Gli ingranaggi sono fondamentali per la trasmissione di potenza e movimento in vari macchinari. Funzionano grazie all'incastro dei denti, garantendo un controllo preciso del movimento e del carico. Questa guida si addentra nell'intricato mondo degli ingranaggi, esplorandone i tipi, le funzioni e le specifiche tecniche.
Indice dei contenuti
Che cos’è un ingranaggio?
Un ingranaggio è un componente meccanico. Comprende cricchetti o ingranaggi dotati di denti. Si innestano per trasmettere la rotazione e la coppia da un albero all’altro. Questo innesto preciso evita i compromessi. Possono causare velocità e potenza incoerenti. Gli ingranaggi sono componenti critici in molti settori. Si tratta di automotive, macchinari, aerospaziale e robotica. Gli ingranaggi sono utilizzati per controllare la velocità e trasferire la potenza.
Non esiste uno standard per il settore degli ingranaggi. Tuttavia, gli ingranaggi vengono classificati in base ai denti e al senso di rotazione. Questo illustra come vengono discussi i vari tipi di ingranaggi e gli usi speciali. L’ingranaggio viene applicato in molti sistemi meccanici diversi. Questo serve a illustrare come gli ingranaggi vengono progettati per configurazioni complesse.
Importanti terminologie relative agli ingranaggi
Terminologia degli ingranaggi
Parametri di base degli ingranaggi
Gli ingranaggi hanno dei parametri. Sono le proprietà tecniche degli ingranaggi. Questi parametri sono richiesti dagli ingegneri del settore. Tutti questi parametri sono applicati alle diverse parti di un ingranaggio. Essi determinano il funzionamento e le prestazioni dell’ingranaggio.
Numero di denti: I denti hanno bordi affilati e circondano completamente l’ingranaggio. Il numero di denti deve essere un numero intero, il che può influire sul rapporto di trasmissione, un aspetto importante delle prestazioni dell’ingranaggio. Un numero maggiore di denti rende il movimento più fluido, ma richiede una produzione di precisione.
Profondità totale: La profondità totale è misurata dalla sommità di un dente al suo punto più basso. Ciò garantisce che l’ingranaggio in questione possa sopportare il carico previsto. Inoltre, consente il corretto funzionamento dell’ingranaggio all’interno di un sistema meccanico.
Cerchi e diametri critici
Circonferenza del passo: Una circonferenza del passo è un cerchio immaginario che mostra le dimensioni di un ingranaggio. È fondamentale per gli ingranaggi che si ingranano. I loro cerchi del passo devono combaciare bene durante il funzionamento. Il cerchio del passo divide il dente in addendum e dedendum.
Cerchio radicolare: Il cerchio radicolare è talvolta chiamato diametro interno. Segna la parte inferiore di un dente, o più precisamente la sua altezza. Questa altezza viene utilizzata nei calcoli della profondità e della resistenza del dente.
Cerchio esterno: Per quanto riguarda le dimensioni esterne, il cerchio esterno indica il diametro su cui inizia la marcatura e dove iniziano le estremità dei denti dall’alto verso il basso. Da esso dipendono le dimensioni complessive e l’intercambiabilità tra gli ingranaggi di un sistema.
Diametro del passo:
Passo e modulo
B Misura la distanza tra due denti adiacenti sul cerchio del passo. È essenziale per comprendere il posizionamento e l’interazione.
Modulo: È un rapporto ottenuto dividendo il diametro dei cerchi del passo per π (pi greco). Nell’analisi degli ingranaggi, viene spesso utilizzato per semplificare i calcoli delle dimensioni e della spaziatura degli ingranaggi.
Passo diametrale: Numero di denti di un ingranaggio diviso per il diametro del cerchio del passo. Gli ingranaggi con lo stesso passo diametrale si ingranano bene. Si tratta quindi di un parametro importante per la compatibilità degli ingranaggi.
Spessore circolare:
Angoli e punti
Angolo di pressione: L’angolo tra la normale comune al punto di contatto del dente e la tangente comune al cerchio del passo. Influisce sulla trasmissione della forza e sulla scorrevolezza del funzionamento dell’ingranaggio.
Punto di passo: Il punto in cui due ingranaggi ingranati hanno punti di contatto situati sui rispettivi cerchi del passo. Da questo punto dipende l’allineamento accurato degli ingranaggi; pertanto, è liscio.
Superficie del passo: È noto che l’ingranaggio dentato sostituisce una superficie immaginaria del cilindro di rotolamento. Questo ci aiuta a capire il movimento degli ingranaggi quando interagiscono.
