Motoriduttore per valvole a sfera/farfalla

Buon pomeriggio a tutti,

mi presento sono un ragazzo di 22 anni diplomato in elettronica. Ho iniziato a seguire questa community circa un anno fà, quando ho intrapreso questo progetto e devo dire che è stata di grande aiuto. Come vi dicevo la meccanica non è il mio pane, spero quindi possiate perdonare i miei errori. Qualcosa me lo sono studiato in autonomia prima di procedere in questo senso però mi sono reso conto che più mi addentravo più scoprivo di quanto realmente poco conosco.
Questo non mi spaventa, però riconosco di aver intrapreso una strada non poco difficile per la mia preparazione. Oramai ci sono dentro e devo portare a termine il lavoro, da solo o con l'aiuto di qualcuno.

Lavoro nel settore dell’irrigazione e come accessorio ai nostri dispositivi forniamo anche dei servo-comandi con elettronica a bordo per la movimentazione di valvole a sfera/farfalla. Questo prodotto ha sempre avuto un costo di produzione troppo elevato e quindi un anno fà mi sono cimentato nel rivederlo. Da allora ho realizzato due versioni: la prima con scatola in plastica, motorino con vite senza fine e qualche ingranaggio ad assi paralleli; un fallimento. La seconda, per rimediare in corsa d’opera, con scatola ricavata dal pieno di alluminio con costi nuovamente non sostenibili. Ora ho optato per una riduzione epicicloidale: motorino con ingranaggio a denti dritti e qualche stadio di planetari.


POTENZA DI USCITA

Prendiamo in considerazione un produttore di valvole italiano “OMAL”, loro consigliano:

• 50 Nm per valvole a sfera fino a 2” e farfalla fino a 3”
• 100 Nm per valvole a farfalla 4” e 5”
• 200 Nm per valvole a sfera 2”1/2 e 3”

Quindi ho scelto di avere due modelli: 50 Nm e 200 Nm.

(Per albero e flangia delle valvole fare riferimento allo standard ISO5211 in allegato)


POTENZA IN INGRESSO

Ho scelto un motorino BLDC con queste specifiche:

• In massima efficienza produce circa 90 Nmm a 4000 Rpm
• Alla massima potenza produce circa 360 Nmm a 2000 Rpm

(massima potenza non raggiungibile perché gli assorbimenti sarebbero troppo elevati per questa applicazione, potremmo raggiungere al massimo 200 Nmm)

Albero di uscita personalizzato con ingranaggio a denti dritti z15 m0.75 b5 (SUN).


RIDUZIONE per modello da 50Nm

3 stadi identici, impilati e realizzati in sinterizzato
( Materiale FC-0205-80HT ):

nr. 1 RING: z105 m0.75 b8

nr. 3 PLANET: z45 m0.75 b4.5

nr. 1 SUN: z15 m0.75 b5

Totale riduzione: ( 105/15 + 1 )^3 = 512


I SUN successivi al primo stadio sono incorporati al porta-pianeti dove saranno incastonate tre spine di diametro 5mm H7. Lo spessore del porta-pianeti è di 3mm. Sarà presente anche un “rondellone” in acciaio da 0.5mm per separare gli stadi.






RIDUZIONE per modello da 200Nm

In aggiunta ai precedenti 3 stadi

nr. 1 RING: z105 m0.75 b8 (il medesimo)

nr. 5 PLANET: z35 m0.75 b7.5

nr. 1 SUN: z35 m0.75 b8

Totale riduzione: (( 105/15 + 1 )^3 ) * ( 105/35 + 1 ) = 2048

Nel porta-pianeti saranno incastonate cinque spine di diametro 5mm H7. Lo spessore del porta-pianeti è di 4mm.


1- Non ho previsto alcun tipo di cuscinetto per abbattere al massimo i costi, solo lubrificazione ( consigli? ).

2- Non sono sicuro del dimensionamento, ho fatto un po' di calcoli ma molto blandi. C’erano troppi coefficienti, a me incomprensibili, da tenere in considerazione e ad un certo punto gli ho abbandonati.

3- Non so che tolleranze inserire e dove inserirle (presumo sia meglio lavorare sui pianeti).


