Giunti a ingranaggi e giunti ad albero: tipi, come funzionano e selezione

Ogni macchina rotante che trasferisce potenza tra due alberi necessita di un giunto, un dispositivo meccanico che collega gli alberi, trasmette la coppia e gestisce gli inevitabili piccoli disallineamenti che si verificano nelle installazioni del mondo reale. I giunti a ingranaggi sono tra i tipi di giunti per alberi più capaci e ampiamente utilizzati, apprezzati nelle acciaierie, nelle attrezzature minerarie, nelle turbine e nelle trasmissioni industriali pesanti proprio perché combinano un'elevata capacità di coppia con una significativa tolleranza al disallineamento. Comprendere come funzionano i giunti a ingranaggi, come si confrontano con altri tipi di giunti per alberi e come selezionare il giunto giusto per una determinata applicazione è il fondamento di una solida ingegneria delle trasmissioni.

Cos'è un accoppiamento per albero?

Un giunto per albero è un componente meccanico che collega due alberi rotanti end-to-end per trasmettere coppia e movimento rotatorio da un albero motore (collegato a un motore o motore) a un albero condotto (collegato a una pompa, cambio, compressore o altro carico). Questa funzione di base, la trasmissione della coppia, è il compito principale del giunto, ma raramente funziona da solo.

In pratica, i giunti dell'albero svolgono contemporaneamente tre ruoli distinti. Innanzitutto, trasmettono coppia e potenza tra alberi che possono funzionare a velocità o carichi diversi. In secondo luogo, compensano il disallineamento dell'albero: le deviazioni angolari, parallele e assiali che si verificano tra l'albero motore e quello condotto a causa di tolleranze di produzione, dilatazione termica, cedimento delle fondazioni ed errori di assemblaggio. In terzo luogo, proteggono le apparecchiature collegate assorbendo i carichi d'urto, smorzando le vibrazioni e, in alcuni progetti, agendo come un fusibile meccanico che si guasta prima che i componenti più costosi (motori, riduttori, pompe) vengano danneggiati.

Nessun giunto d'albero soddisfa perfettamente tutti e tre i requisiti contemporaneamente. Il processo di selezione comporta sempre dei compromessi tra capacità di coppia, tolleranza al disallineamento, rigidità torsionale, requisiti di manutenzione e costi.

Le principali categorie di giunti per alberi

I giunti dell'albero si dividono in due categorie fondamentali in base al modo in cui gestiscono il disallineamento e gli urti.

Giunti rigidi collegano gli alberi con flessibilità pari a zero: trasmettono la coppia senza adattarsi al disallineamento. Ciò li rende adatti solo laddove gli alberi sono esattamente allineati e si prevede che rimangano tali, come in alcune applicazioni di pompe verticali supportate da cuscinetti. Qualsiasi disallineamento in un sistema ad accoppiamento rigido si trasmette direttamente sotto forma di sollecitazione di flessione agli alberi e ai cuscinetti collegati, accelerando l'usura e causando potenzialmente guasti precoci.

Giunti flessibili sono molto più comuni nella pratica industriale e si dividono in due famiglie. I giunti meccanicamente flessibili raggiungono la loro flessibilità attraverso elementi meccanici allentati, scorrevoli o rotanti: i giunti a ingranaggi, i giunti a catena e i giunti a griglia (molla a serpentina) rientrano tutti in questa categoria. I giunti materialmente flessibili raggiungono la flessibilità attraverso la deformazione elastica di un elemento cedevole: giunti a ganascia (ragno), giunti per pneumatici, giunti a diaframma, giunti a trave e giunti a soffietto ne sono esempi. Ogni famiglia ha caratteristiche prestazionali diverse in termini di capacità di coppia, intervallo di disallineamento, rigidità torsionale, smorzamento delle vibrazioni ed esigenze di manutenzione.

Cos'è un giunto a ingranaggi?

Un giunto a ingranaggi è un giunto per alberi meccanicamente flessibile che trasmette la coppia attraverso l'ingranamento dei denti degli ingranaggi esterni sui mozzi con i denti degli ingranaggi interni sui manicotti flangiati. La configurazione standard è composta da due mozzi, uno montato su ciascun albero, ciascuno dotato di una serie di denti coronati esterni. Questi mozzi si ingranano con due manicotti flangiati scanalati internamente che sono imbullonati insieme alle rispettive flange per formare un alloggiamento esterno rigido. La coppia fluisce dall'albero motore attraverso i denti esterni del mozzo, nei denti interni del manicotto, attraverso la connessione a flangia imbullonata e fuori attraverso il mozzo condotto e l'albero.

