in fase progettuale risulta di fondamentale importanza e data la carenza di modelli affidabili per la previsione di alcuni tipi di perdite, un'analisi completa di tali perdite di potenza nelle trasmissioni ad ingranaggi è stata condotta al fine di definire il peso dei diversi contributi all'efficienza globale e di comprendere l'adeguatezza e l'efficacia dei modelli e degli strumenti attualmente disponibili in letteratura. Da questa indagine è emerso che, anche se per ogni tipo di perdita miglioramenti sono in linea di principio possibili, il campo in cui più ricerca è necessaria riguarda le perdite di potenza indipendenti dal carico. Le perdite di potenza dipendenti dal carico, infatti, sono già state profondamente studiate e modelli affidabili risultano pertanto già disponibili, mentre altre perdite, come quelle determinate dall'interazione con il lubrificante, necessitano di ulteriori indagini. Per la previsione delle perdite a vuoto negli ingranaggi solo pochi modelli risultano disponibili e ciascuno di essi comprende solo alcuni aspetti. Inoltre, questa fonte di perdite è l'unica in cui discreti margini di miglioramento sono ancora possibili, mentre per altre fonti, come, per esempio, le perdite per attrito, grazie ai risultati ottenuti in molti anni di studi, le residue possibilità di miglioramento sono comparativamente minori. Alla luce di ciò, uno specifico programma di ricerca sull'efficienza è stato condotto ed, in particolare, si sono studiati gli aspetti relativi alle perdite di potenza a vuoto (sbattimento, schiacciamento e ventilazione) di ingranaggi tramite simulazioni CFD e prove sperimentali. Mediante la campagna di prove, è stata studiata l'influenza di alcuni parametri geometrici ed operativi sulle perdite permettendo di validare i risultati dei modelli fluidodinamici. L'obiettivo finale della ricerca descritta è quello di sostituire, almeno in parte, le prove sperimentali con test virtuali affidabili al fine di fornire dati utili per definire relazioni analitiche efficacemente utilizzabili nella pratica progettuale. Per dimostrare l'efficacia del metodo, sono stati svolti alcuni calcoli di efficienza complessiva di un riduttore planetario industriale ed i risultati ottenuti sono apparsi in buon accordo con quelli sperimentali.