Un ingranaggio cilindrico è un ingranaggio cilindrico con denti dritti e evolventi paralleli all'asse dell'albero. Trasmette movimento e potenza tra due alberi paralleli, gestendo carichi sia radiali che tangenziali senza generare spinta assiale. Noti per la loro semplicità costruttiva, l'elevata efficienza e il basso costo di produzione, gli ingranaggi cilindrici sono tra i più utilizzati. tipi di ingranaggi nei sistemi meccanici.
Contenuti
Come funzionano gli ingranaggi cilindrici?
Gli ingranaggi cilindrici funzionano ingranando i denti dell'ingranaggio conduttore con quelli dell'ingranaggio condotto. Ecco i passaggi che mostrano il funzionamento di un ingranaggio cilindrico:
Contatto dei denti
Quando due ingranaggi cilindrici vengono affiancati, i loro denti entrano in contatto lungo la superficie dell'ingranaggio. Qui, i denti dell'ingranaggio conduttore premono contro i denti dell'ingranaggio condotto.
Trasferimento di forza e rotazione
Quando la forza viene applicata dall'ingranaggio conduttore, trasferisce la coppia all'ingranaggio condotto, che è tangente al cerchio di base dell'ingranaggio. Ciò determina la rotazione di entrambi gli ingranaggi in direzioni opposte, mantenendo costante la loro velocità angolare.
Regolazione della coppia e della velocità
La coppia e la velocità degli ingranaggi cilindrici rotanti dipendono dal rapporto tra il numero di denti degli ingranaggi condotti e quelli conduttori.
- Un ingranaggio condotto più grande determina una rotazione più lenta ma una coppia più elevata.
- Un ingranaggio condotto più piccolo determina una rotazione più rapida ma una coppia inferiore.
Tipi di ingranaggi cilindrici
Ingranaggio cilindrico esterno
In una ruota dentata cilindrica esterna, i denti sono presenti sul diametro esterno dell'ingranaggio. I denti di due ingranaggi esterni si ingranano e ruotano in direzioni opposte. In questo caso, l'ingranaggio più grande è chiamato ruota, mentre quello più piccolo è chiamato pignone.
Ingranaggio cilindrico interno
Un ingranaggio cilindrico interno è uno dei tipi di ingranaggi in cui i denti sono intagliati nel diametro interno dell'ingranaggio. Questi ingranaggi di solito funzionano in combinazione con ingranaggi esterni, come nei sistemi di ingranaggi epicicloidali. L'ingranaggio più grande in questo caso è chiamato ruota anulare, mentre quello più piccolo è chiamato pignone.
Nel sistema a ingranaggi interni, sia l'ingranaggio conduttore che quello condotto ruotano nella stessa direzione. Quando un ingranaggio interno si innesta con un ingranaggio esterno, presentano un'elevata superficie di contatto, con conseguente riduzione delle sollecitazioni e aumento del trasferimento di coppia. L'ingranamento dei denti dell'ingranaggio interno è più stabile, con conseguente minore slittamento e rendendolo adatto a cuscinetti ad alto carico.
Materiali per ingranaggi cilindrici
Plastica
Gli ingranaggi cilindrici possono essere realizzati utilizzando materiali plastici come acetale e nylon. Questi ingranaggi sono leggeri, silenziosi e resistenti alla corrosione. Gli ingranaggi realizzati con questi materiali sono adatti per applicazioni a bassa velocità e basso carico.
Acciaio inossidabile
L'acciaio inossidabile viene utilizzato per la produzione di ingranaggi destinati ad ambienti a basso carico, dove la resistenza alla corrosione è una priorità. Tuttavia, non è una scelta comune perché non è particolarmente duro ed è più soggetto a usura rispetto ad altri materiali.
Ghisa
La ghisa è uno dei materiali più comunemente utilizzati per la produzione di ingranaggi cilindrici. La ghisa è relativamente facile da lavorare ed economica, sebbene sia più fragile rispetto all'acciaio.
Lega di alluminio
La lega di alluminio viene utilizzata per la produzione di ingranaggi in cui è richiesto un elevato rapporto resistenza/peso, come nel settore aerospaziale.
Materiali della metallurgia delle polveri
Uncommon materiali di metallurgia delle polveri per gli ingranaggi cilindrici si utilizzano polveri metalliche a base di ferro. I gradi tipici includono FC-0205 (Fe-Cu), FN-0205 (Fe-Ni) e FD-0205 (legato per diffusione Fe-Cu-Ni).
A cosa servono gli ingranaggi cilindrici?
Industria automobilistica
Gli ingranaggi cilindrici sono utilizzati nelle automobili per trasferire la potenza dal motore alle ruote. Si trovano comunemente in:
Sistema a cremagliera e pignone
Un'applicazione chiave degli ingranaggi cilindrici è nei sistemi a pignone e cremagliera per convertire il moto rotatorio in moto lineare. Il sistema a pignone e cremagliera è costituito da due parti principali: il pignone, che è un ingranaggio rotondo, e la cremagliera, che è un ingranaggio piatto e dritto con denti. Quando il pignone ruota, i suoi denti si innestano con i denti della cremagliera, facendola muovere in linea retta. Questi ingranaggi cilindrici sono comunemente utilizzati nei sistemi sterzanti delle automobili.