La flessibilità meccanica di un giunto a ingranaggi deriva interamente dal movimento di oscillazione e scorrimento dei denti coronati esterni contro i denti interni del manicotto. Quando gli alberi si discostano dal perfetto allineamento, i denti degli ingranaggi spostano la loro posizione di contatto all'interno del manicotto anziché trasmettere tale disallineamento come carico di flessione negli alberi. Questa azione di scorrimento richiede lubrificazione (grasso o olio) per prevenire l'usura delle superfici di contatto dei denti, rendendo i giunti a ingranaggi componenti a manutenzione periodica anziché progetti esenti da manutenzione.

Giunti a ingranaggi per applicazioni industriali a coppia elevata sono la scelta standard laddove la massima densità di coppia (la massima capacità di coppia rispetto al diametro del giunto) è il criterio di selezione principale, combinato con l'esigenza di gestire un significativo disallineamento dell'albero.

Denti dell'ingranaggio standard o a tamburo (coronati).

La distinzione tra denti degli ingranaggi diritti standard e denti degli ingranaggi coronati (tamburo) è fondamentale per comprendere le prestazioni dell'accoppiamento degli ingranaggi. I primi giunti a ingranaggi utilizzavano denti esterni a taglio dritto sul mozzo: denti cilindrici senza curvatura lungo la loro lunghezza. Questi trasmettono la coppia in modo efficace ma tollerano solo un disallineamento angolare molto piccolo prima che si sviluppi un carico sul bordo a contatto con il dente, concentrando lo stress su un'estremità della faccia del dente e accelerando l'usura.

I denti degli ingranaggi coronati, chiamati anche denti degli ingranaggi del tamburo, hanno un profilo convesso lungo la lunghezza del dente, con la faccia del dente curva in modo che il suo punto medio abbia un diametro leggermente maggiore rispetto ai bordi. Quando il mozzo si inclina rispetto al manicotto in caso di disallineamento angolare, il dente coronato oscilla sulla sua superficie curva e mantiene una distribuzione del contatto più uniforme su tutta la faccia anziché concentrare lo stress su un bordo. Questa geometria consente ai giunti a ingranaggi coronati di adattarsi a disallineamenti angolari significativamente maggiori – in genere fino a 1,5° per ingranaggio, rispetto alle frazioni di grado dei design a denti diritti – pur mantenendo una pressione superficiale dei denti e una durata di servizio accettabili.

Il centro della sfera del dente coronato è posizionato sull'asse dell'albero e la distanza del dente è intenzionalmente leggermente maggiore rispetto alle versioni a denti diritti. Questa combinazione di geometria e gioco è ciò che consente la maggiore capacità di spostamento angolare che rende i giunti a ingranaggi a tamburo il tipo preferito per la maggior parte delle applicazioni industriali moderne in cui il disallineamento dell'albero non può essere completamente eliminato al momento dell'installazione.

Capacità di coppia e tolleranza al disallineamento

I giunti a ingranaggi trasmettono la coppia più elevata di qualsiasi tipo di giunto flessibile per un dato diametro esterno. Questo vantaggio in termini di densità di coppia è il risultato diretto del meccanismo di innesto dei denti degli ingranaggi: più denti condividono il carico simultaneamente su un'area di contatto relativamente ampia, distribuendo lo stress in modo efficiente. Laddove un giunto a ganascia elastomerico o un giunto a trave dello stesso diametro può essere valutato a poche centinaia di Newton metri, un giunto a ingranaggi con diametro esterno identico può gestire diverse migliaia di Newton metri, un fattore di dieci o più differenza nella capacità di coppia.

La tolleranza al disallineamento nei giunti a ingranaggi copre tutti e tre i tipi di deviazione dell'albero. Disallineamento angolare — dove gli assi centrali dell'albero si intersecano ad angolo — è assecondato dall'azione oscillante dei denti coronati; i valori tipici sono compresi tra 0,5° e 1,5° per punto di flessione, con due punti di flessione per accoppiamento (uno su ciascuna interfaccia mozzo-manicotto). Spostamento assiale - dove un albero si muove lungo il proprio asse rispetto all'altro - è agevolato dallo scorrimento del mozzo all'interno del manicotto lungo le facce dei denti. Offset parallelo - dove le linee centrali dell'albero sono parallele ma spostate lateralmente - viene risolto combinando il disallineamento angolare su entrambi i punti flessibili contemporaneamente, il che significa che la capacità di offset parallelo è una funzione della capacità angolare e della distanza tra i due punti flessibili.

