La simulazione nel progetto di tenute in gomma
Giovanni Albertario
Alla complessità del progetto di una guarnizione in gomma si può far fronte con un approccio di simulazione virtuale, capace di garantire una migliore prestazione di questo componente e del prodotto finale.
Ripercorrendo le fasi di un caso concreto, vediamo come l’analisi software realizzi tale obiettivo nell’ambito del processo produttivo di un’azienda specializzata nel settore degli O-ring, ma non solo.
Specializzati nelle guarnizioni in gomma
Con vari siti produttivi localizzati su scala globale, dall’Europa agli Stati Uniti, al Messico e alla Cina, il Gruppo AR-TEX, con stabilimento e sede centrale a Viadanica, nel distretto industriale del Basso Sebino bergamasco, è riconosciuto come partner di riferimento nello sviluppo e produzione di articoli tecnici in gomma destinati in modo particolare ai mercati del settore auto, in quello dei sanitari e nelle applicazioni acqua/gas.
Negli oltre quarant’anni di attività AR-TEX ha costantemente adottato un approccio fortemente orientato al soddisfacimento delle specifiche esigenze dei propri clienti e l’attuale produzione, che ammonta a più di 200 milioni di pezzi al mese, testimonia l’apprezzamento del mercato nei confronti dell’azienda.
Essere partner di riferimento nella fornitura di O-ring e articoli tecnici significa, per AR-TEX, mettere a disposizione del cliente la propria esperienza e competenza nella scelta delle mescole e nell’ottimizzazione della dimensione e forma del componente, al fine di soddisfare al meglio le esigenze funzionali del prodotto finale.
Tecnologie per la progettazione
Per perseguire tale obiettivo AR-TEX si è dotata di un sistema produttivo costantemente monitorato e dotato di attrezzature d’avanguardia con le quali vengono trattati materiali di alta qualità. La cura progettuale prevede l’impiego di applicazioni software che, partendo dall’ipotesi delineata dal cliente, consentono di svolgere un’analisi accurata delle problematiche funzionali relative al componente, per offrire una risposta ottimale in termini di prestazione e affidabilità.
Nella progettazione di un O-ring occorre tener conto delle modalità con cui esso opera e dei conseguenti stress cui viene sottoposto, a partire dalla fase di montaggio.
Pressioni in gioco e superfici di contatto con le parti da sigillare devono essere verificate attraverso un’accurata analisi della geometria, affinché la flessibilità dell’elastomero possa consentire il preciso adattamento delle parti da giuntare. Una giuntura con O-ring richiede un montaggio meccanico che ne determina una consistente deformazione, introducendo sulle sue superfici di contatto uno stress meccanico, che deve contrastare il valore limite della pressione del fluido, affinché sia garantita la tenuta.
Per un progetto ottimale occorre inoltre considerare l’intrinseca variabilità temporale delle caratteristiche fisiche del materiale elastomerico usato per l’O-ring o per ogni altro tipo di componente tecnico.
Tale variabilità è determinata in modo particolare dalle specifiche condizioni fisiche d’impiego.
Per la complessità dell’analisi e la molteplicità di parametri fisici e dimensionali in gioco, il software di simulazione virtuale costituisce un efficace supporto progettuale nelle fasi di sviluppo e verifica di un componente in gomma, perché consente di simularne le condizioni fisiche d’impiego e ottimizzarne, in tempi ristretti, le prestazioni.
Per evidenziare l’importanza della simulazione virtuale nel processo di sviluppo, percorriamo il ciclo di dimensionamento di un particolare elemento di tenuta radiale in gomma.
Si tratta di un caso particolare nell’ambito di una progettazione orientata allo sviluppo di guarnizioni in gomma e, più tipicamente, di O-ring destinati ad applicazioni oleodinamiche, pneumatiche e industriali in genere.
Dimensionamento di tenuta radiale
“Il caso in esame, sottoposto ad AR-TEX da un produttore di pompe per circuito di raffreddamento nel settore automobilistico”, spiega l’ingegner Marco Bassi, Advanced Engineering Manager in AR-TEX, “prevede il dimensionamento di una tenuta radiale su albero dotato di moto rotatorio alternativo intermittente. Più precisamente, la richiesta del cliente riguarda il dimensionamento di due tenute dinamiche e di due tenute statiche, da integrare in una valvola parzializzatrice per la regolazione del flusso di una miscela acqua e glicole, derivata da una pompa per circuito di raffreddamento”.
Lo studio è stato svolto a partire da un dimensionamento preliminare effettuato dal cliente e dall’analisi dei risultati ottenuti dopo un test di banco sul circuito di raffreddamento, che hanno evidenziato usura dei componenti e perdite di tenuta. Le tenute statiche (O-ring) sono state verificate con utilizzo di fogli di calcolo e successivamente validate tramite analisi FEA, utilizzando MSC Marc-Mentat.
