Tipi di ingranaggi

1. Introduzione

Molti tipi di ingranaggi sono una parte fondamentale di innumerevoli sistemi meccanici, si trovano ovunque, dalle automobili ai macchinari industriali e persino all'elettronica di consumo quotidiana.

Funzionano trasmettendo la forza di rotazione tra i componenti della macchina, consentendo un controllo preciso sul movimento, velocità, e coppia.

Gli ingranaggi sono essenziali per il funzionamento regolare ed efficiente delle macchine, con vari tipi di ingranaggi adatti a diverse applicazioni.

2. Cos'è un ingranaggio?

Un ingranaggio è un componente meccanico dentato che ingrana con un'altra parte dentata, spesso un'altra marcia, per trasmettere coppia e movimento. Gli ingranaggi possono aumentare la coppia sacrificando la velocità, oppure possono aumentare la velocità a scapito della coppia.

L'efficienza e la funzionalità degli ingranaggi dipendono dalla loro forma, misurare, materiale, e come interagiscono tra loro.

3. Diversi parametri degli ingranaggi

Comprendere i parametri degli ingranaggi è fondamentale per progettare sistemi di ingranaggi efficienti e affidabili. Questi parametri influenzano il modo in cui gli ingranaggi si ingranano, quanto carico possono sopportare, e le loro prestazioni complessive in varie applicazioni. Ecco una panoramica dei parametri chiave:

1. Numero di denti

Il numero di denti di un ingranaggio è un parametro fondamentale che ne influenza il rapporto di trasmissione e le prestazioni. Determina la capacità dell'ingranaggio di ingranare con un altro ingranaggio e influenza la velocità e la coppia erogata.

• Rapporto di trasmissione: Il rapporto tra il numero di denti su due ingranaggi che ingranano determina la relazione di velocità e coppia.
  Per esempio, un ingranaggio con 20 denti che ingranano con un ingranaggio con 40 i denti hanno un rapporto di trasmissione di 1:2, ciò significa che l'ingranaggio più grande girerà alla metà della velocità dell'ingranaggio più piccolo ma con il doppio della coppia.

2. Tutta la profondità

La profondità intera si riferisce alla profondità totale di un dente di ingranaggio, che comprende sia l'addendum che il dedendum. È fondamentale per garantire il corretto ingranamento con gli ingranaggi adiacenti.

• Addendum: L'altezza del dente dell'ingranaggio sopra il cerchio primitivo.
• Da dare: La profondità del dente sotto il cerchio primitivo.

L'intera profondità è essenziale per determinare la resistenza dell'ingranaggio e lo spazio richiesto affinché i denti dell'ingranaggio si ingranano senza interferenze.

3. Cerchio di passo

Il cerchio primitivo è un cerchio immaginario che rotola senza scivolare sul cerchio primitivo di un ingranaggio accoppiato. È fondamentale garantire il modo in cui gli ingranaggi interagiscono e si ingranano tra loro.

• Diametro primitivo: Il diametro del cerchio primitivo. Viene utilizzato per calcolare il rapporto di trasmissione e per garantire che gli ingranaggi ingranano correttamente.

4. Cerchio della radice

Il cerchio principale è il cerchio che passa attraverso il fondo delle scanalature dei denti degli ingranaggi. Determina il diametro minimo dell'ingranaggio ed è importante per comprendere la resistenza e la durata dell'ingranaggio.

• Diametro della radice: Il diametro del cerchio che collega le basi dei denti.

5. Cerchio esterno

Il cerchio esterno, o diametro esterno, è il cerchio che passa attraverso le punte dei denti dell'ingranaggio. È essenziale per determinare le dimensioni e il gioco complessivi dell'ingranaggio.

• Diametro esterno: Il diametro misurato dalla punta di un dente alla punta del dente opposto.

6. Diametro primitivo

Il diametro primitivo è il diametro del cerchio primitivo ed è un parametro fondamentale per calcolare il rapporto di trasmissione e garantire il corretto ingranamento tra gli ingranaggi.

• Formula: Diametro primitivo = Numero di denti / Passo diametrale (per le unità imperiali) o diametro primitivo = (Numero di denti * Modulo) (per unità metriche).

7. Passo circolare

Il passo circolare è la distanza tra i punti corrispondenti sui denti adiacenti, misurata lungo la circonferenza primitiva. È importante garantire il corretto accoppiamento e allineamento degli ingranaggi.

• Formula: Passo circolare = π * Diametro primitivo / Numero di denti.

8. Modulo

Il modulo è una misura della dimensione dei denti, definito come il rapporto tra il diametro primitivo e il numero di denti. Viene utilizzato nel sistema metrico per standardizzare le dimensioni degli ingranaggi.

