Elementi di Macchine è la traduzione letterale del termine tedesco Maschinenelemente, con il quale vengono denominati non solo gli oggetti a cui si riferisce ma anche i corsi universitari nei quali viene insegnata questa disciplina, della quale i tedeschi sono i massimi cultori. Organi di (o delle) Macchine è invece la locuzione forse più utilizzata da noi, per indicare i costituenti elementari di cui è composta una macchina e dei quali gli Organi di Trasmissione costituiscono un sottoinsieme, intendendo che questi ultimi siano quelli specificamente riferibili a macchine la cui finalità è la trasmissione del moto e/o della potenza.
Soluzioni tecniche per le funzioni necessarie in una macchina
Gli elementi delle macchine sono costituiti dalle soluzioni tecniche utilizzate per svolgere le singole funzioni necessarie in una macchina, quale, per iniziare ad elencarle, la funzione di collegamento tra parti diverse, che ad esempio può essere realizzata mediante una giunzione saldata, una giunto brasato, incollato o misto, o per mezzo di una rivettatura o con spine e perni o, infine, mediante un collegamento con organi filettati (viti) che, anche se apparentemente semplici, richiedono conoscenze approfondite ed esperienza per una corretta progettazione.
Un altro capitolo è costituito dalle molle, aventi la proprietà di deformarsi molto mantenendosi in campo elastico, cioè senza subire deformazioni plastiche, grazie a geometria e materiale opportuni, e caratterizzate da un valore (o una funzione, se non lineari) di rigidezza definito in fase di progettazione del sistema.
E poi ci sono gli alberi e gli assi: i primi sono sempre rotanti e sono deputati alla trasmissione di un momento torcente, i secondi, che possono essere fissi o rotanti, non trasmettono coppia e sono quindi soggetti prevalentemente alla sola flessione. Gli organi rotanti devono essere sostenuti mediante un vincolo che fissi la posizione dell’asse, senza però opporsi alla rotazione: è questo il compito dei cuscinetti, che possono essere lisci o a corpi volventi o anche a sostentamento idrodinamico. I cuscinetti a corpi volventi, o a rotolamento sono di diversi tipi, a seconda del vincolo che esercitano, che può essere radiale, assiale o combinato, della geometria dei corpi volventi, della capacità di assecondare angolazioni tra l’asse dell’albero e quello della sede che li ospita. Sugli alberi sono in genere montati altri elementi di macchina e questa funzione è svolta dal collegamento mozzo-albero, realizzabile secondo principi diversi, forza e forma segnatamente, dove con il primo si intende una solidalità ottenuta grazie all’attrito e con il secondo grazie ad un accoppiamento geometrico. A ciascun principio corrispondo svariate soluzioni costruttive, che possono essere composte dai soli elementi da collegare, albero e mozzo, oppure prevedere elementi interposti, quali linguette e chiavette. Sempre in tema di connessioni, vi sono quelle tra due alberi: si tratta dei giunti, che realizzano un collegamento permanente, degli innesti, disinseribili in funzionamento, e dei freni.
Gli organi di trasmissione costituiscono il piatto forte degli elementi delle macchine, a partire dagli ingranaggi, che sono costituiti da insiemi di ruote dentate, almeno due. Sono destinati a trasmettere la potenza meccanica tra due organi rotanti, cambiandone i fattori, cioè la combinazione tra coppia e velocità, e/o anche la direzione, e possono essere riduttori o moltiplicatori di velocità. Ne esistono di diversi tipi a seconda della posizione reciproca degli assi, paralleli, concorrenti o sghembi. Solo per citare i principali, ricordiamo gli ingranaggi cilindrici, a denti diritti o elicoidali, gli ingranaggi conici, a denti diritti o spirali, gli ingranaggi ipoidi e gli ingranaggi a vite. La varietà di modalità di cedimento che si possono verificare nelle ruote dentate fa sì che si tratti di una delle applicazioni più complesse, per quanto riguarda i fenomeni di danneggiamento e i calcoli per prevenirli.
Gli ingranaggi non sono l’unica soluzione per realizzare una trasmissione di potenza che può essere realizzata anche mediante catene o cinghie, trapezoidali, piatte o dentate e ruote di frizione.
Anche il lubrificante è a rigore un elemento di macchina, insieme al sistema di lubrificazione e agli organi di tenuta, detti anche guarnizioni, che lo completano.
Bagaglio irrinunciabile dell’ingegnere meccanico
La conoscenza sistematica degli elementi di macchine è parte del bagaglio irrinunciabile dell’ingegnere meccanico, nella cui professione le macchine sono quasi sempre coinvolte, anche se a vario titolo, vuoi nella progettazione, produzione, funzionamento o vendita.
La conoscenza organica delle svariate soluzioni costruttive, ciascuna con le sue peculiarità, è il presupposto affinché un progettista abbia la capacità di configurare un sistema meccanico corretto, senza incorrere in errori, o anche ingenuità, in grado di comprometterne il corretto funzionamento, difficilmente rilevabili anche con le simulazioni più sofisticate e difficilmente correggibili, senza dover modificare pesantemente il progetto, se diagnosticati in una fase avanzata dello sviluppo del prodotto.
Conoscere gli organi delle macchine significa conoscerne la morfologia, comprensiva di dettagli geometrici che all’occhio inesperto potrebbero apparire inessenziali ma che sono invece fondamentali per il corretto funzionamento e sono il risultato di un’evoluzione pluriennale la quale, grazie al responso del campo, ha portato al loro affinamento e ottimizzazione. Significa anche avere familiarità con i metodi di calcolo e verifica, riferiti a ciascuno specifico organo di macchina: infatti, sebbene le modalità di danneggiamento di organi diversi siano riconducibili ad un insieme definito di fenomeni fisici, che possono essere descritti e prevenuti mediante teorie di carattere universale, considerare la verifica di un organo di macchina solamente come l’applicazione ad un caso particolare di una metodologia generale porta sovente a risultati di poca utilità pratica. I metodi di calcolo specifici sono infatti stati sviluppati nel corso degli anni, grazie all’esperienza e a campagne sperimentali sistematiche, sovente sono stati condivisi e discussi intorno a tavoli tecnici, dai quali sono scaturiti norme, o specifiche tecniche o direttive, e sono in grado di includere l’influenza di numerose variabili mediante opportuni fattori, empirici sovente, e pertanto consentono generalmente di pervenire a risultati assai più affidabili rispetto a quelli ottenibili con l’applicazione di teorie in astratto più performanti o mediante simulazioni anche molto sofisticate, ma che non sono state validate per la specifica applicazione.
Per questo motivo, gli elementi delle macchine costituiscono una disciplina unitaria, nella quale la descrizione sinottica dei singoli organi si combina con le considerazioni riguardanti il disegno, i processi di costruzione e le tolleranze, i materiali, la determinazione dei carichi di esercizio, i fenomeni di danneggiamento e le teorie che li descrivono e li prevengono.