Ingranaggi: tutto quello che c'è da sapere su questi pignoni

I ingranaggi Si trovano in una moltitudine di meccanismi attuali, dagli orologi analogici, ai motori dei veicoli, ai cambi, passando per robot, stampanti e molti altri sistemi meccatronici. Grazie ad essi si possono realizzare sistemi di trasmissione che vanno oltre la trasmissione del movimento, possono anche alterarlo.

Pertanto, sono elementi molto importanti che dovresti sapere come funzionano Correttamente. In questo modo, puoi utilizzare gli ingranaggi giusti per i tuoi progetti e capire meglio come funzionano ...

Che cos'è un ingranaggio?

Ci sono sistemi a catena, sistemi di pulegge, ruote di frizione, ecc. Tutti loro sistemi di trasmissione con i suoi vantaggi e svantaggi. Ma tra tutti spicca il sistema di ingranaggi, che di solito sono i preferiti per le loro proprietà:

• Possono resistere a grandi forze dovute ai loro denti senza scivolare, come può essere il caso delle ruote o delle pulegge di frizione.
• È un sistema reversibile, in grado di trasmettere potenza o movimento in entrambe le direzioni.
• Consentono un controllo del movimento molto preciso, come si può vedere nel motori passo-passo, Per esempio.
• Consentono di realizzare sistemi di trasmissione compatti contro catene o pulegge.
• Diverse dimensioni possono essere combinate per interferire con la rotazione di ciascun asse. Generalmente, quando si utilizzano due pignoni, l'ingranaggio più grande è chiamato ruota e pignone piccolo.

Un ingranaggio o ruota dentata Non è altro che un tipo di ruota con una serie di denti scolpiti sul bordo esterno o interno, a seconda del tipo di ingranaggio che è. Questi pignoni saranno in movimento rotatorio per generare coppia sugli alberi a cui sono fissati e possono essere raggruppati insieme per generare sistemi di ingranaggi più complessi, adattando i loro denti.

Ovviamente, perché ciò sia possibile, il tipo e la dimensione dei denti deve combaciare. Altrimenti saranno incompatibili e non si adatterebbero. Questi parametri sono quelli discussi nella prossima sezione ...

Parti di un ingranaggio

Affinché due ingranaggi possano combaciare, il diametro e il numero di denti possono essere variati, ma devono rispettare una serie di fattori che sono ciò che rende l'ingranaggio essere compatibili tra loro, come il tipo di dente che usano, le dimensioni, ecc.

Come puoi vedere nell'immagine precedente, ci sono diverse parti in una marcia dovresti sapere:

• Setto o braccia: è la parte che si occupa di unire la corona e il cubo per trasmettere il movimento. Possono essere più o meno spessi e la sua composizione e forza dipenderanno in gran parte dalla forza e dal peso. A volte vengono solitamente forati per ridurre il peso, altre volte viene scelta una partizione solida.
• cubo: è la parte dove è fissato l'albero di trasmissione del movimento e che è fissato al tramezzo.
• Corona: è l'area dell'ingranaggio in cui sono stati tagliati i denti. È il più importante, poiché la compatibilità, il comportamento e le prestazioni dell'attrezzatura dipenderanno da esso.
• Dente: è uno dei denti o sporgenze della corona. Il dente può essere suddiviso in più parti:
  • cresta: è la parte esterna o punta del dente.
  • Viso e fianco: è la parte superiore ed inferiore del fianco del dente, cioè la superficie di contatto tra due ruote dentate che ingranano.
  • Valle: è la parte inferiore del dente o zona intermedia tra due denti, dove sarà alloggiata la cresta di un'altra ruota dentata con cui ingrana.

Tutto questo genera una serie di geometrie della corona che distinguerà i tipi e le proprietà degli ingranaggi:

• Circonferenza della radice: segna la valle o il fondo dei denti. Cioè, delimita il diametro interno dell'ingranaggio.
• Circonferenza primitiva: stabilisce la divisione tra le due parti del lato del dente: faccia e fianco. È un parametro molto importante, poiché tutti gli altri sono definiti in base ad esso. Dividerà il dente in due parti, il dedendum e l'addendum.
  • Piede del dente o dedendum: è la zona inferiore del dente che si trova tra la circonferenza originale e la circonferenza della radice.
  • Testa del dente o addendum: zona superiore del dente, che va dalla circonferenza originaria a quella esterna.
• Circonferenza della testa- segnerà la cresta dei denti, cioè il diametro esterno dell'ingranaggio.