• Formula: Modulo = diametro primitivo / Numero di denti.

9. Passo diametrale

Il passo diametrale è il numero di denti per pollice del diametro primitivo. Viene utilizzato nel sistema imperiale per standardizzare le dimensioni degli ingranaggi ed è l'inverso del modulo.

• Formula: Passo diametrale = Numero di denti / Diametro primitivo.

10. Spessore circolare

Lo spessore circolare è lo spessore di un dente di ingranaggio misurato lungo il cerchio primitivo. Influisce sulla resistenza dell’ingranaggio e sull’efficienza della trasmissione di potenza.

• Formula: Spessore circolare = Passo circolare / 2.

4. Come funzionano gli ingranaggi？

Gli ingranaggi sono dispositivi meccanici, tipicamente circolare, con denti sui bordi utilizzati per trasmettere la forza di rotazione e la coppia nelle macchine.

Operare in coppia, gli ingranaggi innestano i denti per evitare lo slittamento. Negli ingranaggi circolari, la velocità di rotazione e la coppia rimangono costanti, mentre gli ingranaggi non circolari creano rapporti di velocità e coppia variabili.

Per mantenere velocità e coppia costanti, la modellazione precisa del profilo degli ingranaggi è essenziale. Quando l'ingranaggio più piccolo, o pignone, guida il sistema, riduce la velocità e aumenta la coppia.

Al contrario, se il pignone è sull'albero condotto, la velocità aumenta mentre la coppia diminuisce.

Gli alberi che sostengono gli ingranaggi devono essere adeguatamente distanziati e possono essere disposti in parallelo, non parallelo, intersecanti, o configurazioni non intersecanti. Questi alberi funzionano come leve per trasmettere la rotazione e l'energia tra gli ingranaggi.

I principali risultati dei sistemi di ingranaggi includono:

• Aumenta la velocità: In una coppia di ingranaggi in cui si ha 40 denti e l'altro 20, l'ingranaggio più piccolo ruota due volte più velocemente per mantenere la sincronizzazione, con conseguente velocità più elevata ma coppia ridotta.
• Aumenta la Forza: Un ingranaggio più piccolo con meno denti riduce la velocità ma aumenta la forza, richiede più coppia per ruotare.
• Cambia direzione: Quando due ingranaggi ingranano, ruotano in direzioni opposte. Gli ingranaggi specializzati vengono utilizzati per modificare la direzione o gli angoli di rotazione in modo efficiente.

5. Qual è il design degli ingranaggi?

Le applicazioni industriali utilizzano una varietà di ingranaggi, ciascuno progettato per scopi specifici. Le caratteristiche principali che variano tra questi ingranaggi includono:

• Forma dell'ingranaggio
• Progettazione e configurazione dei denti
• Configurazione degli assi degli ingranaggi

Forma dell'ingranaggio

Gli ingranaggi possono essere cilindrici (sperone, elicoidale) o conico (smussare) in base alla loro applicazione. La forma influenza il modo in cui gli ingranaggi si ingranano bene, la quantità di forza che possono sopportare, e quanto rumore generano.

Ingranaggi cilindrici, ad esempio, sono rumorosi alle alte velocità, mentre gli ingranaggi elicoidali offrono prestazioni più silenziose e fluide grazie ai denti angolati.

Progettazione e configurazione dei denti

Gli ingranaggi possono avere diversi profili dei denti, ciascuno adatto per compiti specifici. Denti dritti (ingranaggi cilindrici) funziona bene per semplice, applicazioni a bassa velocità, mentre denti elicoidali o a spirale (elicoidale, ingranaggi conici) garantire un innesto più fluido e una maggiore efficienza a velocità più elevate.

Configurazione degli assi degli ingranaggi

• Parallelo: In configurazioni parallele, gli alberi sono allineati sullo stesso piano, e gli ingranaggi conduttori e condotti ruotano in direzioni opposte. Questa configurazione offre in genere un'elevata efficienza nel trasferimento del movimento. Gli esempi includono ingranaggi elicoidali e sistemi a pignone e cremagliera.
• Intersezione: Per configurazioni che si intersecano, gli alberi si incrociano in un punto all'interno dello stesso piano, fornendo un'elevata efficienza di trasmissione simile alle configurazioni parallele. Gli ingranaggi conici sono un ottimo esempio di questo tipo.
• Non paralleli e non intersecanti: Nelle configurazioni in cui gli alberi non sono né paralleli né intersecanti, nel senso che non sono né allineati né sullo stesso piano, l'efficienza di trasmissione tende ad essere inferiore. Gli ingranaggi a vite senza fine esemplificano questa categoria.