Lo stesso dicasi per la tenuta dinamica principale a labbro.
Argomento del caso in esame è invece la verifica, il dimensionamento e l’analisi FEA della guarnizione radiale dinamica da impiegarsi per la tenuta tra corpo valvola e ingranaggio in PPA GF 30, solidale all’albero che governa il movimento della valvola a farfalla parzializzatrice del flusso. Per quanto riguarda il materiale utilizzato per la guarnizione, considerando il tipo di fluidi a contatto con la tenuta, il campo di temperature richieste per l’utilizzo e le specifiche dell’OEM finale, ci si è indirizzati verso una mescola in HNBR 70 ShA.
Il primo passo dell’analisi ha riguardato una verifica del primo dimensionamento previo impiego di fogli di calcolo tradizionali.
Sulla base dei risultati ottenuti si è proceduto a una verifica FEA attraverso un’analisi bidimensionale 2d assialsimmetrica, ipotizzando una tenuta deformabile fra corpi rigidi e un coefficiente d’attrito identico per tutte le interazioni. Si è inoltre ipotizzata la pressione di 1 bar e una temperatura di 23 gradi centigradi.
La prima analisi è stata svolta sui tre casi tipici, di geometria identica, ma di dimensioni variabili, in funzione delle tolleranze dimensionali applicate.
I casi tipici sono: LMC (Least Material Condition), NMC (Nominal Material Condition) e MMC (Max Material Condition).
Nel caso LMC viene verificato il comportamento della guarnizione in condizioni di tolleranza minima, assemblata in una cava in condizioni di tolleranza massima.
Nel caso NMC si verifica il caso nominale per tutti i componenti, mentre nel caso MMC si prende in esame il caso più sfavorevole di guarnizione in condizioni di tolleranza massima e cava in tolleranza minima.
Tramite questa prima simulazione è possibile individuare il picco di sforzo interno, la pressione minima di contatto e l’estensione radiale della superficie di contatto minima, nonché ottenere un grafico della forza necessaria per inserire l’albero nella guarnizione.
A questi primi risultati segue una seconda analisi FEA, questa volta in 3d, ipotizzando anche qui la condizione di tenuta deformabile e corpi rigidi. È stato inoltre considerato un coefficiente d’attrito inferiore sulla superficie esterna rispetto a quella interna, assumendo ancora una temperatura di 23 gradi centigradi.
I risultati hanno evidenziato un comportamento indesiderato dell’O-ring, che è stato torto durante l’inserimento dell’albero e da quest’ultimo trascinato durante la rotazione, con riscaldamento eccessivo del componente e conseguente usura.
Questi risultati hanno confermato l’esito delle prove sperimentali e hanno consigliato la modifica delle geometrie della tenuta radiale, passando dalla sezione circolare dell’O-ring a quella a doppio labbro dell’X-ring, con forte interferenza sul diametro esterno e pressione di contatto minima sul diametro interno, al fine di attenuare le conseguenze date dalla forte carica di fibra di vetro presente sul componente in plastica.
La validazione del nuovo design del pezzo è stata svolta come nel caso precedente, tramite simulazione FEA bidimensionale e tridimensionale.
I valori delle pressioni di contatto hanno confermato la validità delle scelte fatte in termini di determinazione della geometria del pezzo.
Viene in tal modo garantito un comportamento corretto del componente di tenuta durante il movimento dell’albero, rimasto solidale alla sede e non più tendente a una rotazione derivante da trascinamento con l’albero.
Il calcolo della coppia minima e massima resistente ha completato l’analisi svolta, per quanto riguarda la verifica a temperatura ambiente.
Una successiva iterazione dei calcoli, svolta utilizzando curve caratteristiche del materiale rilevate a -30°C e a 125°C, ha consentito un’ulteriore e definitiva verifica del soddisfacente comportamento della tenuta, sia a bassa sia ad alta temperatura.
Il valore della simulazione software
L’utilizzo del software MSC Marc-Mentat ha consentito il raggiungimento di risultati pienamente soddisfacenti per il cliente finale.
La modifica della geometria dei componenti studiati ha portato ad una positiva analisi al banco delle valvole dotate di tenute modificate da AR-TEX e ad una successiva produzione in serie del pacchetto completo delle guarnizioni.
La validazione di un progetto grazie alla simulazione software costituisce così un elemento chiave per l’efficienza di un progetto di tenuta, soprattutto se si considerano le condizioni di stress cui un materiale a comportamento non lineare, come l’elastomero, viene sottoposto per esplicare la sua funzione.
“Con un numero di progetti che si avvicina al centinaio all’anno”, sottolinea Marco Bassi, “l’impiego del software Marc di MSC diventa fondamentale non solo in fase di sviluppo progettuale, ma anche per poter garantire la validità dei risultati e, quindi, i benefici della soluzione proposta e la sua rispondenza ai requisiti richiesti dal committente”.