Modellazione di una dog clutch a doppia dentatura in ambiente Simulink–Simscape

Le dog clutch sono dispositivi di accoppiamento rigido largamente impiegati in ambito automobilistico e industriale per collegare due alberi rotanti in modo diretto, senza slittamenti e con perdite minime. La loro semplicità costruttiva e l’elevata efficienza le rendono ideali in applicazioni che richiedono robustezza e affidabilità, come nei cambi robotizzati, nei sistemi a doppia frizione, negli attuatori dei differenziali e in macchinari industriali. Il principale punto critico è però la fase di ingaggio: se i denti non sono allineati o la differenza di velocità è elevata, l’innesto può risultare brusco, generare urti multipli, ritardi o fallire. L’analisi sperimentale di tali fenomeni richiede banchi prova dedicati e condizioni controllate, perciò la modellazione numerica e la simulazione dinamica rappresentano strumenti ideali. Il lavoro di tesi ha come obiettivo lo studio del comportamento dinamico di una dog clutch, con particolare attenzione ai tempi di innesto e ai fattori che ne influenzano la regolarità. Il modello, sviluppato in Simulink–Simscape, è stato arricchito rispetto ai blocchi standard per descrivere non solo la cinematica assiale ma anche le forze agenti sull’elemento mobile: comando elettroidraulico con perdite, reazione elastica, attrito lungo le scanalature e interazione tra i denti. Uno degli aspetti più rilevanti è la dentatura reale a due set: denti lunghi, che guidano l’ingaggio aumentando la probabilità di successo, e denti corti, che completano l’innesto e ottimizzano la trasmissione di coppia. Per rappresentare questa architettura sono stati impiegati due blocchi in parallelo, condividendo la stessa posizione assiale. È stata inoltre implementata una conversione automatica della geometria trapezoidale in parametri rettangolari compatibili con il blocco Simscape. La coerenza geometrica è stata validata tramite un’animazione MATLAB che mostra in tempo reale avvicinamento, primo contatto e accoppiamento completo. Per l’analisi quantitativa sono state definite due metriche: il tempo di contatto, cioè l’intervallo di interazione denti maschio–femmina, e il tempo totale di innesto, che include la corsa del pistone. È stata condotta una campagna di simulazioni variando velocità differenziale iniziale e angolo relativo. I risultati mostrano che la variabile predominante è la velocità: all’aumentare di Δω i tempi medi di innesto diminuiscono e diventano meno dipendenti dall’angolo, mentre a basse velocità compaiono scenari con urti multipli e tempi molto dispersi. È stato poi analizzato il contributo delle due tipologie di denti confrontando la configurazione reale con varianti a soli denti lunghi o soli corti. Ne è emerso che i denti lunghi aumentano le possibilità di aggancio iniziale, mentre i corti rendono più regolare la trasmissione. Infine, il confronto con la letteratura (Bóka et al., 2010) ha mostrato coerenza qualitativa: tempi di innesto più brevi, e quindi maggiori probabilità di successo, a Δω crescenti. Il lavoro fornisce quindi un modello numerico accurato per analizzare l’ingaggio delle dog clutch, chiarendo i fattori che influenzano tempi e scenari di contatto. I risultati costituiscono una base utile per futuri sviluppi, come strategie di controllo attivo, analisi sotto carichi variabili o studio dell’usura progressiva.