I nostri Prodotti

Trasmissioni con ingranaggi HSG

La codifica di una nuova teoria per la progettazione di ingranaggi speciali che tenga conto non solo delle problematiche progettuali ma anche tecnologiche si rende necessaria per conseguire l’obiettivo di progetto, relativo alla progettazione, realizzazione e sperimentazione di una GearBox innovativa caratterizzata da dentature ad evolvente a medio ed alto scorrimento. In uno dei lavori bibliografici prodotto dai soci fondatori della Startup è stata esposta la teoria generale alla base della progettazione di ingranaggi cilindrici con dentature ad evolvente a medio e ad alto scorrimento, indicati con la sigla HSG (High Sliding Gears), dal titolo: “Fondamenti teorici per la progettazione di ingranaggi cilindrici con dentature ad evolvente a medio ed alto scorrimento” pubblicato da Liguori editore (2022).

Grazie all’esperienza e alle competenze dei gruppi di lavoro interni, che si formano di volta in volta in base alle specifiche necessità tecniche, GearUp è in grado di proporre le soluzioni più adatte per raggiungere gli innovativi obiettivi tecnici aziendali entro i tempi previsti. Inoltre, la società offre al cliente la possibilità di stabilire collaborazioni tecniche con università ed enti pubblici di ricerca, finalizzate a integrare competenze per fasi di studio e sperimentazione non presenti in GearUp.

Cosa si intende per un ingranaggio ad alto scorrimento (HSG)?

La teoria alla base degli ingranaggi high sliding gear (HSG) permette una formulazione matematica generale di qualsiasi ingranaggio e in particolare di quelli da utilizzare in coppia per la trasmissione del moto tra alberi paralleli. La teoria HSG, pur comprendendo metodi tradizionali di progettazione, consente di personalizzare la trasmissione del moto tra due ruote dentate cilindriche, permettendo di realizzare elevati rapporti di trasmissione con interassi contenuti. Inoltre, a parità di potenza trasmessa è possibile ridurre il numero di denti totali a vantaggio della compattezza complessiva riuscendo a ridurre sia il peso che l’ingombro totale. Pertanto, la teoria alla base degli ingranaggi HSG consente di ottenere un nuovo concept di ingranaggi ad alberi paralleli con elevati rapporti di trasmissione che siano contemporaneamente leggeri, resistenti, silenziosi, efficienti e sicuri.

Assieme

Perché scegliere un ingranaggio HSG?

Tra le principali caratteristiche meccaniche degli ingranaggi HSG vi è senza dubbio la robustezza, in quanto il disegno di un dente (ottenuto con la teoria proposta) si avvicina a quello di una mensola incastrata alla base con un profilo tale da far prevedere una uniforme resistenza Figura 1(c). Il dente di una ruota convenzionale per avvicinarsi alle caratteristiche di uniforme resistenza necessiterebbe di dimensioni maggiori, ma tale necessità è compromessa dal numero minimo dei denti che non può scendere di molto senza andare incontro ad un intaglio alla base del dente Figura 1(a). Infatti, nel proporzionamento modulare (esempio ISO 53) viene proposto un metodo di calcolo del numero minimo di denti tali da evitare l’“under-cut” (intaglio alla base), spesso causa di innesco rotture Figura 1(b). Inoltre, il disegno del profilo di un dente HSG permette, oltre che di avvicinarsi alla uniforme resistenza rispetto alle sollecitazioni flessionali, e di evitare la concentrazione degli sforzi prodotti dall’intaglio alla base (che la teoria ordinaria “modulare” produrrebbe), di aumentare sensibilmente la resistenza contro il fenomeno del “pitting” (danneggiamento ed usura superficiale), in quanto l’incremento del raggio di curvatura relativa tra i profili in contatto comporta una notevole riduzione della sollecitazione Hertziana.

Grazie all’esperienza e alle competenze dei gruppi di lavoro interni, che si formano di volta in volta in base alle specifiche necessità tecniche, GearUp è in grado di proporre le soluzioni più adatte per raggiungere gli innovativi obiettivi tecnici aziendali entro i tempi previsti. Inoltre, la società offre al cliente la possibilità di stabilire collaborazioni tecniche con università ed enti pubblici di ricerca, finalizzate a integrare competenze per fasi di studio e sperimentazione non presenti in GearUp.

dente Intaglio alla base

(a)

dente senza intaglio alla base

(b)

(c)

Figura 1: schematizzazione del profilo di un dente (a parità di modulo) nelle seguenti configurazioni (a) con intaglio alla base, (b) senza intaglio alla base, (c) teoria HSG.

Come avviene la lubrificazione degli ingranaggi HSG?

Una caratteristica altrettanto importante degli ingranaggi HSG che li differenziano da tutti gli ingranaggi tradizionali riguarda la trasmissione del moto. Infatti, le superfici coniugate hanno una velocità relativa (o di scorrimento) unidirezionale. Ciò viene ottenuto evitando l’inversione del moto nel punto primitivo (Figura 2(a)) imponendo il segmento dei contatti tutto in arco di recesso. A seconda che il segmento dei contatti parta dal punto primitivo o se ne discosti in misura maggiore o minore si hanno dentature di tipo all-addendum o long-addendum Figura 2(b). La unidirezionalità del moto relativo tra i profili coniugati comporta sicuri benefici sul regime di lubrificazione che si può instaurare tra essi, che può diventare di tipo idrodinamico, regime che certamente è favorito dall’aumento della curvatura relativa man mano che ci si discosta dal punto primitivo.

