RIDUTTORE

RIDUTTORE (XXIX, p. 284)

Per risparmiare nel peso e nel costo delle macchine motrici, si tende, attualmente, a farle funzionare con velocità sempre più elevate; inoltre la graduale sostituzione delle macchine alternative con turbine a vapore ha apportato un notevolissimo incremento nelle velocità di rotazione, e lo stesso si verificherà in avvenire con la introduzione delle turbine a gas, che certamente sostituiranno in molte applicazioni i motori alternativi a combustione interna. Queste alte velocità sono in molti casi incompatibili con le esigenze delle macchine operatrici o degli organi condotti (pompe a stantuffo, pompe centrifughe di grande portata e di piccola prevalenza, generatori di corrente alternata di bassa frequenza, eliche, ruote motrici di locomotive, ecc.), perciò si rende spesso indispensabile l'impiego di riduttori di velocità, e tale impiego, già così diffuso, tenderà probabilmente ad estendersi ancora di più in avvenire.

Per potenze rilevanti ed elevate velocità di rotazione non possono prendersi in considerazione che i seguenti tipi di riduttori: idraulici, elettrici, ad ingranaggi; la riduzione del numero di giri può ottenersi anche mediante trasmissioni a cinghia, funi o catene, oppure per mezzo di ruote di frizione; le prime però non sono adatte per alberi velocissimi le seconde non sono utilizzabili che per potenze molto limitate. Per i riduttori idraulici ed elettrici vedi trasmissione (XXXIV, p. 202).

I riduttori ad ingranaggi hanno un campo vastissimo di applicazione, sono più semplici e più leggeri e costano meno dei riduttori idraulici ed elettrici; inoltre hanno un rendimento più elevato poiché in essi la trasmissione dell'energia avviene senza che questa cambi di forma.

Per rapporti di trasmissione fino ad 1:10 ÷ 1:12 si usa in generale la semplice riduzione. Quando la potenza da trasmettere è rilevante conviene che essa sia possibilmente ripartita su varî rocchetti ingrananti tutti con la stessa ruota condotta, poiché, con l'aumentare del numero degli imbocchi, ad ognuno di questi viene a corrispondere una minore forza periferica e si può ridurre la larghezza della corona dentata ottenendosi un riduttore meno ingombrante e più leggero.

I riduttori veloci e di grande potenza hanno sempre dentatura elicoidale (si sono usate talvolta ruote a denti dritti per poterne eseguire la rettifica con la mola quando non esistevano ancora le rettificatrici adatte anche per denti elicoidali). La spinta assiale dovuta all'obliquità dei denti, come è noto, può essere eliminata costruendo le ruote con due corone dentate munite di denti di opposta inclinazione: in tal caso i rocchetti: essendo collegati all'albero motore da un giunto a denti che lascia loro la libertà di spostarsi in direzione assiale, assumono automaticamente la posizione per la quale il carico risulta suddiviso ugualmente fra le due corone. Queste possono essere separate dall'intervallo strettamente necessario perché l'utensile che taglia i denti di una corona non danneggi i denti dell'altra (fig. 1); quando però la potenza trasmessa è rilevante, i rocchetti diventano molto lunghi e, inflettendosi, finirebbero col non essere più caricati uniformemente su tutta la loro lunghezza; ad evitare questo inconveniente, che diminuirebbe la capacità di carico del riduttore, le due corone dentate vengono allontanate l'una dall'altra per poter inserire fra esse un cuscinetto di sostegno, facendo così poggiare il rocchetto su tre cuscinetti (fig. 2).

Alcuni costruttori, per evitare che, a causa del giuoco esistente fra i denti, il rocchetto possa assumere un moto oscillatorio in direzione assiale con conseguenti vibrazioni ed aumento delle sollecitazioni nei denti, preferiscono costruire le ruote con una sola corona dentata tutte le volte che sia possibile fare a meno del cuscinetto intermedio. Essi adottano una piccola inclinazione dei denti in modo da avere una moderata spinta assiale, la quale possa essere agevolmente sopportata o da un cuscinetto di spinta tipo Michell o, secondo il sistema introdotto dalla ditta Brown-Boveri, da un collare di spinta che viene montato sul rocchetto e poggia contro una superficie conica tornita all'estremità della corona della ruota (fig. 3).