Come puoi immaginare, a seconda della corona, del diametro e dei tipi di denti, puoi cambiare marcia secondo:

• Numero di denti: definirà il rapporto di trasmissione ed è uno dei parametri più determinanti per determinarne il comportamento in un sistema di trasmissione.
• Altezza del dente: l'altezza totale, dalla valle alla cresta.
• Passo circolare: distanza tra una parte del dente e la stessa parte del dente successivo. Cioè, quanto sono distanti i denti, che è anche correlato al numero.
• spessore: è lo spessore dell'ingranaggio.

Applicazioni per ingranaggi

Le applicazioni di ingranaggi ce ne sono molti, come ho già commentato in precedenza. Alcune delle sue applicazioni pratiche sono:

• Cambi di veicoli.
• Motori passo-passo per il controllo della rotazione.
• Bombe idrauliche.
• Motori di tutti i tipi, come elementi rotanti o di trasmissione del movimento.
• Meccanismi differenziali.
• Stampanti per spostare le testine oi rulli.
• Robot per parti in movimento.
• Macchinario industriale.
• Orologi analogici.
• Elettrodomestici con parti meccaniche.
• Dispositivi elettronici con parti in movimento.
• Motori apertura porte.
• Giocattoli mobili.
• Macchinari agricoli.
• Aeronautica.
• Produzione di energia (eolica, termica, ...).
• ecc.

Puoi pensare a una moltitudine di altre applicazioni per i tuoi progetti con Arduino, robot, ecc. Puoi automatizzare molti meccanismi e giocare con le velocità, ecc.

Tipi di ingranaggi

In base ai suoi denti e alle caratteristiche dell'ingranaggio stesso, hai diversi tipi di ingranaggi a portata di mano, ognuno con i suoi vantaggi e svantaggi, quindi è importante scegliere quello giusto per ogni applicazione.

I tipi più comuni sono:

• Cilindrico: sono usati per assi paralleli.
  • dritto: sono i più comuni, utilizzati quando è necessaria una marcia semplice con velocità non molto elevate.
  • Elicoidale: sono una versione un po' più avanzata delle precedenti. In essi i denti sono disposti in percorsi di elica paralleli attorno ad un cilindro (singolo o doppio). Hanno un chiaro vantaggio rispetto alle linee rette, ad esempio sono più silenziosi, funzionano a velocità più elevate, possono trasmettere più potenza e hanno un movimento più uniforme e sicuro.
• Conico: servono per trasmettere il movimento tra assi posti ad angoli diversi, anche a 90°.
  • dritto: utilizzano denti diritti e condividono caratteristiche con quelli cilindrici diritti.
  • spirale: in questo caso supportano velocità e forze maggiori, come accadeva alle elicoidali.
• Ingranaggio interno: invece di avere i denti o la corona scolpiti all'esterno, lo hanno all'interno. Non sono così comuni, ma vengono utilizzati anche per determinate applicazioni.
• Planetari: è un insieme di ingranaggi utilizzati in alcuni sistemi di trasmissione dove è presente un ingranaggio centrale attorno al quale ruotano altri più piccoli. Ecco perché ha quel nome, dal momento che sembrano orbitare.
• Vite senza fine: è un ingranaggio comune in alcuni meccanismi industriali o elettronici. Utilizza un ingranaggio i cui denti sono tagliati a forma di spirale. Generano una velocità molto costante e senza vibrazioni o rumore. Possono trasmettere ad una ruota dentata dritta il cui asse è obliquo alla vite senza fine.
• Cremagliera e pignone: è un insieme di ingranaggi che è comune anche ad alcuni meccanismi e che permette di trasformare un movimento rotatorio di un asse in un movimento lineare o viceversa.