6. Quali materiali sono utilizzati negli ingranaggi?

Il materiale utilizzato per fabbricare gli ingranaggi influisce in modo significativo sulle loro prestazioni, durabilità, e idoneità per applicazioni specifiche. Materiali diversi offrono diversi gradi di resistenza, resistenza all'usura, e resistenza alla corrosione.

Di seguito sono riportati alcuni dei materiali più comunemente utilizzati nella produzione di ingranaggi:

Acciaio laminato

L'acciaio laminato è comunemente utilizzato per gli ingranaggi grazie alla sua elevata resistenza e tenacità. Viene prodotto mediante laminazione dell'acciaio a caldo o a freddo attraverso una serie di rulli, affinandone la struttura e migliorandone le proprietà meccaniche.

Gli ingranaggi realizzati in acciaio laminato sono spesso utilizzati in applicazioni pesanti, come trasmissioni automobilistiche e macchinari industriali, dove la durabilità e la resistenza agli urti sono cruciali.

Acciaio laminato a freddo

L'acciaio laminato a freddo subisce un processo in cui l'acciaio viene raffreddato dopo la laminazione, che ne migliora la resistenza e la finitura superficiale. Questo processo fornisce una migliore precisione dimensionale e una finitura più liscia rispetto all'acciaio laminato a caldo.

Gli ingranaggi in acciaio laminato a freddo vengono spesso utilizzati in apparecchiature di precisione che richiedono tolleranze ristrette, come orologi e strumenti pregiati, nonché applicazioni automobilistiche e industriali.

Leghe di acciaio per utensili

Le leghe di acciaio per utensili sono note per la loro durezza, resistenza all'usura, e capacità di resistere alle alte temperature. Sono ideali per realizzare ingranaggi soggetti a carichi e impatti estremi.

Queste leghe contengono tipicamente alti livelli di carbonio, cromo, e altri elementi come il vanadio o il tungsteno, che ne aumentano la resistenza e la durata. Gli ingranaggi in acciaio per utensili sono utilizzati in applicazioni come utensili da taglio e macchinari industriali.

Leghe di ferro

Leghe di ferro, compresa la ghisa e la ghisa sferoidale, sono ampiamente utilizzati nella produzione di ingranaggi. Gli ingranaggi in ghisa offrono una buona resistenza all'usura, smorzamento delle vibrazioni, e lavorabilità, rendendoli adatti a grandi dimensioni, ingranaggi a bassa velocità utilizzati in applicazioni come sistemi di trasporto e macchinari pesanti.

La ghisa sferoidale offre una tenacità migliore rispetto alla ghisa, fornendo un equilibrio tra forza e resistenza agli urti.

Acciaio inossidabile

L'acciaio inossidabile è preferito per gli ingranaggi che richiedono elevata resistenza alla corrosione e durata. Contiene cromo, che forma uno strato protettivo di ossido sulla superficie, prevenendo ruggine e corrosione.

Gli ingranaggi in acciaio inossidabile sono spesso utilizzati nelle apparecchiature per la lavorazione degli alimenti, applicazioni marine, e ambienti in cui sono presenti umidità o sostanze chimiche.

Leghe di rame

Leghe di rame, come ottone e bronzo, sono utilizzati negli ingranaggi a basso attrito, resistenza alla corrosione, e la facilità di lavorazione sono essenziali.

Questi ingranaggi si trovano generalmente in applicazioni che richiedono un funzionamento più silenzioso e una minore usura, come gli ingranaggi a vite senza fine, cuscinetti, e boccole.

Le leghe di rame sono apprezzate anche per la loro conduttività elettrica, rendendoli adatti per alcuni dispositivi elettrici specializzati.

Leghe di alluminio

Leghe di alluminio sono leggeri e resistenti alla corrosione, rendendoli adatti per ingranaggi utilizzati a basso carico, applicazioni ad alta velocità.

Gli ingranaggi in alluminio si trovano comunemente nel settore aerospaziale, robotica, e industrie automobilistiche, dove la riduzione del peso è una priorità.

Anche se non forte come l'acciaio, le leghe di alluminio possono essere trattate o rivestite per migliorarne la robustezza e la resistenza all'usura.

Ingranaggi in plastica

Gli ingranaggi in plastica sono leggeri, resistente alla corrosione, e offrire liscio, funzionamento silenzioso.

Comunemente realizzato con materiali come il nylon, acetale, o policarbonato, gli ingranaggi in plastica sono spesso utilizzati in applicazioni che richiedono bassa rumorosità e basso attrito, come le stampanti, elettrodomestici, e piccole macchine.