Negli ingranaggi di precisione, come sono appunto i riduttori di grande potenza, il profilo dei denti è ricavato con lavorazione meccanica secondo il processo ad inviluppo. Tale lavorazione, detta taglio dei denti, può eseguirsi con varî utensili (fresa a vite, coltello a forma di dentiera o di ruota dentata), i quali sono sempre equivalenti, nel loro funzionamento, ad una dentiera che generi la forma del dente per inviluppo, rotolando col suo piano primitivo sul cilindro primitivo della ruota e mantenendo i proprî denti paralleli o inclinati rispetto all'asse della ruota, secondo che la dentatura da generare sia dritta o elicoidale.

Dato il profilo della dentiera generatrice in un piano normale ai suoi denti, la forma del dente della ruota rimane perfettamente individuata quando di questa si conoscano il numero di denti e l'angolo d'inclinazione dell'elica primitiva; è anzi possibile eseguire lo studio completo della dentatura, senza tracciare il profilo del dente nella ruota e nel rocchetto, basandosi unicamente sugli elementi del profilo della dentiera generatrice (v. Bibliografia).

Rotismi con forte rapporto di riduzione. - Rapporti di trasmissione notevolmente inferiori ad 1:10 si realizzano in generale con la doppia riduzione (fig. 4). Per esempio, dovendosi trasmettere il moto da un albero che faccia 4800 giri/min. ad uno che ne faccia 100, si può sistemare sul primo albero un rocchetto del diametro primitivo di 125 mm., su un albero intermedio una ruota e un rocchetto dei diametri di 1000 e 180 mm., e sull'albero lento una ruota del diametro di 1080 mm. Con la semplice riduzione, supponendo di avere lo stesso rocchetto sull'albero motore, sarebbe necessaria una ruota del diametro di 6000 mm. sull'albero condotto; si avrebbe quindi un riduttore più ingombrante e certamente più pesante e costoso.

Per rapporti di velocità ancora più bassi (che però ben difficilmente possono esser richiesti nelle trasmissioni di potenze rilevanti) occorrerebbe adottare la riduzione tripla, quadrupla, ecc.

Rapporti di trasmissione molto piccoli o molto grandi possono realizzarsi anche con rotismi epicicloidali (v. XXX, p. 250) rispondenti allo schema della fig. 5. Il rotismo comprende le ruote principali coassiali 1 e 2 ed un equipaggio mobile rotante intorno allo stesso asse delle ruote principali; l'equipaggio mobile è costituito da due o più bracci b, disposti ad uguale intervallo angolare (per l'equilibrio delle forze centrifughe) e ognuno dei quali porta alla sua estremità due ruote satelliti s ed s′ solidali fra loro ed ingrananti rispettivamente con le ruote 1 e 2.

Se si indicano con r₁ e r₂ i raggi primitivi delle ruote 1 e 2 e con b la lunghezza dei bracci, misurata fra gli assi delle ruote principali e delle satelliti, il rapporto di trasmissione che si ha fra la ruota principale 1 e l'equipaggio mobile, quando si tenga ferma la ruota 2, è dato da:

Può dimostrarsi che, per il buon rendimento del rotismo, è preferibile (se per speciali esigenze non è richiesto il contrario) avere valori di τ positivi anziché negativi, cioè far ruotare la ruota 1 ed i bracci-porta-satelliti nello stesso senso anziché in senso opposto; inoltre, conviene montare la ruota 1 sull'albero veloce e i bracci porta-satelliti sull'albero lento; perciò se il rotismo funziona da riduttore, l'albero motore deve esser collegato alla ruota 1 e l'albero condotto ai bracci porta-satelliti.

I rotismi epicicloidali trovano un'utile applicazione, in trasmissioni di piccola potenza, quando si voglia realizzare con limitato ingombro un forte rapporto di riduzione o di moltiplicazione di velocità.