Se ti occupi di La sua composizione, puoi anche distinguere tra materiali come:

• MetalliDi solito sono realizzati con diversi tipi di acciaio, leghe di rame, leghe di alluminio, ghisa o ghisa grigia, leghe di magnesio, ecc.
• Plastica: sono utilizzati in elettronica, giocattoli, ecc. Sono ingranaggi in policarbonato, poliammide o PVC, resine acetaliche, polietereterchetone PEEK, politetrafluoroetilene (PTFE) e polimeri a cristalli liquidi (LCP).
• legno: non sono comuni, solo nei vecchi meccanismi o in certi giocattoli.
• Altro: è probabile che per casi molto specifici vengano utilizzate altre fibre o materiali specifici.

Dove acquistare gli ingranaggi?

Puoi trova diversi tipi di ingranaggi in molti negozi di meccanica o elettronica. Ad esempio, ecco alcuni esempi:

• Kit motoriduttore in plastica. Con 64 diversi tipi.
• Nessun prodotto trovato.
• Kit di 16 diverse parti metalliche, comprese le eliche.
• Kit ingranaggio mandrino in plastica.

Questi prodotti sono di piccole dimensioni, se hai bisogno di ingranaggi più grandi è probabile che non li troverai così facilmente. Inoltre, se hai bisogno di qualcosa di molto specifico, molti laboratori di tornitura possono fallo per te. I Stampanti 3D Stanno anche aiutando i produttori a creare i propri ingranaggi.

Calcoli di base per i sistemi di pignoni

Come puoi vedere in questa GIF, devi capire che quando due ingranaggi si ingranano, entrambi gli assi ruoterà nella direzione opposta e non nello stesso senso. Come puoi vedere, se guardi la ruta rossa frastagliata sta girando a destra, mentre quella blu sta girando a sinistra.

Così, affinché un asse ruoti nella stessa direzione sarebbe necessario aggiungere un'altra ruota aggiuntiva, come quella verde. In questo modo, il rosso e il verde ruotano nella stessa direzione. Questo perché, poiché il blu ruota a sinistra, quando si innesta il blu-verde, il verde invertirà nuovamente il senso di rotazione, sincronizzandosi con il rosso.

Un'altra cosa che può essere apprezzata in quella GIF è velocità di svolta. Se tutti gli ingranaggi avessero lo stesso diametro e numero di denti, tutti gli alberi ruoterebbero alla stessa velocità. Al contrario, quando viene modificato il numero/diametro del dente, viene modificata anche la velocità. Come puoi vedere in questo caso, il rosso è quello che gira più velocemente, in quanto ha un diametro più piccolo, mentre il blu gira a una velocità media e il verde è quello che gira più lentamente.

In risposta a ciò, si può pensare che giocando con le taglie si possano alterare le velocità. Hai ragione, così come una bicicletta può farlo con le marce o il cambio lo fa con le marce di un'auto. E non solo, puoi anche fare calcoli sulla velocità di svolta.

Quando hai due ingranaggi ingranati, uno piccolo (pignone) e un altro grande (ruota), potrebbe verificarsi quanto segue:

• Se immaginiamo che il motore o la trazione sia applicato al pignone e la ruota sia condotta, sebbene il pignone ruoti ad alta velocità, avendo una ruota più grande, lo rallenterà, fungendo da riduttore. Solo se fossero della stessa dimensione (pignone = ruota) entrambi gli assi ruoterebbero alla stessa velocità.
• Se invece immaginiamo che sia la ruota ad avere la trazione e si applica una velocità, anche se bassa, il pignone girerà più velocemente, poiché le sue piccole dimensioni fungono da moltiplicatore.

Calcoli della trasmissione ad ingranaggi

Una volta compreso questo, si possono eseguire i calcoli di un semplice sistema di trasmissione tra due ingranaggi applicando la formula:

N1 Z1 = N2 Z2

Dove Z è il numero di denti degli ingranaggi 1 e 2 che sono ingranati e N è la velocità di rotazione degli alberi in RPM (giri al minuto o giri al minuto). Per ejemplo, immagina che nella GIF sopra, per semplificare:

• Rosso (motore) = 4 denti e il motore sta applicando una velocità di rotazione al suo albero di 7 giri/min.
• Blu = 8 denti
• Verde = 16 denti

Se vuoi calcolare la svolta in questo sistema, devi prima calcolare la velocità del blu:

