Scegliere il tipo di ingranaggio giusto è una delle prime decisioni di qualsiasi progetto di trasmissione, e per anni determina in silenzio rendimento, rumorosità, ingombro e costo di esercizio dell'intera scatola. Quattro fattori guidano la scelta. Il primo è il carico trasmesso e la sua natura, coppia costante, urti ripetuti, funzionante invertito o una mescolanza dei tre. Il secondo è la velocità: i riduttori lenti tollerano geometrie che un azionamento veloce rifiuterebbe, perché urto e scorrimento crescono con la velocità periferica al passo. Il terzo è la disposizione degli alberi, paralleli, incrociati o a angolo retto, che spesso elimina due dei quattro candidati prima ancora di calcolare qualsiasi numero. Il quarto è l'equilibrio tra rumore, giogo, rendimento e costo unitario, perché l'ingranaggio tecnicamente perfetto raramente è il più economico da acquistare, montare, far funzionare e mantenere in una vita utile di dieci anni. Questa guida presenta i quattro tipi più comuni, li confronta in prosa senza tabelle e termina con i parametri da mettere sul tavolo in fase di richiesta offerta.
Gli ingranaggi diritti sono il punto di partenza predefinito di quasi ogni team di progettazione, perché sono la forma più semplice, la più economica da ricavare e la più facile da specificare, controllare e sostituire. I denti corrono paralleli all'asse, il contatto sulla fronte è quasi di puro rotolamento, senza spinta assiale apprezzabile. Questo li rende prevedibili, indulgenti sugli errori di allineamento e compatibili con cuscinetti a sfere profondi i più comuni. Il limite meccanico è che l'imbocco comincia e finisce di colpo lungo una linea sul dente, producendo urti sulla frequenza di ingranamento e un tipico fischio che diventa fastidioso non appena la velocità periferica al passo supera pochi metri al secondo. I diritti brillano sugli azionamenti ad assi paralleli, da lenti a moderati, fortemente caricati, dove il rumore non è la prima preoccupazione: testate di macchine utensili, azionamenti di nastri trasportatori, piccoli riduttori industriali, macchine da stampa, macchine per il confezionamento e motori di avviamento a combustione interna. Sono anche la geometria preferita per assi di posizionamento sensibili al giogo, perché il gioco tra denti si controlla più facilmente su un dente dritto che su qualsiasi variante curva o elicoidale. Non appena la velocità periferica continua a salire, oppure l'azionamento deve stare vicino a persone o a uno strumento di precisione, i diritti iniziano a cedere terreno agli elicoidali, e la ragione è quasi sempre il budget rumore.
Gli ingranaggi elicoidali ricavano i denti con un angolo di elica sul cilindro, così che il contatto comincia su un bordo del dente e spazza gradualmente tutta la fronte invece di urtare in blocco. Il risultato è un coefficiente di sovrapposizione più elevato, un trasferimento di carico più dolce, meno rumore a parità di velocità periferica e la capacità di trasmettere più coppia a parità di diametro primitivo. Per le macchine sensibili al rumore o ad alta velocità, cambi manuali e a doppia frizione delle automobili, riduttori per veicoli elettrici, compressori industriali, soffianti e mandrini ad alta velocità, gli elicoidali sono quasi sempre la risposta, e in molti casi vengono specificati anche se un diritto riuscirebbe a sopportare il carico. Il contrappeso è la spinta assiale: l'angolo di elica spinge pignone e ruota lungo l'albero, quindi i cuscinetti devono sopportare una combinazione di carico radiale e assiale, e il rendimento cala leggermente per l'attrito di strisciamento lungo il fianco. Gli elicoidali doppi o a chevron annullano la spinta accoppiando due file di denti di senso opposto sullo stesso albero, ma costano di più da produrre, richiedono una fascia intermedia precisa tra le file e sono più difficili da sbavare e controllare. Quando rumore e velocità dominano la specifica, il piccolo costo di efficienza e l'aggiornamento del cuscinetto valgono quasi sempre la spesa, e la lunga vita ripaga il sovrapprezzo.
