Questa ricerca presenta l’architettura NESTED, un nuovo design che combina tre stadi cicloidali e ipocicloidali per ottenere un rapporto di trasmissione più elevato rispetto a un tradizionale riduttore cicloidale a due stadi avente ingombri comparabili.
Una delle sfide più ambiziose nel campo della progettazione di riduttori a ingranaggi è quella di sviluppare soluzioni compatte in grado di trasmettere la maggiore potenza meccanica possibile [1].
La cosiddetta progettazione ad alta densità di potenza (high power density – HPD) [2,3], svolge, assieme all’efficienza, all’ affidabilità e al costo, un ruolo chiave in termini di competitività [1].
I meccanismi più comuni che consentono di ottenere rapporti di trasmissione elevati (gear ratio – GR) riducendo al minimo le dimensioni del sistema sfruttano solitamente soluzioni planetarie, cicloidali e armoniche [4]. Tra le applicazioni più importanti di questi riduttori vi sono il campo della robotica e dell’automazione industriale. Questo mercato registra un incremento annuale pari a circa il 13% [5]. Da qui risulta chiara l’importanza di nuove soluzioni HPD. Inoltre, vale la pena ricordare come i riduttori ad alta precisione partecipino per il 25% al costo totale di un robot industriale [5]. Appare dunque chiaro perché gli studi nell’ambito dei riduttori HPD, con particolare attenzione a nuovi design e architetture, si rivelino un investimento fondamentale per la leadership nel settore.
Con un singolo stadio armonico è possibile raggiungere GR da 50 a 160 [6,7]. GR tra 30 a 100 possono essere ottenuti anche attraverso un singolo stadio cicloidale [6,7]. Per ottenere tali GR con riduttori epicicloidali, devono essere necessariamente combinati più stadi [8]. Naturalmente, se la compattezza non è un requisito progettuale, è possibile combinare soluzioni armoniche, e/o cicloidali e/o planetarie in modo arbitrario [9–11]. Tuttavia, innovazioni radicali nel campo dei riduttori HPD sono state raggiunte solo con architetture relativamente più complesse [12].
Per quanto riguarda i riduttori epicicloidali, ad esempio, la soluzione cosiddetta Wolfrom ha rappresentato un punto di svolta all’inizio del XX secolo [13,14]. Questa configurazione, attraverso un principio differenziale, consente di ottenere GR fino a 5000 con dimensioni assiali inferiori ad un classico riduttore epicicloidale a due stadi [15-17]. Sfruttando il principio differenziale è però possibile progettare un riduttore cicloidale a due stadi che abbia dimensioni complessive comparabili a una soluzione Wolfrom. Siffatta architettura cicloidale rappresenta una soluzione a elevata densità di potenza architettonicamente molto diversa da tutto quello che si trova in letteratura [18-20] e avente rapporti di riduzione che vanno da 100 a 121.
L’utilizzo dei profili cicloidali consente, come detto, di ottenere GR paragonabili a quelli ottenibili in riduttori epicicloidali basati su Wolfrom, con però un numero inferiore elementi d’ingranamento (EdI: denti e/o lobi-rulli)[21]. I riduttori HPD a tre stadi più diffusi sono i cosiddetti Rotate Vector Reducer (RV-Reducer) [22-24]. Questo tipo di riduttore copre su un ampio range di GR (anche oltre 1000) con dimensioni assiali relativamente contenute [3]. A titolo indicativo, l’ingombro assiale di un riduttore RV è simile a quello di un riduttore cicloidale monostadio (e, quindi, confrontabile anche a quello della soluzione Wolfrom) aumentato della dimensione necessaria per un pre-stadio planetario. Tale pre-stadio è necessario al funzionamento dell’intero sistema ma non aggiunge di per sé un grado di riduzione aggiuntivo.
Sul mercato mondiale è possibile trovare non più di dieci grandi produttori di riduttori cicloidali. Il loro portfolio prodotti può essere diviso in due categorie: “concetto classico” e “concetto integrato”. Per “concetto classico” si intendono sistemi aventi due dischi cicloidali per ogni stadio. Esempi di riduttori “integrati” sono le soluzioni RV-Reducer o i riduttori cicloidali Wolfrom. I GR di diverse soluzioni cicloidali e diversi produttori sono riportati in Tabella 1.
Sulla base dei dati riportati in Tabella 1, si può concludere che i valori approssimativi dei rapporti di riduzione dei riduttori cicloidali con design classico stanno nel range 3-119 per le soluzioni monostadio, tra 81 e 7569 per le soluzioni a due stadi e tra 990 e 658503 per le soluzioni a tre stadi. D’altra parte, il concetto integrato copre la gamma 20-225. Ciò significa che, per rapporti di trasmissione superiori a 225, devono essere necessariamente utilizzati riduttori basati sul concetto classico. Questi ultimi hanno dimensioni e peso significativamente superiori rispetto alle soluzioni integrate. Uno degli obiettivi principali dello sviluppo di un nuovo concetto di riduttore HPD è quello di ottenere rapporto di trasmissione elevato confrontabile con il range tipico delle soluzioni tri-stadio.
Nel seguito viene presentato il principio di funzionamento di un nuovo tipo di riduttore a tre stadi chiamato NESTED. La progettazione di questa nuova soluzione prevede che il disco cicloidale del terzo stadio sia annidato (completamente o parzialmente) nei dischi cicloidali del secondo stadio. Questo rende il design di NESTED molto competitivo: a parità di GR, risulta molto più compatto e leggero rispetto ai classici riduttori cicloidali a due stadi (aventi 4 dischi cicloidali) e ai riduttori cicloidali a tre stadi (che necessitano di 6 dischi cicloidali). Inoltre, la architettura NESTED appare anche più compatta di un design integrato a tre stadi che è solitamente composto da uno stadio classico combinato con un bi-stadio cicloidale Wolfrom. Infine, può essere interessante sottolineare come la soluzione NESTED possa essere implementata sia con ingranaggi ad evolvente, sia con ingranaggi (ipo)cicloidali.
Background
Questa sezione è suddivisa in quattro sottosezioni volte a presentare lo stato dell’arte dei riduttori cicloidali. Lo scopo di questa sezione è fornire al lettore le conoscenze per comprendere meglio sia il principio di funzionamento della nuova architettura NESTED, sia i suoi vantaggi rispetto alle soluzioni esistenti.