4 7 = 8 z

z = 4 7/8

z = 3.5 giri/min

Cioè, l'albero blu girerebbe a 3.5 giri/min, un po' più lentamente dei 4 giri/min di quello rosso. Se volessi calcolare il giro del verde, ora che conosci la velocità del blu:

8 3.5 = 16 z

z = 8 3.5/16

z = 1.75

Come puoi vedere, il verde girerebbe a 1.75 giri/min, che è più lento del blu e del verde. E cosa accadrebbe se il motore si trova sull'asse verde e la ruota motrice gira a 4 giri/min, la rotazione sarebbe di 8 giri/min per il blu, 16 giri/min per il rosso.

Ne consegue che quando la ruota motrice è piccola si ottiene una velocità inferiore sull'albero finale, ma una forza maggiore. Nel caso in cui sia la ruota grande a portare la trazione, la ruota piccola raggiunge una maggiore velocità, ma meno forza. Perché c'è potenze o coppia diverso? Guarda questa formula:

P = T ω

Dove P è la potenza trasmessa dall'albero in watt (W), T è la coppia sviluppata (Nm), ω la velocità angolare alla quale ruota l'albero (rad/i). Se si mantiene la potenza del motore e si moltiplica o si riduce la velocità di rotazione, allora si altera anche T. Lo stesso accade se si mantiene T costante e si varia la velocità, allora si altera P.

Probabilmente vorrai anche calcolare se un asse ruota a X RPM, quanto avanzerebbe linearmente, cioè il velocità lineare. Ad esempio, immagina che in quella rossa hai un motore a corrente continua e sull'asse verde hai posizionato una ruota in modo che un motore viaggi su una superficie. Quanto velocemente andrebbe?

Per fare ciò, devi solo calcolare la circonferenza del pneumatico che hai installato. Per fare questo, moltiplica il diametro per Pi e ti darà la circonferenza. Sapendo cosa può avanzare la ruota ad ogni giro e tenendo conto di cosa gira ogni minuto, si può ottenere la velocità lineare ...

Qui ti mostro un video così puoi capirlo meglio:

Calcoli per vite senza fine e pignone

Da ingranaggio a vite senza fine e pignone, si calcola con la formula:

io = 1 / Z

Questo perché la vite è considerata in questo sistema come una ruota dentata a dente singolo che è stata tagliata elicoidalmente. Quindi, se hai un pignone da 60 denti, ad esempio, allora sarà 1/60 (questo significa che la vite dovrebbe girare 60 volte affinché il pignone completi 1 giro). Inoltre, è un meccanismo non reversibile come gli altri, cioè il pignone non può essere ruotato in modo che ruoti la vite senza fine, solo il verme può essere l'albero di trasmissione qui.

Calcoli pignone e cremagliera

Per il sistema Pignone e cremagliera, i calcoli cambiano ancora, in questo caso sono:

V = (p  · Z  · N) / 60

Cioè, moltiplicare il passo dei denti del pignone (in metri), per il numero di denti del pignone e per il numero di giri del pignone (in giri/min). E questo è diviso per 60. Ad esempio, immagina di avere un sistema con un pignone da 30 denti, un passo di 0.025 m e una velocità di rotazione di 40 giri/min:

V = (0.025) / 30

V = 0.5 m/s

Cioè, avanzerebbe mezzo metro ogni secondo. E, in questo caso, si è reversibileCioè, se la cremagliera viene spostata longitudinalmente, il pignone può essere fatto ruotare.

Potresti anche calcolare quanto tempo impiegheresti per percorrere una distanza tenendo conto della formula per movimento della linea uniforme (v = d / t), ovvero se la velocità è uguale alla distanza divisa per il tempo, il tempo viene azzerato:

t = d / v

Pertanto, conoscendo già la velocità e la distanza che si desidera calcolare, ad esempio, immagina di voler calcolare quanto tempo impiegherebbe per percorrere 1 metro:

t = 1 / 0.5

t = 2 secondi

Spero di averti aiutato ad acquisire almeno le conoscenze più essenziali sugli ingranaggi, in modo che tu capisca come funzionano e come puoi utilizzarli a tuo vantaggio nei tuoi progetti futuri.