Addendum, Dedendum e Profondità.
Addendum & Dedendum: La distanza radiale va dall’addendum alla base del dente. Assicura un contatto corretto con l’ingranaggio durante il caricamento.
Cerchio dell’appendice e cerchio dell’appendice: Si trova proprio sulla punta di ogni dente… Questi due cerchi sono concentrici rispetto al cerchio del passo e servono a delimitare l’area dei denti.
Circonferenza di base: da essa derivano i profili dei denti involuti. Questo determina la forma e la resistenza della struttura a 13 denti.
Profondità totale e profondità di lavoro: La differenza radiale è tra i cerchi dell’addendum e del dedendum. La profondità di lavoro garantisce l’accoppiamento degli ingranaggi dal cerchio di addendum al cerchio di ingombro.
Spessore del dente e spazio tra i denti: Si tratta della larghezza di un dente sul cerchio del passo. Queste letture aiutano a determinare le distanze dei denti e la loro interazione con il sistema di ingranaggi.
Classificazione degli ingranaggi
Classificazione degli ingranaggi
Tipi di ingranaggi in base alla forma del dente
In base alla forma dei denti, esistono tre tipi principali di ingranaggi: involuti, cicloidi e trocoidi. Gli ingranaggi involuti sono noti per i loro profili curvi che garantiscono una trasmissione fluida. Gli ingranaggi cicloidi hanno una forma curva. Questa forma li rende più efficienti in alcuni casi rispetto ad altri. Gli ingranaggi trocoidi hanno denti unici. Questi permettono agli ingranaggi di funzionare bene in determinate condizioni.
Tipi di ingranaggi basati sulla configurazione degli assi
Gli ingranaggi possono essere classificati anche in base alla configurazione dei loro assi. Gli ingranaggi ad asse parallelo sono posizionati in alberi paralleli che condividono lo stesso piano. Hanno un’elevata efficienza nel trasferimento del moto, proprio come gli ingranaggi elicoidali e le cremagliere. Gli ingranaggi ad asse si incontrano in un punto. Un esempio è la coppia conica. Questo tipo si incontra su un piano. Mantengono un’elevata efficienza. Al contrario, gli alberi di un ingranaggio a vite senza fine non si incontrano e non corrono paralleli. Ciò causa una bassa efficienza.
Diversi tipi di ingranaggi
L’ingranaggio è fondamentale in ogni macchina. Trasmette la rotazione e la forza tra le parti. Sono disponibili in molte forme. Soddisfano molte esigenze meccaniche in vari settori. Gli ingegneri devono conoscere le proprietà e il design di ciascun tipo di ingranaggio. Utilizzano queste conoscenze per scegliere i migliori per le loro esigenze.
Riduttore cilindrico: Gli ingranaggi cilindrici sono semplici. I loro denti sono paralleli all’asse di rotazione. Ciò significa che possono ingranare solo con altri ingranaggi cilindrici che hanno assi paralleli. Questo tipo di ingranaggio è ampiamente utilizzato perché è semplice, economico e di facile manutenzione. Per questo motivo, la pratica della fonderia deve essere utilizzata in applicazioni a velocità moderata, come gli azionamenti dei mulini e le attrezzature di sollevamento.
ingranaggio del binario
Organo elicoidale:
Ingranaggio elicoidale
Doppio ingranaggio elicoidale:
Doppio ingranaggio elicoidale
Riduttore a spina di pesce:
Ingranaggio a spina di pesce
Ingranaggio a vite senza fine
Ringa conica:
Ingranaggio conico
Pignone e cremagliera: Questo tipo di ingranaggio converte la rotazione in movimento lineare o viceversa. È fondamentale nei sistemi di guida, nelle macchine CNC e negli attuatori lineari. I riduttori a cremagliera forniscono un controllo accurato del movimento. Pertanto, molti usi richiedono l’efficienza di questi tipi di prodotti.
Cremagliera e pignone
Ingranaggio planetario
Internal Gear: Gli ingranaggi interni sono utilizzati principalmente nelle trasmissioni planetarie e negli accoppiamenti di alberi. Questi ingranaggi hanno denti all’interno di un cono o di un cilindro, che li fa girare nello stesso modo. Sono necessari requisiti specifici di allineamento degli ingranaggi e di controllo della rotazione.
