Un nuovo giunto attenua le vibrazioni nei motori a basse emissioni

Nel tentativo di rispondere alla crescente domanda di riduzione dell'impronta di carbonio di gru e altre attrezzature pesanti, gli OEM stanno installando motori diesel Stage V/Tier 4 più snelli ed efficienti, che funzionano a regimi minimi più bassi con coppia elevata e hanno minori emissioni di CO2 grazie al minor consumo di carburante. Pur essendo più rispettosi dell'ambiente, questi motori ad alta densità di potenza producono livelli di vibrazione molto più elevati, soprattutto al minimo, a causa della risonanza di ordine armonico maggiore.

Il Dott. Hasan Mahamudul (Dr. Maha), direttore di Ricerca e Sviluppo presso Regal Rexnord, nonché ingegnere capo dietro l'idea e la progettazione del giunto CENTAFLEX-TIR. (Foto: Eason Photography)

"Le vibrazioni più elevate sono sempre negative, poiché compromettono tutto il resto, dalla trasmissione della pompa ai riduttori fino ai cuscinetti", ha affermato Rene Klimach, ingegnere e product manager presso Regal Rexnord, un fornitore di soluzioni per gruppi propulsori con sede negli Stati Uniti.

I giunti sono fondamentali per attenuare le vibrazioni torsionali dei motori e garantire l'affidabilità dei componenti del gruppo propulsore. Tuttavia, la maggior parte dei giunti flessibili è troppo rigida dinamicamente per i motori Stage V/Tier 4, ha affermato Regal Rexnord, costringendoli a funzionare a regimi minimi più elevati per prevenire sovraccarichi, proteggere le apparecchiature e garantire i tempi di attività, vanificando sostanzialmente i vantaggi in termini di efficienza.

La sede tedesca del produttore di gru Tadano si è trovata ad affrontare una sfida simile quando ha scelto di collaborare con il suo fornitore di motori per riprogettare la trasmissione di un modello di gru cingolata con braccio tralicciato di grandi dimensioni. Il regime minimo più basso del motore Stage V (fino a 600 giri/min) e le maggiori vibrazioni rischiavano di accelerare l'usura di componenti vitali della trasmissione, come riduttori e cuscinetti.

Poiché la maggior parte dei giunti non è progettata per velocità inferiori a 750 giri/min, Tadano si è rivolta agli ingegneri della Regal Rexnord per trovare una soluzione.

Raddoppiare il controllo delle vibrazioni

La soluzione si è rivelata essere il CENTAFLEX-TIR (TIR), un giunto a rulli di nuova generazione con caratteristiche torsionali progressive e morbide che, secondo Regal Rexnord, può essere impiegato in numerose applicazioni complesse nei settori dell'agricoltura, dell'edilizia, della nautica, delle cave e dei gruppi elettrogeni a velocità variabile.

"Il CENTAFLEX-TIR funge da elemento smorzante tra il motore e i componenti condotti, assorbendo efficacemente una parte significativa delle vibrazioni", ha affermato Klimach. "Questo consente all'intera operazione di funzionare a regimi minimi inferiori in condizioni di elevata richiesta di coppia, con conseguente riduzione del consumo di carburante e delle emissioni di CO2."

Il giunto è caratterizzato da un design a rulli a doppio stadio e da camere modificate che garantiscono uno scorrimento fluido dei rulli in gomma. (Foto: Regal Rexnord)

A prima vista, il TIR non sembra poi così "nuovo", con dimensioni e materiali disponibili praticamente identici a quelli dei giunti precedenti. Tuttavia, a differenza dei giunti flessibili tradizionali, il TIR presenta due file di rulli in gomma flessibili anziché una singola.

Il Dott. Hasan Mahamudul (Dr. Maha), direttore di ricerca e sviluppo presso Regal Rexnord e ingegnere capo dietro l'idea e la progettazione del giunto CENTAFLEX-TIR, ha affermato che questo design a rulli a doppio stadio consente al nuovo giunto "di assorbire ancora più vibrazioni senza surriscaldarsi, aumentando così la perdita di potenza consentita e migliorando le vibrazioni e la durata dei componenti del sistema".