Perfezionamenti nella costruzione delle ruote dentate. - Un grande passo avanti nella costruzione delle ruote dentate si è fatto verso il 1883 con i riduttori elicoidali delle turbine a vapore de Laval, nei quali la velocità periferica si aggirava sui 50 m/sec.; è poi merito del Parsons di aver introdotti i riduttori ad ingranaggi negl'impianti di propulsione navale con turbine a vapore. Un primo riduttore marino costituito da una ruota montata sull'albero dell'elica e da due rocchetti collegati alle turbine fu sistemato nel 1910 sul piroscafo Vespasian: esso trasmetteva circa 1000 cav. con un rapporto di riduzione di 1:19,9. Ora si hanno riduttori a 2, 3 ed anche 4 rocchetti, che trasmettono fino a 30.000 cav. per rocchetto e che, malgrado le dimensioni rilevanti delle ruote, costituiscono dei veri capolavori di precisione.

Gli studî e le ricerche sulle ruote dentate non si sono arrestati a tale risultato, che pur rappresenta uno dei più importanti progressi compiuti nei tempi moderni nel campo delle costruzioni meccaniche, ma hanno avuto negli ultimi anni un ulteriore impulso: essi sono diretti a raggiungere carichi specifici sempre più elevati, a conseguire una grande sicurezza di funzionamento ed una lunga durata delle dentature e ad eliminarne la rumorosità, che costituisce un inconveniente spesso insopportabile.

L'aumento del carico specifico sui fianchi dei denti. - La potenza che può essere trasmessa da un dato ingranaggio con una data velocità periferica è limitata dalla resistenza dei denti alla flessione e dal carico specifico massimo che può esser sopportato dai fianchi dei denti. Delle due limitazioni la seconda è molto più importante della prima, e ciò per le seguenti ragioni:

1. In un ingranaggio di date dimensioni e che trasmetta una data potenza non vi è modo di ottenere una sensibile riduzione nella pressione specifica massima fra i denti, mentre vi è la possibilità di diminuire notevolmente la sollecitazione a flessione nei denti, aumentando il valore del modulo.

2. In pratica sono piuttosto rare le rotture dei denti e queste sono dovute in generale ad interposizione di corpi estranei fra essi, oppure a difetti interni anziché a deficiente proporzionamento della dentatura. Sono invece frequenti le avarie sui fianchi dei denti, dovute ad eccessivo carico specifico, ed esse hanno talvolta tale gravità da mettere fuori servizio l'ingranaggio.

Può quindi ammettersi che il limite nella potenza dipenda essenzialmente dal carico specifico che può essere sopportato senza danno dai fianchi dei denti e poiché, per la legge di Hertz, la potenza è proporzionale al quadrato del suddetto carico specifico, ne discende che, per ridurre l'ingombro ed il peso di un riduttore, il mezzo più efficace è quello di indurire la superficie dei denti, in modo da ottenere la massima resistenza alla compressione sui fianchi. Si costruiscono perciò i rocchetti e le corone dentate delle ruote in acciaio duro e, dopo il taglio dei denti, la superficie di questi viene talvolta ulteriormente indurita mediante la cementazione e la tempra. Per le ruote di grande diametro, non essendo possibile eseguire queste operazioni, può cercarsi di migliorare le caratteristiche meccaniche dell'acciaio spingendo al massimo il trattamento termico.

Una pressione specifica eccessiva si manifesta col distacco di particelle di metallo (pitting) dal fianco del dente, lungo una striscia che corre parallelamente alla primitiva e poco al disotto di essa (fig. 6). Il fenomeno si inizia quasi sempre nel primo periodo di funzionamento sotto carico: esso può progredire fino a distruggere gran parte della superficie attiva del fianco del dente, ma più spesso tende ad arrestarsi, poiché i denti, rotolando l'uno sull'altro, s'induriscono superficialmente e si lisciano facendo sparire le piccole protuberanze sulle quali si concentra la pressione.

