Ingranaggi… in plastica?

Nonostante la digitalizzazione e l’Industria 4.0 trovino sempre più spazio, i buoni vecchi ingranaggi giocano ancora un ruolo fondamentale nella trasmissione della potenza. Anche in questo settore, però, negli ultimi anni vi è stata una significativa innovazione con lo sviluppo di nuovi concept e geometrie; ad esempio, gli ingranaggi a bassa perdita e i materiali.

Sebbene gli acciai la facciano ancora da padrone, le soluzioni basate sull’impiego di polimeri stanno riscontrando sempre maggiore interesse. Se solo dieci anni fa gli ingranaggi in plastica si adottavano al massimo nel meccanismo di regolazione della sveglia, oggi è frequente trovarne anche in applicazioni industriali o nel settore automotive.

Lo sviluppo di nuovi polimeri ha infatti permesso di raggiungere livelli prestazionali di assoluto rilievo, che hanno portato a una parziale sostituzione dell’acciaio in numerosi comparti. Se in un’automobile molti degli ingranaggi dei servizi ausiliari sono da tempo in plastica, in alcuni veicoli leggeri li si trova ormai anche nel cambio.

Sicuramente la plastica offre molti vantaggi rispetto al metallo. Innanzitutto, il costo che, soprattutto per grandi lotti, è molto minore nel caso dei polimeri. Inoltre, la plastica garantisce un ottimo isolamento elettrico, aspetto fondamentale considerando come l’elettrificazione dei veicoli stia trovando sempre più spazio. E poi i polimeri garantiscono un comportamento vibro-acustico migliore e un migliore comfort per l’utilizzatore. Ultimo aspetto, ma non meno importante, la plastica non si corrode. Chiaramente a fronte di tutti questi vantaggi si hanno anche alcune problematiche legate alle minori prestazioni meccaniche e alla bassa conducibilità termica che limita lo smaltimento del calore.

Progettazione di ingranaggi in materiale plastico

Come detto, la plastica ha un grande potenziale per svariate applicazioni. Il vero limite al suo impiego è legato alle minori prestazioni meccaniche rispetto agli acciai che ne hanno sempre impedito la diffusione negli ambiti heavy duty. Se il semplice cambio di materiale è spesse volte una strada non percorribile, in combinazione con una riprogettazione degli ingranaggi può portare a soluzioni piuttosto interessanti.

I processi per la realizzazione degli ingranaggi sono molteplici e vanno dalla fresatura di forma allo stampaggio. Per lotti di dimensioni importanti il processo più comune è il taglio con creatore. Il vantaggio di questa tecnologia sta nella possibilità di utilizzare un solo utensile per generare ruote aventi differente numero di denti. Per contro, fissato un dato creatore, l’unico parametro su cui è possibile agire per modificare localmente la geometria dei denti è il cosiddetto spostamento di profilo. In pratica durante il taglio creatore e ruota vengono tenuti ad una distanza differente rispetto all’interasse nominale. Questo processo consente di ottenere denti più tozzi o più affusolati modificandone la resistenza. Tuttavia, i margini di manovra sono limitati e non sufficienti per compensare il calo prestazionale che si avrebbe nel passaggio dal metallo alla platica. Per questa ragione è opportuna una riprogettazione dell’ingranaggio (con conseguente necessità di modifica dell’utensile o passaggio ad altra tecnologia per la lavorazione). In tal senso, sebbene esistano standard normativi, per una maggiore flessibilità in termini di design, spesso la riprogettazione avviene per via diretta sulla base di modelli matematici, calcolo numerico e modellazione al calcolatore. In questo modo è possibile agire su tutti i parametri del dente, dall’angolo di pressione alla possibilità di avere fianchi asimmetrici.

Negli ingranaggi tradizionali, il numero medio di denti in presa (fattore di ricoprimento) risulta compreso tra 1 e 2 in modo da assicurare la continuità nella trasmissione del moto. La rigidezza dell’ingranamento varierà a seconda del numero di coppie di denti ingranati (oltre che in funzione della posizione del punto di contatto). Con una sola coppia di denti a contatto, tutto il carico viene trasmesso da quella unica coppia, nel caso di contatto doppio, il carico si ripartisce tra le due coppie in presa riducendo significativamente lo stato di sollecitazione al piede dente. Nel caso di ingranaggi in plastica, le cui prestazioni meccaniche sono inferiori, una riprogettazione potrebbe prevedere l’aumento del fattore di ricoprimento fino a valori superiori a 2. Questo significherebbe avere mediamente almeno 2 coppie di denti ingranate e una ripartizione del carico che consentirebbe pressoché un dimezzamento degli sforzi. Questa pratica non è comune negli ingranaggi metallici in quanto con più coppie in presa il sistema diventerebbe iperstatico e piccoli errori di lavorazione indurrebbero un sovraccarico del sistema. Considerando però che il modulo elastico dei polimeri è molto inferiore, questo problema risulterebbe trascurabile. Non solo: avendo maggiore libertà sulla progettazione della geometria, risulta possibile andare a distribuire più uniformemente la sollecitazione lungo il raccordo al piede. Questo è possibile mediante l’utilizzo di modelli matematici avanzati o software di calcolo numerico.

Una geometria ottimizzata non sarà probabilmente più lavorabile mediante taglio con creatore. Tuttavia, i polimeri offrono diverse alternative produttive, come ad esempio lo stampaggio. Sebbene la pressofusione richieda uno stampo dedicato per ogni ruota, su grandi volumi risulta una tecnica molto economica e con una produttività elevatissima che la rendono molto competitiva sul mercato.

Nel resto dell’articolo viene riportato un esempio di riprogettazione di una coppia di ingranaggi tradizionali in acciaio per l’utilizzo di materiali polimerici

 

LASCIA UN COMMENTO

Please enter your comment!
Please enter your name here