Ingranaggio interno
Principi di funzionamento degli ingranaggi meccanici
Ingranaggi e trasmissione del moto
Gli ingranaggi funzionano quando le loro ruote dentate si agganciano per spostare velocità e movimenti. I denti dell’ingranaggio si incastrano con quelli di un altro ingranaggio. Questo permette loro di trasmettere la rotazione. In questo modo, si crea un vantaggio meccanico quando la coppia, la velocità e la direzione di rotazione vengono modificate. In questo modo, il trasferimento del movimento degli ingranaggi avviene in modo efficiente, soprattutto grazie all’ingranamento.
La connettività tra ingranaggio e albero
In quanto tali, gli ingranaggi ruotano lungo gli alberi su cui sono montati. Ciò implica che i movimenti possono essere trasmessi da un ingranaggio all’altro attraverso l’azione dell’ingranaggio lungo l’albero. Gli ingranaggi sono posizionati correttamente grazie all’albero. L’albero mantiene gli ingranaggi stabili e allineati in modo che funzionino correttamente. In assenza di alberi, è probabile che gli ingranaggi non mantengano la loro configurazione per un movimento efficiente.
Ingranaggio di guida vs. ingranaggio di comando
In un qualsiasi insieme di ingranaggi, esistono due tipi principali: l’ingranaggio motore e l’ingranaggio condotto. L’ingranaggio motore provoca il movimento dell’ingranaggio condotto ruotando su se stesso. Il movimento avviene quindi grazie all’interazione con le altre parti di un meccanismo. Infatti, quando l’ingranaggio motore inizia a muoversi, la sua rotazione influisce direttamente sulla velocità o sulla lentezza dell’ingranaggio condotto. Ciò garantisce un funzionamento regolare.
Materiali comunemente utilizzati nella produzione di ingranaggi.
Metalli e leghe
S45C
L’acciaio S45C appartiene allo standard JISG4051-79 (94), noto come acciaio 45 in Cina, con denominazioni simili in Giappone (S45C) e Taiwan (S45C). Si tratta di un carbonio di alta qualità senza difetti strutturali. La sua microstruttura è uniforme in tutto l’intervallo di massa. La sua resistenza all’usura aumenta con l’aumentare del contenuto di carbonio superiore allo 0,4%. Tuttavia, è necessario un trattamento termico adeguato durante la tempra per evitare deformazioni o cricche.
SUS304
Chiamato anche 06Cr19Ni10 o semplicemente 304, è un esempio di acciaio inossidabile. Possiede un’eccellente resistenza alla corrosione e proprietà meccaniche. Tuttavia, è possibile formarlo a caldo. Procedure come la piegatura e lo stampaggio possono essere eseguite senza indurimento. Questo acciaio rimane invariato da -196°C a 800°C. Il grado alimentare 304 ha più regole per il cromo, il nichel e i metalli pesanti.
40Cr
È l’equivalente cinese di SCr440 (Giappone), 5140 (USA) e ISO 41Cr4. Si applica all’ingegneria meccanica. Ciò è dovuto alle sue caratteristiche fisiche dopo la tempra e il rinvenimento. D’altra parte, ha una migliore temprabilità rispetto all’acciaio S45C. Può essere utilizzato per ingranaggi, rotori di pompe dell’olio, ecc. Funzionano con carichi elevati e velocità medie.
Materiali plastici
POM (poliossimetilene)
È noto come “super acciaio” per le sue caratteristiche eccezionali. Si chiama poliacetale o resina acetalica. Il POM funziona da -40°C a +100°C. Ha una buona resistenza all’usura e all’autolubrificazione. Il POM è migliore di molti altri tecnopolimeri. Ad esempio, ha una resistenza alla trazione di circa 70 Mpa. Inoltre, presenta un basso assorbimento d’acqua, una buona stabilità dimensionale e un aspetto lucido.
Nylon
L’assenza di lubrificazione rende popolari gli ingranaggi in nylon. Sono adatti per applicazioni che richiedono livelli di rumorosità ridotti. Sono adatti anche per ingranaggi leggeri. Inoltre, le sue proprietà uniche rendono questo polimero adatto agli ingranaggi speciali. Si tratta di applicazioni in cui il rumore durante il funzionamento deve essere ridotto al minimo.
Materiali compositi
Ceramica
Il carburo di silicio e altre ceramiche avanzate sono dure e resistenti all’usura. Vengono utilizzati per queste qualità. Questi materiali sono destinati principalmente ad applicazioni in condizioni severe. Nonostante la loro fragilità, si comportano bene in condizioni estreme.