La rettifica dei denti. - Nei grandi ingranaggi non si riesce mai a distribuire lo sforzo uniformemente su tutta la superficie dei denti: vi sono ampie zone nelle quali la pressione è molto ridotta o manca addirittura il contatto, altre nelle quali vi è una notevole concentrazione del carico; le piccole differenze nel passo della dentatura non solo producono aumenti nel valore massimo della pressione specifica, ma generano anche sollecitazioni dinamiche le quali sono tanto maggiori quanto più grandi sono gli errori nel passo e più elevata è la velocità periferica dei denti. Benché lo strato di lubrificante interposto fra i fianchi dei denti tenda a distribuire più uniformemente le pressioni e ad attutire gli urti, è necessario che gli ingranaggi veloci e fortemente caricati siano tagliati con macchine di alta precisione e con speciali precauzioni (temperatura costante nell'ambiente, taglio eseguito con continuità dall'inizio alla fine, ecc.). Le piccole, inevitabili imperfezioni nel profilo e nel passo, possono rettificarsi con la mola, che riduce gli errori a non più di qualche millesimo di millimetro; la rettifica è poi indispensabile per le dentature che abbiano subìto la tempra, poichè questa produce alterazioni sensibili nella forma dei denti.

La maggior parte delle macchine rettificatrici funziona secondo il processo ad inviluppo: la mola, a forma di disco o di coppa, lavora con la faccia piana o con l'orlo circolare nel piano di un fianco del dente della dentiera ideale coniugata con la dentatura da rettificare. Per generare il profilo del dente, la ruota vien fatta rotolare col suo cilindro primitivo sul piano primitivo della dentiera ideale. A questo movimento, detto di generazione, se ne aggiunge uno di avanzamento eseguito dalla stessa ruota, per far sì che la rettifica si estenda a tutta la lunghezza del dente.

Il rodaggio con primitiva spostata. - Se i fianchi dei denti non sono ben lisci, la loro rugosità fa aumentare il lavoro di attrito, provocando il riscaldamento non solo dei denti, ma anche del velo di olio interposto che, per la ridotta viscosità, non riesce più a tener separate le superfici metalliche; si può così produrre un inizio d'ingranamento nei punti del profilo soggetti a maggior strisciamento specifico e l'ingranamento, una volta iniziatosi, si estende rapidamente a tutto il profilo del dente (fig. 7).

Un rimedio efficace contro l'ingranamento è il rodaggio dei denti: questo può eseguirsi naturalmente col semplice funzionamento del riduttore, ma, data la lentezza con la quale avviene il lisciamento dei fianchi dei denti, non si fa talvolta in tempo ad impedire l'ingranamento nel primo periodo di esercizio dell'ingranaggio ed in particolar modo durante le prove di collaudo, nelle quali i denti vengono assoggettati al massimo carico. Si ricorre perciò spesso al rodaggio con abrasivo: il riduttore vien fatto lavorare sotto un carico molto ridotto ed a bassa velocità, mentre i denti vengono cosparsi a pennello con olio misto ad abrasivo in polvere molto fine; l'operazione dura un numero limitato di ore e non può essere prolungata per evitare alterazioni nel profilo dei denti, risultando maggiore il consumo nei punti più lontani dalla primitiva e quasi nullo su questa.

Tale inconveniente viene evitato col sistema di rodaggio a primitive spostate: le ruote del riduttore sono rodate separatamente in officina, facendole ingranare contemporaneamente o successivamente con due ruote rodatrici i cui denti sono profilati in modo da ottenere, nell'imbocco con la ruota da rodare, due primitive spostate l'una verso l'interno e l'altra verso l'esterno rispetto alla normale primitiva di lavoro. Lo studio di tali ruote rodatrici va fatto con particolare cura, dovendo esse soddisfare a varie condizioni, fra cui quella di ottenere lungo la parte attiva del profilo del dente da rodare un consumo uniforme risultante dalla somma dei consumi prodotti dalle due ruote. Inoltre, per non andare incontro a spese rilevanti, sia la ruota, sia i rocchetti del riduttore devono potersi rodare con le stesse ruote rodatrici, e queste devono esser tagliate con lo stesso utensile che vien usato per il taglio dei denti dell'ingranaggio.

In Italia fra il 1937 ed il principio del 1940 si ebbero a lamentare, durante le prove di collaudo, numerosi casi di ingranamento delle dentature su riduttori marini costruiti da ditte differenti: applicato il sistema di rodaggio a primitive spostate in tutti i riduttori successivamente costruiti, per una potenza complessiva di circa 1.700.000 cav., non si è avuto più a lamentare il minimo inconveniente.

