Ingranaggi

Nell’articolo di oggi andremo ad approfondire il discorso ingranaggi, andando ad investigarne la struttura e la funzione. Buona lettura!

Cos’è un ingranaggio?

Penso che tutte le persone, quando si parla di ingranaggi, abbiano perlomeno una vaga sensazione di ciò di cui parliamo. Lo scopo di quest’articolo è difatti quello di spiegare tutto ciò che normalmente si “ignora” a riguardo.

Per prima cosa, è necessario distinguere il concetto di ruota dentata, ovvero della ruota presa singolarmente, da quello di ingranaggio, ovvero dell’accoppiamento tra almeno 2 ruote dentate, che pertanto è identificativo del meccanismo. Spesso sentiamo difatti riferirci, con il termine ingranaggio, alla singola ruota.

Lo scopo di un ingranaggio (similmente alle cinghie) è quello di trasmettere potenza da un’utenza ad un’altra, variando solitamente velocità e coppia trasmessa. La differenza principale tra una cinghia ed un ingranaggio è che la prima ammette casi di extra potenza senza danneggiare il sistema (la cinghia slitterebbe nel caso), nel secondo caso ciò comporterebbe nel peggiore dei casi una rottura. Questo si può tradurre anche nel senso opposto: a causa dello slittamento, una trasmissione a cinghia avrà sempre dei limiti rispetto ad una trasmissione ad ingranaggi.

La caratteristica principale di una ruota dentata è chiaramente la presenza di denti sulla periferia del disco. Per capirne l’utilità, immaginiamo una coppia di dischi con bordi esterni (non dentati) a contatto tra di loro: essi sono in grado di trasmettere potenza per attrito della superficie utilizzatrice sulla superficie motrice. Il limite di un’applicazione simile è dovuto al limite attrito: la potenza massima sarà limitata dall’attrito che si riesce a sviluppare tra i 2 dischi. Chiameremo l’applicazione appena descritta trasmissione per dischi di frizione. Una coppia di ingranaggi funziona esattamente nella stessa maniera, ma invece che sfruttare l’attrito per trasmissione di potenza si utilizzerà la sagoma del dente. Il limite di trasmissione potenza non sarà più l’attrito tra le due superfici, ma la resistenza del dente allo sforzo di trasmissione (limite decisamente molto maggiore).

Che forme hanno i denti?

Questo costituisce un argomento molto importante. La risposta più banale che potrebbe venire alla domanda sarebbe a fianchi dritti, ma non si tratta della realtà dei fatti. Quello che comporterebbe un profilo del genere risulterebbe essere:

  • Delle zone di “non contatto” durante l’ingranamento
  • Dei fenomeni di sottotaglio (che porterebbero a rottura il dente) laddove ho un contatto degli spigoli. In pratica, lo spigolo sulla cima del dente “scaverebbe” la base del dente con cui è a contatto

Un contatto ottimale tra due fianchi si ottiene utilizzando la forma ad evolvente di cerchio. Tale forma si ottiene immaginando di “svolgere” un ipotetico filo avvolto sulla circonferenza ed andando a delineare la sua traiettoria durante lo svolgimento (si veda immagine sotto).

Tale forma è stata scelta poichè garantisce un contatto perfetto, senza strisciamento ne eventuale contatto con spigoli che possano generare i fenomeni di sottotaglio sovracitati.

Quali diametri vanno utilizzati per il calcolo dei rapporti di riduzione?

Qualora avessimo 2 dischi di frizione, con superficie liscia a contatto, è facile determinare il rapporto di riduzione, dal momento che esiste soltanto un diametro (per ciascuna ruota dentata) al quale riferirsi. Facendo pertanto il rapporto tra i due diametri, si andrà a determinare di quale entità avverrà la riduzione (o aumento) di velocità tra una ruota e l’altra.

Nel caso degli ingranaggi, il problema si complica, dal momento che vi sono diversi diametri ai quali riferirisi (esterno, interno (ovvero alla base dei denti), medio ecc). L’approccio consiste sempre nel ricondurre le ruote dentate a dischi di frizione, per andare poi ad effettuare il calcolo come già conosciamo. Il problema nel caso indicato è definire con quale diametro rappresentare il modello di ruota dentata.

Il diametro in questione si chiama diametro primitivo, ed appunto corrisponde al diametro che assumerebbe un disco di frizione equivalente. Il diametro primitivo si colloca circa a metà tra diametro interno (base dente) ed esterno (punta dente): esiste una procedura geometrica per calcolarne il valore, comunque si tratta di un parametro che viene fornito dal costruttore della ruota.

Conclusioni

L’articolo di oggi voleva descrivere le ruote dentate nei suoi aspetti chiave. Esse trovano maggiore applicazione laddove siano richieste trasmissioni di precisione e, solitamente di grandi potenze. I campi di applicazione sono svariati e difficili da elencare tutti: andiamo dall’automotive alle macchine utensili, dai macchinari industriali agli elettrodomestici ecc.

Spero che l’articolo sia stato di vostro gradimento; fatemelo sapere nei commenti. Ci risentiamo nel prossimo articolo

Un saluto

Luca

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