Compositi a matrice metallica
Questi compositi combinano la forza dei metalli con la durezza e la resistenza alla corrosione della ceramica. Sono ideali per le applicazioni che richiedono la tenacità del metallo. Inoltre, è necessario conoscere meglio le proprietà della ceramica. Queste proprietà aiutano i materiali a resistere alle esigenze operative più severe.
Considerazioni sulla progettazione e sulla scelta degli ingranaggi.
Bilancio economico
Il costo della personalizzazione è sempre stato elevato nella selezione dei riduttori. I produttori hanno spesso bisogno di ingranaggi con design personalizzati. Devono corrispondere ai disegni ingegneristici e alle raccomandazioni. È necessario far coincidere queste esigenze con i budget disponibili.
Progettazione e standard
Gli ingranaggi hanno molte specifiche, standard e tolleranze. Non esiste un approccio unico adatto a tutte le situazioni. Pertanto, le aziende devono identificare i propri standard specifici. Ciò può comportare la necessità di prendere in considerazione altri Paesi, come gli Stati Uniti o il Giappone, se le normative locali sono inadeguate.
Configurazione dello spazio
Sebbene gli ingranaggi occupino solitamente il centro degli alberi, le esigenze di produzione potrebbero imporre diversamente. Tali cambiamenti possono comportare la modifica della forma e dello spessore dei denti o la scelta di ingranaggi interni che si adattano perfettamente.
Esigenze di trasmissione
Gli ingranaggi sono essenziali per la trasmissione del moto e della coppia tra le parti della macchina. Ogni parte ha requisiti unici, quindi i produttori scelgono gli ingranaggi più adatti. Il tipo e il design degli ingranaggi vengono modificati in base ai requisiti di movimento e di coppia.
Condizioni di servizio
Molti fattori influenzano la scelta degli ingranaggi, come il peso, l’attrito, la rumorosità, le vibrazioni e le sollecitazioni. Inoltre, vi sono fattori ambientali come la temperatura, la pulizia e l’umidità. Questi fattori vengono presi in considerazione quando si decidono i materiali, i trattamenti o la lubrificazione degli ingranaggi.
Selezione del materiale
La scelta degli ingranaggi dipende dalla loro capacità di resistere a varie condizioni. Queste includono temperature estreme, polvere e altro ancora. Alcuni materiali sono l’acciaio inossidabile (SUS304), l’acciaio al carbonio (S45C), il nylon, ecc. Garantiscono la durata in alcune condizioni.
Dettagli sulla configurazione degli ingranaggi
Modulo e numero di denti: scegliere in base al rapporto di trasmissione desiderato e alla disponibilità di spazio,
Dimensioni dell’ingranaggio: selezionare in base ai requisiti di spazio per le posizioni di installazione,
Requisiti di coppia: prima di scegliere un riduttore, è necessario considerare la capacità di coppia di carico del sistema,
Forma del foro interno: Scegliere una cava per il posizionamento o il fissaggio. Altrimenti, scegliere un foro rotondo in base alle esigenze di installazione o di connettività.
Applicazioni dei tipi di ingranaggi
Tipo di attrezzo
Applicazioni
Riduttore cilindrico
Orologi, treni, aeromobili, macchine per lavanderia, centrali elettriche, industria alimentare, settore automobilistico, attrezzature forestali, piccoli trasportatori
Riduttore elicoidale
Sistemi automobilistici, orologi, utensili per la casa, produzione di cemento, industria mineraria, applicazioni marine, trasportatori di grandi dimensioni
Doppio ingranaggio elicoidale
Miniere, industrie marine, macchinari pesanti, turbine a vapore
Ingranaggio a spina di pesce
Industrie pesanti, propulsione navale
Riduttore angolare
Pompe, treni, aeromobili, centrali elettriche, produzione di cemento, operazioni minerarie.
Produzione di cemento, estrazione mineraria, sistemi di trattamento delle acque
Vantaggi e svantaggi degli ingranaggi
Vantaggi degli ingranaggi
Trasmissione efficiente della potenza: Consentono di ottenere rapporti di velocità elevati in uno spazio ridotto, con un minimo spreco di energia.
Controllo preciso di velocità e coppia: Consente un controllo accurato, rendendolo così applicabile a diverse esigenze meccaniche.
Diverse applicazioni: Sono disponibili numerosi tipi e dimensioni da selezionare in base alla domanda di ciascun ingranaggio.
Design compatto: Consente di risparmiare spazio e di integrarsi perfettamente in diversi allestimenti.