Mi piacerebbe avere un qualsiasi vostro tipo di riscontro. Sarò subito presente a rispondere a qualsiasi vostra domanda di chiarimento, immagino di avere tralasciato molti dettagli.

Vi prego di non rimandarmi ad altri calcoli perché non avrei la preparazione per affrontarli ma soprattutto il tempo. Questa settimana devo assolutamente spedire i disegni per far realizzare gli stampi per plastica e sinterizzati.



Grazie,

Enrico Povolo

Per i motori, direi che la scelta va bene per avere la possibilità di gestirli come motori CC anche se hanno la possibilità di avere una regolazione simile al treno di impulsi.

Già la prima cosa che vedo dalle immagini, senza leggere approfonditamente è il discorso dell'epicicloidale con 5 satelliti. In merito a questo ti posso dire che per garantire che tutti e 5 lavorino assieme occorre una precisione molto elevata. Normalmente, su oggetti grandi come una scatola delle scarpe....si usano 3 satelliti e nei casi più spinti fino a 4 satelliti, come fa Rossi riduttori e Bonfigloli.

Realizzare 3 stadi di epicicloidale identici vuol dire ottimizzare il costo dei pezzi, ma tutti i componenti devono resistere alla massima coppia dell'ultimo stadio. In alternativa si fanno 3 stadi differenti (cosa che si fa sui riduttori industriali).

Riduttore T2=50Nm.
Le caratteristiche meccaniche del tuo materiale sinterizzato misto ferro/rame sono queste:


Praticamente si comporta più o meno, così a prima analisi, come un C45 bonificato.
Se entri con 90Nmm e fai i=8*8*8=512 ottieni con rendimento unitario circa 46Nm....circa quelli che ti servono.

Ho visto che hai usato una formula ben diversa per calcolare il rapporto di riduzione, ma se fosse vero che che fai più di 500 di riduzione per ogni stadio ...fai tre stasi 500*500*500=otterresti una marea di kNm...

1 stadio (ok)

2 stadio (ok)

3 stadio (NO)

come puoi vedere, con queste caratteristiche meccaniche e geometriche che ho utilizzato per il calcolo non riusciamo ad avere resistenza a flessione e a usura/fatica.
Quindi o indaghiamo meglio sul materiale sinterizzato oppure il terzo stadio è debole.
Tieni presente che sto usando le formule di base per Flessione e Usura, quindi non sto applicando norme complesse e severe che porterebbero a dare risultati ancora più precisi (che direbbero che non tiene).
Consiglio KHK Gear che ha il calcolatore online dei vari ingranaggi, ti registri gratuitamente e puoi fare i conti. Inoltre sul sito c'è una bellissima guida che spiega tutto, anche gli epicicloidali. Se tu guardassi i miei post su epicicloidali che abbiam fatto quest'anno avresti i riferimenti, comunque come vedi, sto analizzando qui senza rimandi, a meno che vuoi camminare da solo.
Credo che qualche errore l'hai fatto non considerando la coppia/giri giusti di ogni stadio e il fatto che ogni coppia di ingranaggi hai 0.99 di rendimento...e alla fine ti perdi in 3 stadi almeno il 10% della potenza in ingresso.

Va bene che non metti cuscinetti, però un perno deve poter lavorare con un materiale o a pari durezza se elevata (spina cementata con sinterizzato ad alti HRC superficiali 52/60HRC) altrimenti ci deve essere qualcosa in bronzo o in plastica (vedi boccole IGUS).

Sicuramente il lubrificante sintetico, grasso abbastanza fluido potrà darti una maggiore durata del sistema e una lubrificazione capillare.

Ho visto solo adesso che ho calcolato con larghezza fascia 5 mm....avrei dovuto calcolare con la minima in assoluto dei 3 oggetti...che è 4,5 quindi ancora peggio.

Riduttore T2=200Nm.
Partendo dalla precoppia precedente...con l'ultimo rapporto i=4 arriviamo con rendimenti unitari a una coppia in uscita di 184Nm...più o meno ci siamo.


Anche questo povero stadio soffre maledettamente.
In tutti i casi, il calcolo che ho usato prevede una durata in ore di 2500 che influenza solo la durata a pressione specifica e quindi, si potrebbe pensare di ridurre le ore effettive di funzionamento a seconda delle prescrizioni della'applicazione.
Per quanto riguarda Lewiss è la capacità di resistenza a flessione...e se c'è bene...se non c'è non dura nemmeno due giri.