(a)

(b)

Figura 2: Diagramma a farfalla delle velocità di scorrimento tra i profili a contatto, (a) dentatura convenzionale, (b) dentatura all-addendum HSG.

Quale è la rumorosità degli ingranaggi HSG?

Altra caratteristica che contraddistingue in maniera positiva gli ingranaggi HSG è la silenziosità. Infatti, il rumore di un ingranaggio è attribuibile prevalentemente alla fluttuazione del carico tra i denti, dipendenti da variazioni di carico (coppia), sbilanciamento delle masse rotanti, errori di costruzione. Si dimostra che l’acutezza del rumore è proporzionale al numero dei denti ed al quadrato della velocità periferica delle circonferenze di base.  Negli ingranaggi convenzionali le tecniche utilizzate per ridurre il rumore sono: impiego di dentature elicoidali, riduzione dello sbilanciamento delle masse rotanti, accurato controllo del passo e della finitura superficiale delle dentature. Negli HSG la silenziosità migliora con interventi non consentiti dalla teoria tradizionale, cioè:

  • Riduzioni delle dimensioni radiali delle coppie costituenti l’ingranaggio. Queste permettono di ridurre la velocità periferica delle circonferenze di base e l’inerzia delle masse rotanti;
  • Riduzione del numero e dell’altezza dei denti;
  • Impiego di dentature elicoidali o bi-elicoidali fortemente inclinate.

Quale è il massimo rapporto di trasmissione degli ingranaggi HSG?

Nei riduttori HSG è possibile apportare variazioni significative al rapporto di trasmissione senza modificare l’interasse. Nelle Figura 3 una stessa ruota condotta con 32 denti può accoppiarsi ad una ruota motrice da 1, 2 o 3 denti senza che per questo deve cambiare l’interasse e con rapporti di trasmissione rispettivamente 32, 16 e 10,66 circa. La versatilità di impiego degli ingranaggi HSG consente, pertanto, di modificare il rapporto di trasmissione semplicemente sostituendo un pignone senza apportare modifiche all’interasse; condizione impraticabile per gli ingranaggi modulari in quanto una variazione del rapporto di trasmissione di una coppia di ingranaggi tradizionale impone vincoli stringenti legati essenzialmente alla modularità e quindi una necessaria modifica dell’interasse.

Figura 3: Rendering CAD di un riduttore long-addendum costituito da una ruota centrale da  denti e tre pignoni   denti a parità di interasse.

Tra le principali peculiarità degli ingranaggi HSG è senz’altro legata alla possibilità di realizzare elevati rapporti di trasmissione con piccoli interassi. Tale caratteristica, se estesa a treni di ingranaggi, consente la realizzazione di gruppi molto compatti e leggeri con rendimenti complessivi elevati. Nella Figura 4 si riporta un confronto, di concept, tra un ruotismo navale costituito da tre salti di velocità (a sinistra) con un equivalente ruotismo HSG costituito da due salti di velocità (a destra) e stesso rapporto complessivo (100:1), il tutto a parità di potenza trasmessa e a parità di alberi di ingresso e uscita dai gruppi. È evidente la riduzione delle masse e degli ingombri complessivi.

Figura 4: Confronto tra un ruotismo navale costituito da tre salti di velocità (a sinistra) con un equivalente ruotismo HSG costituito da due salti di velocità (a destra) e stesso rapporto complessivo (100:1).

Gli ingranaggi HSG possono essere irreversibili?

La irreversibilità tra alberi paralleli non è contemplata nella teoria tradizionale e non è possibile ottenere un rendimento elevato per le coppie ad alberi ortogonali (vite-ruota compagna) caratterizzate da irreversibilità. Nella teoria HSG viene sfruttata la scomposizione vettoriale della forza trasmessa nella coppia coniugata e non il puro contatto di strisciamento (come avviene invece per il caso riduttore convenzionale Figura 5 (a)), per cui, quando la funzione di ciascuna ruota viene scambiata da motrice a mossa e viceversa, la componente attiva della forza trasmessa rende impossibile il movimento. La Figura 5 (b) mostra un esempio di coppia irreversibile bi-elicoidale ad alberi paralleli, con rapporto di trasmissione pari a 30, il cui rendimento nel moto diretto supera l’80% rispetto ad un tradizionale riduttore vite-ruota compagna ad alberi ortogonali, il cui rendimento non supererebbe il 50%, a parità di dimensioni e rapporti di trasmissione.  

(a)

Rappresentazione di un riduttore HSG del tipo Vite senza fine con ruota compagna ad assi paralleli irreversibile rendimento 80%.

(b)

Figura 5: (a) Rappresentazione di un riduttore convenzionale del tipo Vite senza fine con ruota compagna ad assi ortogonali irreversibile rendimento 50%; (b) Rappresentazione di un riduttore HSG del tipo Vite senza fine con ruota compagna ad assi paralleli irreversibile rendimento 80%.

Torna in alto