Un escavatore sembra muoversi di forza propria, ma quasi nulla di quel movimento è diretto. Il motore diesel aziona una pompa idraulica, la pompa invia olio in pressione a due motori di traslazione montati sui cingoli, e dentro ciascun motore un albero piccolo e veloce deve essere dapprima rallentato, poi moltiplicato nella coppia enorme che fa girare la ruota motrice sotto una macchina da quaranta tonnellate. Gli ingranaggi dentro quel motore di traslazione, spesso chiamato rinvio finale o riduttore di marcia, fanno proprio questo lavoro. Girano in un carter chiuso, pieno d'olio, lavorano nel fango, nella polvere di roccia e nelle continue inversioni di senso, e ci si aspetta che vivano anni senza manutenzione. Quando uno di quegli ingranaggi cede, la macchina si ferma, e il costo del fermo macchina supera presto il prezzo dell'ingranaggio stesso. Questa guida racconta cosa c'è davvero dentro un motore di traslazione di escavatore, come sono disposti gli ingranaggi, di che materiale sono fatti, come tendono a rompersi, e cosa un acquirente deve mettere sul tavolo quando li approvvigiona come ricambi OEM.
La catena cinematica dentro un lato del cingolo è corta sulla carta, ma durissima in servizio. Un motore a pistoni a piattaforma inclinata gira a forse duemila o quattromila giri al minuto, con una pressione di lavoro che arriva a trenta o quaranta megapascal, e quella rotazione veloce e a bassa coppia deve essere trasformata in una rotazione lenta e a coppia elevata alla ruota motrice, tipicamente tra dieci e trenta giri al minuto. Una sola coppia di ingranaggi non può coprire un tale rapporto, per cui il riduttore di traslazione impila due o tre stadi epicicloidali in serie sullo stesso asse. L'albero del motore idraulico porta il pignone solare del primo stadio, diversi satelliti girano attorno a una corona interna fissa, e il portasatellari trascina il pignone solare dello stadio successivo. Al terzo stadio la coppia è già stata moltiplicata all'incirca per cento o più, e il portasatellari dell'ultimo stadio è bullonato direttamente alla ruota motrice che ingrana nei magli del cingolo. L'intero complesso è coassiale, sigillato e bullonato al telaio del cingolo, ed è per questo che un dente rotto in un punto qualsiasi interno è così costoso da raggiungere e da riparare.
La geometria dentro questi stadi di riduzione segue uno schema ben collaudato. Il pignone solare è un piccolo pignone comandato direttamente dall'albero del motore, un gruppo di satelliti ingrana con lui all'esterno, e una corona interna, con denti rivolti verso l'interno, blocca lo stadio contro il carter fisso. La dentatura elicoidale è comune nelle taglie medie e piccole perché ingrana in modo graduale, ripartisce il carico su più denti e gira più silenziosa sotto le inversioni ripetute; la dentatura diritta compare negli stadi più grandi e di servizio più pesante, dove la semplicità e l'azionamento positivo contano più del rumore. Un percorso rappresentativo attraverso un comune gruppo di riduzione per escavatore è questo. Il pignone di comando ha quattordici denti, la corona interna che gli ingrana ha trentacinque denti, il modulo è ventiquattro, il pignone lavora su un foro conico che si stringe sull'albero del motore o del portasatellari per accoppiamento conico o per serraggio, anziché tramite una comune chiavetta, e i denti sono tagliati con un angolo d'elica di ventidue gradi per un ingranamento più dolce. Vale la pena ricordare questi numeri, perché sono esattamente quelli che un'officina o un proprietario di flotta legge sul pezzo rotto quando viene a comprare il ricambio, e qualunque preventivo che non riesca ad abbinare numero di denti, modulo, forma del foro e angolo d'elica del disegno, semplicemente non girerà nel carter originale.
La scelta del materiale in questi ingranaggi è guidata da due fatti. I denti vedono un'elevata tensione di contatto combinata a carichi d'urto quando il cingolo urta un ostacolo, e la corona è un pezzo grande e pesante, forgiato o fuso, che non deve deformarsi durante il trattamento termico. Il pignone e i satelliti partono quasi sempre da un acciaio al cromo-molibdeno come il 42CrMo4, equivalente all'AISI 4140, che viene bonificato fino a una resistenza a trazione di circa mille newton per millimetro quadrato prima della dentatura, poi indurito in superficie per induzione o cementazione in modo che il fianco del dente raggiunga cinquanta o sessanta HRC, mentre il nucleo resta abbastanza tenace da assorbire l'urto. La combinazione di una superficie dura e resistente all'usura con un nucleo duttile e tollante all'urto è ciò che permette a un piccolo pignone di sopravvivere ad anni di coppia di picco invertita senza creparsi in profondità. La corona interna è un altro animale. È grande, viene dentata internamente, e si deformerebbe gravemente se indurita fino alla durezza del pignone, per cui quasi sempre viene ricavata da una vergella in acciaio fuso o fuso-forgiato nella gamma del medio carbonio, normalizzata e stress-relieved, con la superficie del dente indurita per induzione localmente, solo laddove il carico di contatto lo richiede.