L'arrotondamento dello spigolo sulla testa del dente. - A causa della inflessione che subiscono i denti sotto il carico, all'inizio dell'imbocco, l'estremità del profilo ad evolvente del dente della ruota condotta non risulta esattamente tangente al fianco del dente della ruota motrice; lo spigolo di testa del dente della prima ruota tende perciò ad incidere nel fianco del dente della seconda, provocando l'inizio di un ingranamento delle superfici striscianti. Per evitare questo inconveniente si arrotonda lo spigolo sulla testa del dente, o per mezzo della lima o, più frequentemente, prevedendo alla base del dente della dentiera generatrice una adatta curva di arrotondamento la quale generi, per inviluppo, un'analoga curva di arrotondamento all'estremità del dente della ruota; occorre però tener presente che la seconda delle dette curve risulta meno ampia della prima e che la differenza fra le due ampiezze aumenta col diminuire del numero di denti, sicché può accadere che una dentiera generatrice produca un sufficiente arrotondamento nel dente della ruota di un riduttore e ne produca uno insufficiente o addirittura nullo nel rocchetto. Tale mancanza di arrotondamento è stata causa di gravi avarie nelle dentature, sicché ora, nel tracciare il profilo dell'utensile impiegato per il taglio dei denti, è buona regola di eseguire la verifica dell'arrotondamento risultante nelle ruote.

Uno studio più approfondito del problema ha messo recentemente in evidenza che la curva di arrotondamento alla base del dente della dentiera può generare per inviluppo, all'estremità del dente della ruota, una curva di intaglio sulla testa del dente, la quale non è raccordata alla evolvente, ma forma con questa uno spigolo. Tale intaglio, che può esser causa d'ingranamento delle superfici striscianti, si verifica se la ruota ha un numero di denti minore di

essendo (v. fig. 8): m_n = modulo normale della dentatura, θ_n = angolo di pressione normale, α = angolo d'inclinazione dell'elica primitiva rispetto alla generatrice, b = raggio di curvatura dell'arrotondamento della dentiera generatrice nella sezione normale al dente, k_i = altezza della parte piana del fianco del dente della dentiera che rimane all'interno della primitiva.

La eliminazione della rumorosità degli ingranaggi. - È stato accertato che la rumorosità degli ingranaggi dipende da imperfezioni nella coppia vite senza fine-ruota di divisione della macchina dentatrice: tali imperfezioni causano nella dentatura errori che si riproducono sempre lungo le stesse generatrici, ad intervalli angolari corrispondenti al passo della ruota di divisione. Alla frequenza di questi errori corrisponde l'altezza del suono emesso dall'ingranaggio.

I primi riduttori per turbine a vapore, a causa della imperfezione delle macchine dentatrici, erano alquanto rumorosi; il Parsons ha ovviato all'inconveniente costruendo delle macchine, nelle quali la ruota da tagliare non poggia sulla tavola principale solidale con la ruota di divisione, ma su un'altra tavola, detta creeping table, che è sovrapposta alla principale ed è dotata, rispetto a questa, di un lento moto di rotazione: in tal modo gli errori dovuti alla ruota di divisione vengono distribuiti lungo delle eliche e non producono le oscillazioni periodiche dalle quali deriva la rumorosità.

Altri costruttori di macchine dentatrici, forse per ragioni di brevetto, non hanno adottato il sistema creeping table, ma hanno cercato di perfezionare le macchine per ridurre al minimo gli errori. In epoca recente però la casa Brown-Boveri ha ripreso il concetto del Parsons, costruendo una dentatrice nella quale si ha un'unica tavola che prende il movimento da un rotismo epicicloidale: la soluzione è più semplice di quella ideata dal Parsons e, data la maggior perfezione delle macchine moderne, i risultati sono stati ancora più favorevoli.

Bibl.: H. E. Merritt, Gears, Londra 1946; F. Modugno, Teoria e costruzione degli ingranaggi ad assi paralleli, Spoleto 1940; id., L'intaglio nelle dentature tagliate col processo ad inviluppo, in L'Ingegnere, gennaio-febbraio 1947; J. A. Davies e H. W. Semar, Mechanical reduction gears, in Proceed of Society of Naval Architects and Marine Engineers, novembre 1947.