I dati principali si possono riassumere qui sotto, in modo da elencare le coppie e i giri di funzionamento. Inoltre di può vedere anche un rendimento, usando un valore un po'più realistico, come diventa la maggiorazione di coppia che serve al motore.


Ho letto medicato con T2 la coppia in uscita e con T1 la coppia in ingresso ai vari stadi e riduttori.

Se ha un po' di tempo ci può dare una mano anche @PIETRO2002. Sono ben accette tutte le osservazioni.

Per i motori sto guardando questi brushless qui per avere una idea.

Per quanto riguarda i motori con i riduttori già pronti c'è questo costruttore.
Potrebbe essere che trovi tutto adattabile e più collaudato.

Si possono fare diverse cose. Per il primo stadio, riducendo a 1000 le ore si può aumentare la larghezza della fascia e si arriva a risultati decenti.

Mentre il secondo stadio va fatto un sacco più grosso e con modulo maggiore.

Questo è un po' il mio punto di vista, senza approfondire molto il tipo di materiale sinterizzato che stai usando.

Secondo questi calcoli occorrono modifiche.
Puoi anche provare a costruire un prototipo, montarlo e fare n cicli di apertura....vedi se muore o no. Poi lanci la produzione.

Grazie mille per questa accurata analisi.

Domani sentirò subito se si può avere di meglio come materiale.

Per quanto riguarda il motore questo è un grafico indicativo:
Una rampa di accelerazione/decelerazione potrebbe aiutare?

Domanda da ignorante: i calcoli da te svolti, secondo le formule riportate affianco, prendono in considerazione solo una coppia di ingranaggi in presa? o tengono già in conto che ci sono più ingranaggi in presa nello stesso momento?

Domanda da ignorante n°2: essendo i pianeti realizzati dallo stesso stampo in sinterizzato la precisione influisce così tanto?

ORE DI FUNZIONAMENTO
Nella maggior parte delle applicazioni le valvole si muovono di 90° ogni 12 ore.
Ammettendo che lavorino 365 giorni l'anno per un minuto a giorno sarebbero circa 6 ore l'anno.
Non so se questo potrebbe cambiare qualcosa.

Questo bellissimo calcolatore che te usi, o ti sei creato, lo posso trovare da qualche parte?

Vedo di risponderti per ordine alla cosa:
- le rampe di accelerazione e decelerazione sono utili per trasferire la coppia senza urti ma non è che ti fa recuperare il 50% di capacità di coppia trasmissibile soprattutto se il dente non porta il carico
- per il calcolo di usura si considerano in presa i satelliti, quindi il numero effettivo di denti in presa
- tutti gli ingranaggi devono essere fatti precisi, o meglio devono avere un profilo del dente molto regolare perché più satelliti ingranano con solare e corona e se non sono sempre in presa tutti i denti necessari, si ha un sovraccarico dei denti in presa e si usura o si rompe il dente
- sicuramente con una base ore di una decina di ore l'anno, quindi diciamo 20 ore prima di uscire di garanzia biennale, abbiamo che l'usura è molto limitata e quindi si innalza il coefficiente di durata ad usura. Ma....permane il fatto che la flessione non la regge il dente piccolo.
- il calcolatore che uso è un foglio excel inglobato in un grosso progetto di calcolo riduttori al quale sto lavorando da tre anni circa

Provo a inserirmi nella discussione, mi sono fatto un'idea generale del problema e qui non entro nel merito tecnico, ma sto sul generico.
Mettersi a sviluppare un riduttore del genere, se non si hanno le esperienze, mi sembra molto azzardato, per essere positivi il successo puo' avere una bassa percentuale e di conseguenza una buona percentuale per fallire.
La mia non e' una critica per sminuire la volonta' o le capacita' di qualcuno, ma semplicemente su certe cose non ci si improvvisa.
Se non si hanno le competenze in azienda o si provvedere ad assumerle, oppure se questo non e' possibile, si fa qualche accordo commerciale con chi ha gia' le conoscenze per risolvere il problema in modo accettabile in termini di tempi e di costi.
Fare degli stampi per degli ingranaggi sinterizzati ha dei costi, andare sul mercato con un prodotto non funzionante ha dei costi economici e soprattutto di immagine.
Il gioco vale la candela? Scusate se vi ho tediato, ma alcune volte prima di immergerci nei calcoli, e' meglio avere una visione del problema piu' ampia, in modo da prendere la strada meno accidentata, e pur facendo cosi' si sbaglia pure!