Gli accoppiamenti a vite senza fine abbinano una vite filettata a una ruota in bronzo e sono l'unica geometria comune in grado di consegnare un rapporto di riduzione elevato in un solo stadio, spesso da venti a uno fino a sessanta a uno, e in progetti speciali oltre i cento a uno, tra alberi non incidenti a novanta gradi. Il rapporto monostadio condensa ciò che altrimenti richiederebbe tre o quattro stadi di diritti o elicoidali in un unico contenitore compatto, silenzioso e stagno, ed è per questo che i riduttori a vite senza fine sono così diffusi nelle macchine compatte. Lo stesso contatto strisciante che rende possibile il rapporto crea anche due tratti che l'acquirente tiene molto in considerazione: l'autoblocco, per cui la ruota non può ritrasmettere moto alla vite e il carico resta trattenuto senza freno esterno, e il basso rendimento, tipicamente compreso tra il quaranta e il settanta per cento, il che significa più calore da dissipare, una lubrificazione più attenta e una bolletta elettrica più alta dopo anni di servizio continuo. L'accoppiamento a vite senza fine è la scelta giusta quando un riduttore compatto a angolo retto, un funzionamento silenzioso e la ritenzione del carico pesano più del rendimento di punta: trasportatori, apparecchi di sollevamento, attuatori per valvole, macchine per il confezionamento alimentare, piccole testate di macchine utensili e attrezzature sceniche sono esempi classici. È la scelta sbagliata quando la scatola funziona per ore di seguito, perché la generazione di calore e l'usura della ruota in bronzo diventano allora un costo operativo reale, e la bolletta energetica ricorda ogni mese la differenza di rendimento.
Gli ingranaggi conici sono montati su alberi incidenti, quasi sempre a novanta gradi, e trasmettono il moto intorno a un angolo dove gli ingranaggi paralleli semplicemente non arrivano. I conici a denti dritti sono l'equivalente più prossimo dei diritti su un cono: facili da fabbricare, facili da montare, silenziosi a bassa velocità e rumorosi oltre. I conici a spirale curvano i denti ad arco per un innesto graduale, così come gli elicoidali migliorano i diritti, e girano più dolci, sopportano più carico e tollerano una velocità periferica più elevata, al prezzo di una geometria più complessa e di una ricavatura più costosa. I conici Zerol stanno in mezzo, con denti curvi ma angolo di spirale zero, e condividono il comportamento assiale dei dritti. Il punto dolente comune a tutti i conici è la spinta assiale, che cambia direzione con la mano dell'ingranaggio e con il senso di rotazione, quindi la scelta del cuscinetto, il precarico e la distanza di montaggio vanno specificati insieme al grezzo. I conici sono l'unica scelta sensata quando due alberi devono incontrarsi ad angolo: differenziali automobilistici, macchine da stampa e tessili, teste angolari e tavole rotanti di macchine utensili, stadi di uscita a angolo retto dei riduttori e utensili portatili come smerigliatrici angolari e trapani ad angolo. Se i due alberi sono paralleli, i conici non sono mai la risposta giusta, per quanto compatto possa sembrare il carter sulla carta.
