Progettazione ingranaggi

Progettazione di ruote dentate in plastica per trasmissione di potenza

La maggior parte degli ingranaggi in plastica utilizzati oggi in tutto il mondo è destinata alla trasmissione di movimenti, spesso anche molto precisi, ma con potenze applicate trascurabili o comunque molto modeste.

In realtà le caratteristiche meccaniche di alcune resine termoplastiche permettono di realizzare ingranaggi in grado di trasmettere potenze rilevanti, anche con temperature di esercizio di 120 – 150°C, e quindi utilizzabili in ambienti con condizioni molto gravose, come quelle presenti all’interno dei motori termici.

In queste condizioni di impiego assumono importanza ancora maggiore i vantaggi funzionali offerti dagli ingranaggi in plastica nei confronti di quelli in acciaio, ovvero

• riduzione del peso
• riduzione del rumore
• riduzione degli attriti e quindi della potenza dissipata

Nelle applicazioni più gravose questi vantaggi funzionali possono avere un’importanza pari o superiore al vantaggio economico, che gli ingranaggi in resina assicurano sempre nel confronto con gli ingranaggi metallici, anche per volumi produttivi medio - bassi

Per progettare ingranaggi in plastica destinati a trasmettere potenza è necessario effettuare un calcolo estremamente preciso delle sollecitazioni alle quali sono sottoposti i denti, ed utilizzare tutte le possibilità offerte dalle dentature ad evolvente per individuare la geometria che garantisce la massima resistenza dei denti.    Per fare ciò è necessario abbandonare il dimensionamento  standard delle dentature e ricercare la configurazione ottimale di tutti i parametri geometrici (n° di denti, modulo, angolo di pressione, addendum, dedendum, spostamento dei profili, larghezza dei denti, ecc.), in modo da ottenere degli ingranaggi in grado di soddisfare tutte le esigenze funzionali loro richieste.

Sfortunatamente i programmi standard per il calcolo delle ruote dentate sottostimano la capacità reale di carico delle dentature in resina, talvolta anche oltre il 30%, soprattutto quando i parametri della dentatura si allontanano dai valori standard ed il fattore di ricoprimento è prossimo o superiore a 2.

Il motivo, per cui i programmi di calcolo standard degli ingranaggi sottostimano la resistenza delle ruote dentate in resina, è che essi sono stati sviluppati in funzione delle caratteristiche meccaniche dell’acciaio, che differiscono in modo sostanziale da quelle delle resine termoplastiche.   Nelle dentature giocano un ruolo determinante sia il modulo elastico, che negli acciai è 20 – 25 volte superiore a quello delle resine., sia il rapporto tra modulo elastico e resistenza a rottura, che negli acciai è superiore di 3 – 4 volte a quello delle resine.

Un basso valore del modulo elastico consente alle ruote dentate di avere sui denti, già in contatto tra loro oppure prossimi a venire in contatto, una migliore distribuzione della forza, generata dalla coppia motrice trasmessa tra le due ruote.   In questo modo la coppia motrice reale, che può essere trasmessa, risulta superiore a quella che si avrebbe, a parità di resistenza a rottura del materiale, se il modulo elastico fosse simile a quello dell’acciaio.

Questo effetto di ridistribuzione delle forze su più coppie di denti diventa tanto più importante quanto più il fattore di ricoprimento si avvicina o supera il valore 2, ovvero con l’aumento del numero di denti che possono essere simultaneamente in contatto tra loro.

Per ovviare all’inaffidabilità dei programmi tradizionali, che di fatto limita se non impedisce l’utilizzo di ruote in resina per trasmissione di potenza, l’ing. Morini ha sviluppato una serie di programmi che consentono di calcolare con estrema precisione le forze scambiate da ogni coppia di denti in contatto tra loro e quindi la potenza massima che può essere trasmessa da una coppia di ruote dentate.  Questi nuovi programmi gli consentono di progettare dentature ottimizzate per ogni singola applicazione, scegliendo i parametri geometrici in modo da avere un fattore di ricoprimento elevato ed un ridotto fattore di usura (pV).

Utilizzando questi programmi si possono agevolmente dimensionare dentature con materiali diversi, ad esempio quando una ruota è in resina e l’altra è in ottone oppure in acciaio.  In questi casi la scelta dei parametri delle dentature deve essere fatta in funzione delle caratteristiche meccaniche della resina prescelta, e la dentatura della ruota in metallo deve adattarsi a quella della ruota in plastica.

In questo modo sono state realizzate applicazioni di ruote in resina, che secondo i programmi standard non avrebbero avuto alcuna possibilità di funzionare.

Utilizzando questi programmi sono state realizzate anche ruote in acciaio, ottenute sia mediante lavorazione meccanica, sia mediante processo di sinterizzazione, e destinate ad applicazioni dove, oltre alla resistenza meccanica, erano richieste la riduzione del rumore e la riduzione dei pesi.