- Nelle trasmissioni manuali e automatiche, vengono utilizzati per modificare la velocità e la coppia.
- Nei differenziali, consentono alle ruote di ruotare a velocità diverse durante la sterzata.
- Sistemi di servosterzo
Aerospaziale e Aviazione
In ambito aerospaziale, gli ingranaggi cilindrici vengono utilizzati nei motori per controllare il movimento di vari componenti. Non solo, vengono utilizzati anche nel carrello di atterraggio degli aerei.
Produzione di energia
Gli ingranaggi cilindrici svolgono un ruolo fondamentale nella produzione di elettricità, contribuendo a trasferire l'energia meccanica al generatore, come avviene nelle turbine eoliche o nelle turbine a vapore.
Macchinario industriale
Gli ingranaggi cilindrici trovano applicazione anche in molte apparecchiature industriali pesanti, come riduttori, sistemi di compressione e mulini.
Come vengono realizzati gli ingranaggi cilindrici?
Ecco alcuni comuni processo di fabbricazione degli ingranaggi per ingranaggi cilindrici:
Fresatura
In questo processo, gli ingranaggi cilindrici vengono prodotti tagliando i denti direttamente da un ingranaggio grezzo utilizzando una fresa e una fresa sagomata che ne riproduce il profilo. A tale scopo, l'ingranaggio grezzo viene fissato su una testa di indicizzazione. Questa testa lo ruota di un passo alla volta, mentre la fresa sagoma ogni dente. Questo metodo è eccellente per piccoli lotti, prototipi e ingranaggi personalizzati.
dentatura
La dentatura a creatore viene utilizzata per la produzione di ingranaggi cilindrici precisi ed efficienti in varie dimensioni e applicazioni. Ecco come vengono prodotti gli ingranaggi cilindrici:
- Una macchina dentatrice a creatore è composta da due mandrini angolati: uno per l'utensile da taglio rotante (la fresa a creatore) e un altro per l'ingranaggio grezzo.
- Per prima cosa, l'angolo tra i due mandrini viene regolato in base al tipo di ingranaggio prodotto, ad esempio nel caso di ingranaggi cilindrici.
- Ora la fresa e l'ingranaggio grezzo vengono ruotati a un rapporto di velocità sincronizzato, adatto alla geometria dei denti dell'ingranaggio desiderata.
- Man mano che la fresa gira e avanza nel pezzo grezzo, progressivamente incide i denti degli ingranaggi con la forma e la profondità corrette.
Metallurgia delle polveri (PM)
È possibile produrre in modo efficiente ingranaggi cilindrici utilizzando processo di metallurgia delle polveriPer prima cosa, si pressa la polvere metallica in uno stampo utilizzando punzoni superiori e inferiori per dare forma all'ingranaggio. Il pezzo compattato, chiamato "compatto verde", viene quindi sinterizzato ad alta temperatura per ottenere la resistenza e le proprietà del materiale richieste.
Rispetto alla lavorazione meccanica, ingranaggi per metallurgia delle polveri raggiungere un tasso di utilizzo del materiale molto più elevato, pari a circa il 95%, mentre la lavorazione tradizionale in genere produce solo circa il 70%.
Il processo PM è un metodo ideale per produrre ingranaggi cilindrici con tolleranze strette, qualità costante e scarti di produzione ridotti, soprattutto per produzioni su larga scala.
Forgiatura
La forgiatura è un metodo di produzione utilizzato per creare ingranaggi, in cui il componente viene sottoposto a calore e pressione elevati per ottenere la forma desiderata. Questo metodo viene utilizzato sia per ingranaggi grezzi che per ingranaggi dentati. Gli ingranaggi realizzati con questo metodo offrono elevata resistenza meccanica e resistenza alla fatica. Tuttavia, potrebbero richiedere lavorazioni meccaniche aggiuntive per una finitura precisa. Questo metodo è adatto per la produzione di ingranaggi cilindrici per applicazioni gravose.
Formatura a freddo
Lo stampaggio a freddo è uno dei processi di produzione di ingranaggi più convenienti grazie alle sue elevate velocità di produzione. È un metodo versatile utilizzato per la produzione in serie di elementi per ingranaggi cilindrici.
In questo processo, una barra di metallo (detta "grezzo") viene tirata (trafilata) o spinta (estrusione) attraverso una serie di stampi. Lo stampo finale ha esattamente la forma dei denti dell'ingranaggio richiesta.
Mentre la barra passa attraverso gli stampi, viene compressa e rimodellata ad alta pressione.
Vantaggi degli ingranaggi cilindrici
- Gli ingranaggi cilindrici hanno una struttura semplice che li rende facili da produrre e manutenere.
- Sono convenienti perché hanno un design semplice e sono facili da lavorare rispetto agli ingranaggi elicoidali.
- Gli ingranaggi cilindrici presentano un'elevata efficienza (in genere tra il 95 e il 99%) con una perdita di potenza minima.
- Questi ingranaggi hanno un movimento fluido grazie a un rapporto di velocità costante.
- Questi ingranaggi sono affidabili e durevoli se utilizzati nelle condizioni appropriate.
- Gli ingranaggi cilindrici sono in grado di sopportare carichi elevati, soprattutto a velocità moderate, grazie al contatto diretto dei denti e alla loro struttura robusta.