Le camere modificate garantiscono uno scorrimento fluido dei rulli. "Quando si utilizza un motore a bassi regimi, questi rulli di gomma scorrono solo nella loro camera", ha affermato il Dott. Maha. "Quindi, non si verificherà alcuna risonanza nella trasmissione. Sarà completamente priva di risonanza grazie alla sua morbidezza e sposterà il picco di risonanza di ordine maggiore ai bassi regimi."

Il design consente inoltre un miglioramento dell'80% della capacità di carico termico a coppie alternate più elevate rispetto al suo predecessore, ha affermato Regal Rexnord. Un corrispondente aumento dell'80% della perdita di potenza ammissibile garantisce un efficace assorbimento delle vibrazioni, prevenendo il sovraccarico del giunto e i picchi di coppia alternata nel gruppo propulsore.

Inoltre, la capacità del giunto di variare la rigidità dinamica al variare della coppia media è molto più fluida e morbida rispetto ai modelli convenzionali, ha osservato il Dott. Maha. "Mentre i modelli convenzionali diventano progressivamente più rigidi all'aumentare della coppia, il giunto CF-TIR mantiene una rigidità più morbida anche in presenza di coppia media elevata."

Di conseguenza, il TIR fornisce la morbidezza torsionale necessaria per resistere a regimi minimi compresi tra 525 e 625 giri/min, comuni nei motori diesel Stage V/Tier 4.

Riduzione dei costi e delle emissioni

La Dott.ssa Maha descrive il TIR come "una soluzione molto competitiva in termini di costi e dal design molto semplice". Tuttavia, ha il potenziale per influenzare diversi aspetti sia della progettazione che dell'applicazione delle macchine.

Implementando il giunto TIR, l'azienda ha affermato che gli OEM potrebbero essere in grado di ridurre le dimensioni dei riduttori. Il Dott. Maha ha osservato che il suo team sta attualmente lavorando a un progetto pilota con un cliente per aumentare la durata dei riduttori. "Ma i progressi sono lenti perché le vibrazioni con questo giunto sono così basse che stanno pensando di acquistare un riduttore [più piccolo]".

È stato dimostrato che il CENTAFLEX-TIR smorza le vibrazioni torsionali elevate, consentendo ai motori Stage V/Tier 4 di funzionare a regimi minimi più bassi. (Foto: Regal Rexnord)

Un simile passo garantirebbe un risparmio di peso e una maggiore efficienza complessiva, generando risparmi sui costi a livello di sistema.

Ci sono anche altri potenziali risparmi. Dopo la sua installazione nel prototipo di gru cingolata con braccio tralicciato Tadano, l'analisi delle vibrazioni torsionali ha mostrato che il giunto TIR ha ridotto significativamente le vibrazioni del sistema e abbassato il regime minimo da 750 a 650 giri/min. Ciò ha portato a una riduzione media del consumo di gasolio di 0,18 gal/ora (0,7 litri/ora). Con due motori sulla gru, si stima che ciò consentirà un risparmio annuo fino a 288 gal (1.092 litri) di gasolio, pari a un risparmio annuo fino a 1.900 dollari (1.750 euro).

"L'accoppiamento si ripaga facilmente solo in termini di risparmio di carburante", ha affermato Klimach. "Entro un anno, si ottiene il... ritorno sull'investimento. Questo è interessante per l'utente finale... si ottiene un risparmio maggiore perché il motore gira al minimo più lentamente."

Poi ci sono i vantaggi ambientali. Si stima che la gru ridurrà le emissioni di CO2 di 2,89 kg all'anno.

"Se si brucia meno carburante sul campo, si ottiene una riduzione delle emissioni di CO2", ha affermato Klimach. "E in questa specifica applicazione, parliamo di 2,8 tonnellate di emissioni di CO2 all'anno, un dato molto interessante per l'OEM quando si tratta delle emissioni medie della flotta".

Riassumendo, Klimach ha affermato: "Penso che con questa innovazione di prodotto abbiamo una proposta di valore molto chiara".

Nota dell'editore: il progetto della gru Tadano di Regal Rexnord è stato finalista per il premio Off-Highway Product Application of the Year dei Power Progress Summit Awards 2024.