Gli ingranaggi del motore di traslazione vengono raramente acquistati come componenti nuovi per il montaggio originale. Quasi tutta la domanda reale è domanda di ricambio, perché una flotta di escavatori che lavorano in cave, miniere o infrastruttura invecchia, e i singoli ingranaggi di riduzione cedono molto prima che l'intera macchina venga messa a riposo. Tre modi di rottura dominano. La frattura di dente, che di solito inizia nel raccordo alla radice del pignone o del satellite, avviene quando il cingolo colpisce una roccia o la benna urta un ostacolo e il picco di coppia supera il limite di fatica flessionale; è improvvisa, rumorosa, e di solito porta con sé anche il compagno di ingranamento. La vaiolatura, fatica superficiale sul piede del fianco, comincia come piccole crateri marroni e cresce quando la tensione di contatto ripetuta sollecita eccessivamente una superficie leggermente molle o leggermente mal caricata; è la morte lenta e prevedibile di una macchina ben tenuta che ha semplicemente percorso le sue ore di progetto. L'usura abrasiva arriva dall'olio sporco, perché un sfiato del riduttore che lascia entrare finissima polvere di silice lucida i fianchi, anno dopo anno, finché il profilo del dente sparisce. L'intercambiabilità è il requisito più duro per l'acquirente. Un ingranaggio di ricambio deve ingranare con la corona originale, stare sul portasatellari originale, accettare i cuscinetti e le tenute originali e girare con il gioco originale, perché nessuno in cantiere ha tempo di registrare un gruppo nuovo in un carter vecchio per tentativi.
Approvvigionarsi di un gruppo di ricambio per il motore di traslazione presso un fornitore equivalente all'OEM si riduce a una breve lista di cose che devono essere presenti sulla richiesta, non come extra opzionali. Primo, fornire il disegno originale o un campione fisico, perché una fotografia e un conteggio dei denti non bastano a riprodurre correttamente un foro conico, un angolo d'elica o una chiavetta interna. Secondo, chiedere il certificato del materiale e il certificato di collaudo del forno, dove figurino la colata del 42CrMo4 o la qualità dell'acciaio fuso, la composizione chimica e le proprietà meccaniche, affinché la metallurgia corrisponda a quella di fabbrica. Terzo, dichiarare esplicitamente il trattamento termico: bonificato prima della dentatura, indurito per induzione o cementato dopo la dentatura, durezza obiettivo in superficie e al nucleo, e profondità di indurimento ammissibile sul fianco, perché un fornitore che promette denti duri senza numeri sta indovinando. Quarto, imporre prove ultrasoniche sulla vergella e controllo magnetoscopico dopo la lavorazione di sgrossatura, perché un difetto di forgiatura nascosto in un pignone di modulo ventiquattro riemerge come rottura di dente in cantiere sei mesi dopo. Quinto, chiedere un rapporto di controllo dimensionale che copra profilo del dente, linea del dente, passo, gioco, diametro del foro e battito, e confrontarlo con le tolleranze del disegno, invece di accettare una garanzia firmata. Sesto, concordare lotto, tempi di consegna e vergelle di scorta tenute a magazzino, perché questi ingranaggi sono pesanti, lenti da lavorare, e quasi sempre erano richiesti ieri quando la macchina è ferma. Settimo, e vale più di qualsiasi certificato, chiedere se un gruppo di prova può essere collaudato al banco in un carter noto buono, oppure montato come prova su un mezzo della flotta, perché una stagione di servizio sul campo è la prova che l'ingranaggio, e non solo la carta, è giusto.
Il gruppo di ingranaggi del motore di traslazione è uno dei componenti meno visibili e più sollecitati di un escavatore, e viene acquistato quasi interamente sulla fiducia, perché l'acquirente non vede mai girare l'ingranaggio prima che la macchina ricominci a muoversi. Un disegno pulito, una colata corrispondente, un vero rapporto di controllo e la volontà di provare un gruppo su una macchina vera comprimono quella fiducia in pochi numeri verificabili. Se corrispondono numero di denti e modulo, corrispondono foro ed elica, corrispondono materiale e durezza, l'ingranaggio di ricambio si comporterà come l'originale, in silenzio, per le prossime diecimila ore.