Se devi avere solamente rotazioni di 90° perchè non utilizzi un attuatore?

Per il discorso cuscinetti, potresti utilizzare boccole autolubrificanti, considerando che come immagino c'è il rischio di contaminazione da sporco sono la scelta migliore.

Buongiorno, parto dal tuo primo messaggio: devi azionare delle valvole a sfera/farfalla, e il sistema attuale non funziona ed è stato rimpiazzato con un sistema troppo costoso, il tuo scopo è riuscire ad azionare le valvole a un prezzo ridotto, giusto?

Secondo me il dato di partenza dovrebbe essere il costo massimo che non vorresti sforare.

Sinceramente prima di progettare un riduttore a tre stadi, proverei a vedere cosa c'è già di esistente, se devi solo ruotare di 90 gradi una saracinesca, ci sono un sacco di attuatori elettrici o idraulici, che probabilmente costano meno di tutti quei riduttori.

Ciao Pietro, ciò che dici è vero ma tirarsi in dietro ora non è più un'opzione. La faccia ce l'ho già messa. Non sono qui a chiedervi un sostegno morale, ma professionale.
Un accordo commerciale è ben accetto.

Ciao Stevie, alcune applicazioni richiedono rotazioni più ampie, se non complete.
Conosco e ho già utilizzato IGUS, non gli escludo. Non ho previsto guarnizioni, cerco di evitare le contaminazioni con dei profili lungo la circonferenza.

Ciao Bip, il prezzo di vendita di questo prodotto è circa di 70 euro per la versione da 50Nm, per lo meno lo devo pagare la metà. Facendo un po' di conti sono: 6€ motore, 3€ plastiche, 3€ per stadio e 8€ di elettronica.

@Enrico Povolo
Hai provato a guardare sul mercato come ti hanno detto altri? Ci sono attuatori elettrici rotanti per valvole già pronti per essere montati sull'attacco standardizzato, sia per 90° che rotazioni più ampie: te ne cito due o tre, che conosco e ho utilizzato personalmente (ce ne sono molti altri):

Ciao Paul, difficile trovare il prezzo, costano per carità il giusto ma non riuscirei a rivenderli.
A livello elettronico è un progetto un pò più complesso. Intanto comunichiamo con il servo tramite CANBUS, poi abbiamo 2 ingressi digitali, uno analogico per sensori 4-20mA e un'uscita di potenza. Non è un semplice servo con finecorsa.

Comunque...

I miei due problemi principali sono un dimensionamento corretto e le tolleranze da applicare.

Ci sono infinite soluzioni a questo problema, mi basta trovarne una tangibile...

Per esempio, senza stravolgere tutti i miei disegni e tenere, quindi, lo stesso diametro esterno della corona (ora 90mm), potrei optare per un modulo 1 con 75 denti, con sole da 15 denti la riduzione per stadio verrebbe 6. Mi sballa un pò i rapporti ma è percorribile? presumo di si.
Il costo iniziale più alto è la corona, vorrei mantenerla uguale in tutti gli stadi.

Enrico Povolo ha detto:

Ciao Pietro, ciò che dici è vero ma tirarsi in dietro ora non è più un'opzione. La faccia ce l'ho già messa. Non sono qui a chiedervi un sostegno morale, ma professionale.
Un accordo commerciale è ben accetto.

Ciao Stevie, alcune applicazioni richiedono rotazioni più ampie, se non complete.
Conosco e ho già utilizzato IGUS, non gli escludo. Non ho previsto guarnizioni, cerco di evitare le contaminazioni con dei profili lungo la circonferenza.

Ciao Bip, il prezzo di vendita di questo prodotto è circa di 70 euro per la versione da 50Nm, per lo meno lo devo pagare la metà. Facendo un po' di conti sono: 6€ motore, 3€ plastiche, 3€ per stadio e 8€ di elettronica.

