Meccanismi: ingranaggi

Anche prima della rivoluzione industriale, ingranaggi di un tipo o dell’altro sono stati messi in azione sia a favore che contro di noi. Dalle antiche ruote idrauliche e mulini a vento che macinavano il grano e pestavano il lino, ai treni di trasmissione che alimentano le macchine da guerra, dalle macchine d'assedio ai principali carri armati, gli ingranaggi sono stati parti essenziali di quasi tutti i dispositivi meccanici mai costruiti. La prossima puntata della nostra serie sui meccanismi darà una breve occhiata agli ingranaggi e alle loro applicazioni.

Come spesso accade, l’evoluzione è il miglior inventore, e un meccanismo a ingranaggi che collega le zampe posteriori dei giovani insetti cicaline precede di un paio di miliardi di anni l’invenzione umana degli ingranaggi. L'uso umano degli ingranaggi risale almeno alla Cina del terzo secolo a.C. e la tecnologia si diffuse rapidamente e ampiamente. Nel giro di poche centinaia di anni, ingranaggi metallici lavorati con precisione avevano consentito la costruzione in Grecia di dispositivi complessi come il meccanismo di Anticitera.

Nella sua forma più semplice, un ingranaggio non è altro che una ruota con una sorta di denti tagliati sulla sua circonferenza. I denti sono dimensionati e sagomati per ingranare con i denti su altri elementi meccanici per trasmettere la coppia. Più ingranaggi collegati in serie sono chiamati treno di ingranaggi e se i diametri degli ingranaggi nel treno di ingranaggi sono diversi, la coppia trasmessa sarà proporzionale alla differenza. Pertanto, se l'ingranaggio conduttore ha un diametro di 1 cm e l'ingranaggio condotto ha un diametro di 10 cm, il treno di ingranaggi aumenterà la coppia di 10 volte riducendo la velocità di rotazione di un fattore 10.

Per contrastare questo fenomeno, i denti possono essere tagliati obliquamente rispetto all'asse di rotazione. Inclinando i denti in questo modo attorno alla circonferenza dell'ingranaggio si ottiene uno schema elicoidale, da cui il nome ingranaggio elicoidale. Non solo gli ingranaggi elicoidali sono più silenziosi, ma possono anche essere incrociati per trasmettere la potenza ad angolo retto. Il compromesso è che, a causa dei denti obliqui, gli ingranaggi elicoidali impartiscono la spinta lungo i loro assi. La spinta può essere gestita utilizzando cuscinetti reggispinta, come i cuscinetti a rulli conici, oppure utilizzando due ingranaggi elicoidali con direzioni opposte dei denti sullo stesso albero per annullare la spinta assiale. Ciò si traduce negli splendidi ingranaggi a spina di pesce visti in molte applicazioni ad alta potenza come le turbine eoliche.

Per molto tempo, la produzione di ingranaggi metallici è stata un processo complesso che prevedeva più fasi di lavorazione per produrre denti con la geometria desiderata. I denti possono essere tagliati mediante un numero qualsiasi di operazioni di lavorazione, come brocciatura, fresatura, sagomatura o rettifica.

Ma il taglio degli ingranaggi è dispendioso in termini di tempo e denaro, quindi la maggior parte degli ingranaggi oggigiorno vengono prodotti mediante una sorta di operazione di stampaggio. Gli ingranaggi in plastica del tipo che odiamo vedere quando guardiamo all'interno di un elettroutensile costruito ad un prezzo conveniente sono facilmente prodotti mediante stampaggio a iniezione e, nonostante la loro cattiva reputazione, possono risultare in treni di ingranaggi perfettamente riparabili se non particolarmente longevi. Ma gli ingranaggi in metallo possono anche essere stampati, e gli ingranaggi in metallo in polvere oggi rappresentano una quota enorme del mercato.

Gli ingranaggi in metallo in polvere vengono prodotti riempiendo uno stampo con polvere di lega metallica molto fine miscelata con leganti e lubrificanti. La polvere nello stampo viene compressa da un pistone idraulico con uno strumento che si adatta alla forma dello stampo e l'enorme pressione fonde insieme le particelle metalliche in un solido abbastanza forte da poter essere maneggiato. Le parti verdi vengono quindi riscaldate per fondere permanentemente le particelle nella parte metallica finale che in molti casi è pronta per l'uso senza ulteriori lavorazioni.

Mentre la metallurgia delle polveri è fuori portata per la maggior parte dei negozi di articoli casalinghi, gli ingranaggi fai-da-te sono fattibili da chiunque abbia accesso ad alcune macchine utensili di base. Non ne avremo mai abbastanza di guardare [Chris] lavorare gli ingranaggi e i pignoni dell'orologio Clickspring e, sebbene quegli ingranaggi siano altamente specializzati per il mondo della metrologia, molti degli stessi principi si applicano agli ingranaggi per altre applicazioni. La stampa 3D sta rendendo possibili anche treni di ingranaggi personalizzati e i risultati possono essere sorprendentemente robusti nelle giuste condizioni. E non dimenticare i router CNC, che producono ingranaggi grandi e piccoli in tutti i tipi di materiali.