Manutenzione ridotta: Grazie alla loro resistenza e alla lunga durata, richiedono solo una semplice lubrificazione.
Rapporto di velocità fisso: Il movimento su alberi non paralleli si interseca perfettamente, garantendo prestazioni uniformi.
Svantaggi degli ingranaggi
Sistemi complessi: L’installazione precisa di questi sistemi può essere impegnativa, così come la loro manutenzione,
Rumore e vibrazioni: L’alta velocità o il disallineamento causano questo problema, che ostacola l’uso confortevole di un sistema,
Capacità limitata sulle lunghe distanze: Non è in grado di trasferire il movimento su lunghe distanze,
Rischio di danni in caso di carico elevato: il danno peggiore può verificarsi in caso di errore con gli ingranaggi dentati,
Mancanza di flessibilità: in molti casi, la rigidità operativa ne limita l’applicazione in situazioni diverse,
Costi di produzione elevati: i processi di produzione e assemblaggio sono economicamente onerosi per gli acquirenti.
Qual è la differenza tra ingranaggi e pignoni?
Gli ingranaggi e le ruote dentate alimentano qualsiasi cosa, dalle biciclette alle macchine. Sono una parte importante della nostra vita quotidiana. Favoriscono una trasmissione fluida dell’energia, consentendo così un movimento preciso. Sia gli ingranaggi che le ruote dentate azionano le macchine. Tuttavia, i loro design separati li rendono più adatti a funzioni diverse, proprio come un cacciavite e una chiave inglese.
Forma e design
Gli ingranaggi sono dotati di denti. I denti hanno la forma di pezzi di puzzle irregolari. Si incastrano l’uno con l’altro. Questo fa sì che si incastrino bene con altri ingranaggi. Al contrario, le ruote dentate hanno i denti distanziati in modo da poter aderire correttamente a una catena o a una cinghia.
Meccanismo di trasmissione dell’energia
Grazie all’incastro dei loro denti, gli ingranaggi consentono la trasmissione di potenza, con conseguente movimento continuo. Le ruote dentate trasferiscono l’energia afferrando le maglie della catena. Ciò è simile alla catena di una bicicletta che si avvolge intorno ai pignoni per ruotare.
Applicazioni
Gli ingranaggi sono utilizzati per ottenere velocità, coppia e posizionamento precisi. Si trovano nelle automobili, nei macchinari, negli orologi e nei riduttori. Le ruote dentate sono utilizzate principalmente nei sistemi con catene o cinghie. Tra questi vi sono biciclette, motociclette, nastri trasportatori e altre macchine.
Distribuzione del carico
Distribuiscono il carico su molti denti in modo che la trasmissione della potenza sia fluida ed efficiente. Ciò significa che le sollecitazioni sui singoli denti sono minime. Le ruote dentate distribuiscono il carico su maglie separate di una catena o di una cinghia, con conseguente aumento della sollecitazione su particolari punti di contatto.
Dimensioni e costruzione
Gli ingranaggi sono disponibili in varie dimensioni e costruzioni. Si tratta di ingranaggi cilindrici, elicoidali, conici, a vite senza fine, a cremagliera e planetari. I pignoni, invece, hanno un design più standardizzato. Inoltre, hanno una struttura più semplice, che li fa lavorare meglio con catene e cinghie.
Conclusione
La comprensione degli ingranaggi è essenziale per ottimizzare i sistemi meccanici. Questa guida esplora i tipi di ingranaggi e la loro progettazione. Illustra come contribuiscono al buon funzionamento della trasmissione di potenza. Una migliore conoscenza facilita il processo decisionale nella selezione e nella manutenzione degli ingranaggi.
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Domande frequenti
Quali sono le tecniche di trattamento utilizzate dai macchinisti sugli ingranaggi?
Gli ingranaggi possono essere rettificati per garantire un funzionamento silenzioso. Gli ingranaggi sono trattati termicamente per aumentarne la resistenza e la durata. Il riscaldamento degli ingranaggi dopo la dentatura li rende molto più resistenti. Questo processo viene utilizzato soprattutto per le ruote o gli alberi dei riduttori a comando superiore parallelo.
Che cosa sono le formule di calcolo per la lavorazione degli ingranaggi?
Le dimensioni degli ingranaggi vengono calcolate mediante formule, in particolare quelle applicabili al pignone e agli ingranaggi di grandi dimensioni. Queste formule si basano su elementi quali l’angolo di pressione del modulo, il numero di denti, il diametro del cerchio del passo, ecc.
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