Trasmissione: i concetti base

Gli ingranaggi costituiscono dei sistemi di due ruote dentate che ingranano fra di loro con la funzione di trasmettere il moto rotatorio di un organo meccanico (albero motore o conduttore) ad un altro (albero condotto) con un dato rapporto di velocità. Gli ingranaggi realizzano trasmissioni sicure e precise nei casi in cui siano richieste variazioni di velocità o moltiplicazioni di coppia, con rendimenti in genere alti. Essi svolgono anche agevolmente la funzione di cambi di velocità, quando vengano interposti tra una macchina motrice ed una operatrice.

Mentre il principio fondamentale di trasmissione mediante denti che ingranano tra di loro è lo stesso per tutti i tipi di ingranaggi, viene costruita una grande varietà di forme diverse di ingranaggi, ognuna delle quali ha specifiche caratteristiche.

Ingranaggi cilindrici a denti diritti

Gli ingranaggi a denti diritti hanno i denti tagliati parallelamente all’asse dell’albero e sono normalmente in grado di trasmettere potenza tra alberi paralleli senza spinta o movimento assiali.
Essi possono essere realizzati come ruote dentate esternamente od  internamente; quelle del primo tipo sono più comuni. In un gruppo con ruote dentate internamente il senso di rotazione dei due alberi è lo stesso. Con ruote dentate esternamente i sensi di rotazione degli alberi sono opposti.
I vantaggi principali degli ingranaggi a denti diritti sono la semplicità ed economia di costruzione e l’assenza di spinta assiale durante il funzionamento. Gli ingranaggi cilindrici possono normalmente fornire rapporti ai riduttori da 1 : 1 a 1 :10 per ogni singolo stadio (coppia di ingranaggi), con rendimenti fino al 99%.

Ingranaggi cilindrici a denti elicoidali

Gli ingranaggi elicoidali hanno denti tagliati elicoidalmente « in verso opposto » sulla oppia di ingranaggi; il vantaggio di questo tipo di ruote risulta dal fatto’ che v’è sempre una porzione di ciascun dente a contatto sulla circonferenza primitiva, grazie alla sovrapposizione dei denti. Gli ingranaggi elicoidali hanno pertanto una portata maggiore degli ingranaggi a denti diritti di uguali dimensioni e, come questi ultimi, funzionano con alberi paralleli.
Altri vantaggi, rispetto agli ingranaggi cilindrici, sono una trasmissione a velocità costante, con funzionamento più silenzioso.
Tuttavia, a differenza degli ingranaggi a denti diritti, si produce una spinta assiale, il cui valore è funzione dell’angolo dell’elica (crescente al crescere dell’angolo di elica).

Ingranaggi cilindrici a denti bielicoidali

Gli ingranaggi bielicoidali hanno denti elicoidali ad elica inversa su ciascuna delle ruote dentate. Vantaggio immediato è l’eliminazione della spinta assiale; questa soluzione costruttiva permette però anche di tagliare i denti con un angolo di elica maggiore, fornendo un maggior angolo di sovrapposizione dei denti e permettendo così di avere un’azione più forte e più graduale.

Ingranaggi cilindrici

In una ruota dentata, qualunque sia il profilo dei denti,
la superficie attiva di questi ultimi viene delimitata da
due circonferenze dette di troncatura esterna e di
troncatura interna; il tratto di superficie attiva del
dente compreso fra la troncatura esterna e la
circonferenza primitiva prende il nome di fianco  addendum del dente, mentre il tratto compreso fra la  primitiva e la troncatura interna è il fianco dedendum del dente stesso. Si definisce inoltre passo della ruota dentata la distanza  esistente tra due punti omologhi di due denti successivi misurata sulla circonferenza primitiva.