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Bhe credo che la faccia non la perderesti, ti ammiro tanto perche' un elettronico che e' arrivato a fare quello che hai fatto tu e' da rispettare.
Nelle aziende l'importante e' arrivare al risultato, ma le persone devono poter essere messe in grado di arrivare ad un risultato. Non so com'e' la tua realta', ma se un elettronico di 22 anni deve progettare un riduttore epicicliodale a 6 stadi.. qualche cosa di sbagliato c' e' oppure io non capisco piu' nulla!

Ciao, ho dato un'occhiata a questa discussione, dato che questo argomento mi interessa particolarmente, ho dato un'occhiata veloce ai calcoli di meccanicamg, e mi sembra che non abbia modificato le proprietà elastiche del materiale, che non è un acciaio, ciò potrebbe aver alterato il risultato dei calcoli? Riguardo alla resistenza a flessione, lasciando inalterata la geometria degli ingranaggi non si può aumentare la larghezza di fascia e basta?

Tanto per fare due calcoli spannometrici:

Ipotizzando una entrata col motore di 0.2 Nm a 3000 giri / minuto

Riduzione dopo 3 stadi : 1/512

Trascurando i rendimenti:

Si hanno all'uscita : 102.4 Nm a 5.86 giri / minuto

Andando sul sito KHK gear ed ipotizzando di usare per il sole del riduttore da 200 Nm, un

ingranaggio Z= 34 modulo = 0.8 fascia = 8

denti rettificati e trattati ad induzione, durezza superficiale 55 Hrc

Coppia max trasmissibile a flessione = 7.9 Nm

Coppia max trasmissibile a usura = 1.71 Nm

Anche se ipotizzi di moltiplicare per 5 ( numero di satelliti ) tali valori siamo lontani dal poter

sopportare i 102.4 Nm in ingresso!

Che bello che si stanno interessando tutti a questo tema. È quello che il nostro Enrico ha bisogno.
Vediamo di rispondere a qualche dettaglio:
- effettivamente usando il modulo elastico che è circa la metà 130000MPa, migliorano i valori ad usura, però solo del 5%
- per quanto riguarda la trasformazione da modulo 0,75 a modulo 1… mantenendo il diametro esterno corona uguale, vuol dire che il riduttore non diventa più grosso e questo vuol dire che non c'è posto per trasmettere e sviluppare maggiore potenza. Quindi per poter trasmettere a flessione più potenza occorre fare il riduttore più grande. È vero che diminuendo il rapporto di riduzione, passa meno coppia e quindi si potrebbe pensare di farcela.
- pensiamo di fare tre stadi con i=6 per ogni stadio occorre che ilotire eroghi 225Nmm a 2000rpm e quindi lo schema di calcolo è il seguente:

Quindi verifichiamo subito il terzo stadio del primo riduttore:

Ho ridotto le ore a 140 considerando che la concorrenza fa 100mila cicli con meno di 5 s/ciclo. Ad usura ci siamo e a flessione anche.... però ci devi fare arrivare il motore e quindi consumare un po' più corrente.
Però se usi ancora la ruota interna per fare lo stadio con i=4 non c'è la facciamo e quindi o porti la fascia a 28 mm per il riduttore da 200Nm oppure va fatto un set di ingranaggi totalmente diverso.

Il quarto stadio per avere i 200Nm in uscita dovrebbe essere con 4 satelliti e modulo 1,5.

Tra le tante cose comunque prova a vedere di comprare ingranaggi in acciaio cementati da cmercio. KHK Gear ne ha quanti e come vuoi....forse riesci ad avere roba piccola a costo basso.

Sempre un calcolo spannometrico, per il riduttore di 200 Nm, non te la cavi se non vai come minimo sul modulo 1.5!

Se vai sul sito Khk vedi che vi sono delle corone M1.5 da : 100, 80, 60 e 50 denti.

Se fossi in te, prima di mobilitare la sinterizzazione, proverei a fare un prototipo coi particolari acquistati da Khk, vedi il risultato, apporti le eventuali modifiche e poi parti.
Ma non e' un lavoro di due minuti...