Anche se non possono sopportare lo stesso carico degli ingranaggi in metallo, gli ingranaggi in plastica sono ideali per basse potenze, soluzioni economicamente vantaggiose.

7. Tipi di ingranaggi

Gli ingranaggi sono classificati in base alla forma dei denti, configurazione dell'albero, e scopo specifico. Comprendere i vari tipi di ingranaggi è essenziale per selezionare l'ingranaggio appropriato per garantire un'efficace trasmissione della forza nei progetti meccanici.

Basato sulla forma del dente

1. Ingranaggi cilindrici

• • Ingranaggi cilindrici esterni: Il tipo più comune di attrezzatura, con denti dritti paralleli all’asse dell’ingranaggio. Questi ingranaggi vengono utilizzati per trasmettere potenza tra alberi paralleli e sono noti per la loro efficienza e semplicità.
  • Ingranaggi cilindrici interni: Simile agli ingranaggi cilindrici esterni, i denti vengono tagliati sulla superficie interna di una corona dentata. Sono utilizzati in applicazioni in cui è necessario risparmiare spazio, come i sistemi di ingranaggi planetari.

2. Ingranaggi elicoidali

• • Singolo elicoidale: Questi ingranaggi hanno denti angolati, che forniscono un funzionamento più fluido e silenzioso rispetto agli ingranaggi cilindrici. L'angolo dei denti consente un innesto graduale, riducendo il rumore e lo stress durante il funzionamento.
  • Doppia elicoidale: Conosciuti anche come ingranaggi a spina di pesce, questi hanno due serie di denti elicoidali opposti. Il design annulla la spinta assiale, rendendoli adatti a macchinari pesanti con carichi elevati.
  • Ingranaggi a vite: Simile agli ingranaggi elicoidali, vengono utilizzati in applicazioni in cui sono necessari alberi non paralleli. Sono progettati per trasmettere la coppia tra due alberi non intersecanti.

3. Ingranaggi conici

• • Ingranaggi dritti: Gli ingranaggi conici con denti dritti vengono utilizzati per trasmettere il movimento tra alberi che si intersecano, tipicamente con un angolo di 90 gradi. Sono efficienti ma possono essere rumorosi sotto carico.
  • Ingranaggi a spirale: Questi hanno denti ricurvi, che offrono un funzionamento più fluido e una maggiore capacità di carico rispetto agli ingranaggi conici diritti. Sono ideali per applicazioni ad alta velocità.
  • Ingranaggi mitrali: Un tipo di ingranaggio conico in cui è il rapporto di trasmissione 1:1, comunemente utilizzato in applicazioni che richiedono la stessa velocità ma un cambio di direzione.
  • Ingranaggi ipoidi: Questi ingranaggi hanno assi sfalsati, consentendo una trasmissione della coppia più elevata e un funzionamento più silenzioso. Si trovano comunemente nei differenziali automobilistici.
  • Ingranaggi Zerol: Un ibrido tra ingranaggi conici diritti e a spirale, offrendo un compromesso tra funzionamento regolare e facilità di produzione.
  • Ingranaggi conici a corona: Un ingranaggio conico in cui i denti sono perpendicolari alla faccia dell'ingranaggio, offrendo configurazioni angolari uniche.

4. Ingranaggi a spina di pesce
   Gli ingranaggi a spina di pesce hanno una dentatura a “V” e sono noti per la loro capacità di gestire carichi pesanti senza produrre una spinta assiale significativa. Questi ingranaggi sono spesso utilizzati nelle grandi macchine industriali e nelle navi.

1. 4. Ingranaggi a cremagliera e pignone
      Un sistema di ingranaggi lineare in cui il pignone (ingranaggio circolare) ingrana con un ingranaggio lineare (cremagliera) convertire il moto rotatorio in moto lineare, è ampiamente utilizzato nei sistemi di sterzo e nelle ferrovie.

4. Ingranaggi a vite senza fine
   Gli ingranaggi a vite senza fine sono costituiti da una vite senza fine (ingranaggio a vite) e una ruota elicoidale. Forniscono un'elevata riduzione della coppia in spazi compatti e vengono utilizzati nei sistemi di trasporto e negli ascensori.