Messi a confronto, le quattro geometrie si ordinano in modo abbastanza prevedibile sulle dimensioni che l'acquirente confronta davvero. Sul rapporto di riduzione monostadio, il senza fine vince senza discussioni, poi il conico a spirale, poi l'elicoidale, poi il diritto, ed è per questo che il senza fine è lo standard nelle scatole compatte ad alto rapporto. Sul rendimento per stadio, il diritto e l'elicoidale guidano con circa novantasei a novantotto per cento, il conico diritto segue da vicino, e il senza fine resta indietro per l'attrito di strisciamento intrinseco tra la vite di acciaio e la ruota di bronzo. Sul rumore a parità di velocità periferica, l'elicoidale e il conico a spirale sono i più silenziosi, il senza fine è sorprendentemente silenzioso perché il contatto strisciante assorbe l'urto dente a dente, e il conico diritto e il diritto sono i più rumorosi non appena la velocità sale. Sulla spinta assiale, il diritto non ne richiede, semplificando i cuscinetti; l'elicoidale e il conico a spirale producono una spinta prevedibile che il cuscinetti deve sopportare; il senza fine esercita una forte forza di separazione su entrambi gli alberi e fa salire le dimensioni di cuscinetti e carter. Sul prezzo di acquisto, il diritto è il più economico, poi il conico diritto, poi l'elicoidale, poi il senza fine, perché la ruota del senza fine di solito è un bronzo su acciaio che aggiunge materiale e lavorazione, e la vite stessa è rettificata come filettatura di precisione. Sul controllo del giogo, il diritto e il conico diritto sono i più facili da registrare con rasamenti sulla distanza tra centri, mentre il senza fine e il conico a spirale richiedono una messa a punto più attenta perché la impronta di contatto si sposta con la posizione di montaggio. Potete leggere lo stesso confronto in modo più dettagliato negli articoli dedicati a diritto contro elicoidale e a senza fine contro conici in applicazione, poi verificare le aspettative di rendimento e manutenzione nell'approfondimento sul senza fine, e infine confermare con modulo e passo che il modulo scelto regge la coppia calcolata.
Un flusso pratico di selezione condensa tutto questo in una breve sequenza di domande. Per prima cosa: gli alberi di ingresso e di uscita sono incidenti? Se si incontrano ad angolo, quasi sempre conico, e scegliete a spirale se velocità o rumore contano, diritto se costo e bassa velocità dominano. Se gli alberi sono paralleli e il rapporto richiesto supera in un solo stadio il dieci a uno, pensate al senza fine, anche se la geometria pone gli alberi a novanta gradi, perché è l'unico caso in cui il senza fine si sceglie per il rapporto e non per la disposizione degli alberi. Se gli alberi sono paralleli, la velocità è da bassa a moderata e il rumore è accettabile, il diritto è la risposta più economica, semplice e affidabile. Se la velocità è alta, il rumore dà fastidio, oppure il carico è pesante in un involucro compatto, passate agli elicoidali, e scegliete elica doppia quando la spinta assiale su alberi lunghi e snelli è inaccettabile. Se l'applicazione deve trattenere un carico senza freno esterno, oppure richiede un rapporto oltre il venti a uno in una scatola piccola, il senza fine resta la scelta predefinita nonostante il rendimento inferiore. Alla fine del flusso restano di solito due o tre candidati, e la scelta la decide il budget rumore, la capacità termica del carter e l'obiettivo di prezzo.
Quando la geometria è stata ridotta a uno o due candidati, la consultazione al fornitore deve portare una lista breve e concreta di numeri, affinché la raccomandazione sia credibile anziché generica. Fornite la velocità di ingresso e la velocità di uscita richiesta, che fissa il rapporto e permette di verificare se un singolo stadio sia realistico. Fornite la coppia su entrambi gli alberi, e se il carico è uniforme, da urto moderato o da urto pesante, perché questo cambia il fattore di servizio e la fronte che il fornitore deve quotare. Fornite la distanza tra centri o l'involucro disponibile, perché questo vincola il diametro primitivo e spesso elimina direttamente uno dei candidati. Fornite la classe di precisione richiesta, DIN 3961, ISO 1328 o classe AGMA a seconda di ciò che il vostro cliente conosce, soprattutto se l'azionamento è di posizionamento o ad alta velocità, perché l'errore di passo si manifesta come vibrazione. Fornite il materiale e il trattamento termico preferiti, acceso bonificato, cementato, nitrurato, o addirittura plastica, oppure lasciate che sia il fornitore a proporre contro il vostro carico e il vostro ciclo. Fornite infine la quantità annua o l'ordine una tantum, perché la stessa geometria può essere ricavata con dentatura, brocciatura, rettifica, alesatura o addirittura stampa a seconda del lotto, e il costo unitario oscitta parecchio tra queste strade. Con questi sei numeri sul tavolo, il fornitore potrà confermare o contestare il tipo di ingranaggio che avevate scelto, invece di inviare un listino che finge di adattarsi a una trasmissione che nessuno ha mai realmente dimensionato.