Ingranaggi conici

Gli ingranaggi conici hanno i denti ricavati su una superfìcie conica, in modo che le ruote da accoppiare possano essere montate su  alberi tra loro angolati con assi che si intersecano.
L’angolo tra gli alberi è di solito di 90°, ma si possono realizzare altri angoli variando opportunamente l’angolo del cono dell’ingranaggio.
Gli ingranaggi conici vengono classificati, fondamentalmente, come conici a denti diritti o conici a denti a spirale, a seconda della forma del dente.
I conici a denti diritti sono di realizzazione più semplice ed economica.
Gli ingranaggi conici con denti a spirale danno luogo ad un’azione di ingranamento dei denti più graduale, con carico distribuito permanentemente su due o più denti.

Ingranaggi ipoidi

Gli ingranaggi ipoidi sono una variante degli ingranaggi conici con denti a spirale, adatta a collegare alberi non intersecantisi, cioè quando l’asse del pignone non incrocia l’asse della ruota dentata.
In effetti, il funzionamento è una combinazione di rotolamento e scorrimento; l’ampiezza dello : scorrimento è determinata dall’entità del disassamento.
Gli ingranaggi ipoidi  sono in genere più resistenti e più graduali degli ingranaggi conici a spirale; il pignone ipoide è di solito più  grande per lo stesso rapporto di trasmissione, consentendo così di trasmettere una aliquota maggiore di potenza. Una possibile  limitazione è tuttavia determinata dal fatto che elevati scorrimenti durante il movimento possono richiedere l’uso di un lubrificante per altissima pressione.

Ingranaggi sghembi elicoidali

L’ingranaggio sghembo elicoidale è costituito da due ruote ruote cilindriche elicoidali, con opportuni angoli d’elica base, montati su assi sghembi. Da tale disposizione geometrica segue che vi sarà una sensibile azione di scorrimento presente sulla limitata superficie di contatto dei denti, il che riduce la capacità di carico rispetto all’ingranaggio elicoidale convenzionale. Anche il rendimento si riduce e  può variare da circa il 90% fino al 25%.
Nonostante questi evidenti svantaggi, l’ingranaggio elicoidale incrociato è un sistema semplice e conveniente per trasmettere potenza tra assi sghembi, con ampia possibilità di correzione nella disposizione assiale. Inoltre, anche con ingranaggi esterni, il senso di  rotazione per l’ingranaggio condotto può essere opposto oppure lo stesso, a seconda dell’angolo scelto per l’elica.
L’impiego di questo tipo di ingranaggi è raro, il contatto puntiforme infatti limita l’impiego i casi in cui le forze in gioco sono modeste.

Ingranaggi a vite senza fine

Si utilizzano quando si vogliono ottenere forti rapporti di riduzione come nei riduttori vite senza fine: per ogni giro della vite (motrice) la ruota si sposta dell’angolo  corrispondente a un dente (nel caso di vite ad un principio).
La ruota dell’ingranaggio a vite è ottenuta per inviluppo nel moto relativo della stessa con una data vite.
Il contatto è lineare, il rendimento è modesto.
L’ingranaggio a vite si presta a trasmette re potenze notevoli in relazione al suo  ingombro modesto.
I materiali di cui è costituita la coppia devono essere di qualità e le tolleranze di fabbricazione strette; deve inoltre essere montato con precisione in modo da avere elevata rigidezza e corretto posizionamento relativo tra vite e ruota a vite.
Il rapporto di riduzione i è dato da Z2/np dove Z2 è il numero dei denti della corona e np il numero dei principi (filetti) della vite.

Coppia vite-ruota elicoidale semplice.

Il contatto tra i denti in presa è concentrato in un punto,
per cui è necessario un dimensionamento più
abbondante (in funzione del carico da trasmettere) per evitare usure troppo sensibili.

Coppia vite-ruota elicoidale a gola.

E’ la più usata nelle applicazioni meccaniche.

I denti della ruota vengono ad avviluppare la vite; si
ottiene perciò, fra dente e filetto, un contatto lineare
anziché per punti.

Coppia vite-ruota elicoidale di tipo globoidale.

Sia la vite che la ruota si avviluppano reciprocamente.
Si viene così a realizzare una zona di contatto fra dente
e filetto molto estesa, con conseguente diminuzione
della pressione specifica.