   

Tipi speciali di ingranaggi

1. Ingranaggi interni
   Gli ingranaggi interni hanno i denti tagliati all'interno di un anello circolare. Sono spesso abbinati a ingranaggi cilindrici esterni nei sistemi di ingranaggi planetari per ottenere coppia elevata ed efficienza di spazio.
2. Ingranaggi differenziali
   Utilizzato principalmente nei sistemi automobilistici, i differenziali consentono alle ruote di ruotare a velocità diverse mantenendo la distribuzione della coppia, essenziale per curve fluide.
3. Ingranaggi planetari
   Gli ingranaggi planetari sono costituiti da un ingranaggio solare centrale, ingranaggi planetari, e un anello esterno (ingranaggio interno). Questo design offre un'elevata densità di coppia ed è ampiamente utilizzato nelle trasmissioni automatiche e nelle apparecchiature industriali.

   

4. Pignoni
   I pignoni vengono utilizzati nelle trasmissioni a catena, con denti progettati per impegnarsi con una catena o una cinghia. Si trovano comunemente nelle biciclette, motociclette, e sistemi di trasporto.
5. Ingranaggi scanalati
   Questi ingranaggi presentano scanalature o denti lungo la loro lunghezza e vengono utilizzati negli accoppiamenti meccanici, consentendo la trasmissione della coppia pur consentendo un certo movimento lungo l'asse.
6. Ingranaggi in nylon
   Gli ingranaggi in nylon sono leggeri e resistenti alla corrosione, offrendo liscio, funzionamento silenzioso. Sono comunemente usati in piccoli, applicazioni a basso consumo come stampanti ed elettrodomestici.

   

7. Ingranaggi posteriori
   Trovato nei differenziali automobilistici, gli ingranaggi posteriori gestiscono la trasmissione di una coppia elevata e sono essenziali per garantire la corretta velocità delle ruote durante le curve del veicolo.
8. Piccoli ingranaggi
   Gli ingranaggi di piccole dimensioni vengono utilizzati in applicazioni in cui sono richieste dimensioni compatte e controllo preciso del movimento, come negli orologi, strumenti, e piccoli macchinari.

8. Considerazioni sulla progettazione degli ingranaggi

Diversi fattori influenzano la progettazione degli ingranaggi, garantire che la marcia selezionata soddisfi le prestazioni, costo, e requisiti di durabilità:

• Bilancio: Materiali ad alte prestazioni, come l'acciaio inossidabile e l'acciaio per utensili, sono più costosi dei metalli di base come la ghisa.
• Limitazioni di spazio: Le applicazioni compatte utilizzano spesso riduttori epicicloidali, che offrono una trasmissione di coppia elevata con un ingombro ridotto.
• Esigenze di trasmissione: Le applicazioni ad alta velocità possono favorire ingranaggi elicoidali o conici per prestazioni fluide, mentre a bassa velocità, le attività a coppia elevata spesso utilizzano ingranaggi a vite senza fine o cilindrici.
• Condizioni di servizio: Ambienti difficili, come quelli che coinvolgono umidità o sostanze chimiche, potrebbero richiedere materiali resistenti alla corrosione come acciaio inossidabile o nylon.

9. Applicazioni degli ingranaggi

Gli ingranaggi sono utilizzati in numerosi settori per controllare la velocità, coppia, e la direzione del movimento. Le applicazioni chiave includono:

• Sistemi di sterzo automobilistici: Gli ingranaggi a cremagliera e pignone convertono il movimento rotatorio in movimento lineare, consentendo un controllo preciso sullo sterzo.
• Riduttori: Trovato nelle automobili, macchinari industriali, e turbine eoliche, i riduttori regolano la velocità e la coppia.
• Aerospaziale: Gli ingranaggi sono utilizzati nei sistemi di controllo del volo e nei motori per operazioni fluide, trasmissione efficiente della potenza.
• Macchine agricole: I trattori e le mietitrebbie utilizzano ingranaggi per gestire la potenza del motore e azionare gli attrezzi.

Una tabella per ogni tipo di applicazione di ingranaggi

Tipi di attrezzi	Nomi degli ingranaggi	Prodotti Tipici
Sperone	Ingranaggio cilindrico	Orologi Treni Aereo Macchine per lavanderia Centrali elettriche
Elicoidale	Ingranaggio elicoidale singolo Doppio ingranaggio elicoidale Ingranaggio a spina di pesce Ingranaggio a vite	Automobilistico Orologi Sistemi di irrigazione Strumenti domestici
Smusso	Ingranaggio conico dritto Ingranaggio conico a spirale Ingranaggio mitra Ingranaggio conico elicoidale Ingranaggio ipoide Marcia zero Corona dentata	Pompe Treni Aereo Centrali elettriche
Verme	Ingranaggio a vite senza fine	Ascensori Automobilistico
Ingranaggio a cremagliera	Cremagliera e pignone	Bilancia di pesatura Treni