È importante notare che la capacità di disallineamento e l'operazione di disallineamento continuo sono cose diverse. I giunti a ingranaggi possono tollerare il disallineamento specificato senza danni, ma il funzionamento continuo al massimo disallineamento accelera l'usura dei denti e aumenta la richiesta di lubrificazione. La migliore pratica è allineare gli alberi con la massima precisione possibile e utilizzare la capacità di disallineamento del giunto come un cuscinetto per la crescita termica e un assestamento minore piuttosto che un sostituto del corretto allineamento.

Tipi di giunti a ingranaggi

Giunti a ingranaggi completi hanno denti degli ingranaggi su entrambi i mozzi, con entrambe le interfacce mozzo-manicotto che forniscono un punto flessibile. Questa è la configurazione standard e si adatta a tutti e tre i tipi di disallineamento descritti sopra. È il design più comune nelle applicazioni industriali pesanti.

Giunti a mezza marcia combina un'interfaccia flessibile mozzo-manicotto del cambio con un mozzo flangiato rigido. La metà rigida si collega a un albero con una flangia imbullonata standard, mentre la metà flessibile utilizza la normale disposizione dei denti degli ingranaggi esterni/interni. Questo design viene utilizzato quando un punto di connessione richiede un disallineamento pari a zero, ad esempio quando un albero è direttamente supportato da un cuscinetto molto vicino al giunto, mentre l'altro collegamento necessita di flessibilità.

Giunti rigidi a ingranaggi utilizzano denti a taglio dritto con tolleranze strette e sono progettati per applicazioni ad alta velocità in cui viene mantenuto un preciso allineamento dell'albero e il requisito principale è la trasmissione della coppia a slittamento zero anziché la correzione del disallineamento. Si tratta di componenti lavorati con precisione utilizzati negli azionamenti di turbine e compressori ad alta velocità.

Giunti ad ingranaggi flangiati utilizzare manicotti corti circondati da una flangia perpendicolare, con un manicotto montato su ciascun albero e le due flange imbullonate faccia a faccia. Questo design compatto è comune negli azionamenti industriali a velocità moderata dove la lunghezza complessiva dell'accoppiamento deve essere ridotta al minimo.

Tabella comparativa dei giunti dell'albero

Diversi tipi di accoppiamento si adattano a diversi requisiti operativi. Questa tabella riassume le caratteristiche chiave delle principali categorie di giunti per alberi per supportare le decisioni di selezione:

Come selezionare il giusto accoppiamento dell'albero

La selezione del giunto dell'albero segue cinque dimensioni chiave. Affrontarli sistematicamente porta alla scelta giusta per l'applicazione piuttosto che all'opzione più familiare o più disponibile.

Requisiti di coppia e potenza. Iniziare con la coppia di picco che il giunto deve trasmettere: non la coppia nominale del motore, ma il picco effettivo, compresi i picchi di avviamento, i carichi d'urto e i moltiplicatori del fattore di servizio. I giunti a ingranaggi gestiscono la massima densità di coppia. Per coppie moderate nell'uso industriale generale, giunti a catena per uso industriale generale a coppia moderata fornire un’alternativa solida ed economica. Per applicazioni con carichi d'urto ad alta capacità come frantoi e trasportatori pesanti, giunti a molla a serpentina per applicazioni con carichi d'urto ad alta capacità offrono una rigidità torsionale progressiva che assorbe l'energia dell'impatto prima che raggiunga le apparecchiature collegate.

Tipo ed entità del disallineamento. Identificare quale tipo di disallineamento è presente (angolare, parallelo, assiale o una combinazione) e quanto è grande. I giunti a ingranaggi gestiscono bene il disallineamento combinato. Per grandi spostamenti angolari tra alberi che non possono essere posizionati testa a testa, alberi cardanici per applicazioni con grandi spostamenti angolari estendere la funzione di accoppiamento su distanze e angoli significativi che i giunti convenzionali non possono coprire.

Requisiti di velocità e precisione. Le elevate velocità di rotazione richiedono un bilanciamento preciso e design di accoppiamento a basse vibrazioni. Per turbomacchine ad alta velocità e azionamenti di precisione, giunti a membrana ad alta velocità per sistemi di azionamento di precisione combinano il funzionamento esente da manutenzione con la rigidità torsionale e la qualità dell'equilibrio richieste dalle applicazioni ad alta velocità. Per i sistemi di controllo del movimento (macchine CNC, robotica, servoassi) dove il gioco zero e la precisione angolare sono essenziali, servoaccoppiamenti per il controllo del movimento senza gioco forniscono la rigidità torsionale e la precisione di posizionamento che i giunti meccanicamente flessibili non possono offrire.

Sensibilità alle vibrazioni e agli urti. Laddove le apparecchiature collegate sono sensibili alle vibrazioni torsionali o ai carichi d'urto, i giunti materialmente flessibili, in particolare i tipi di pneumatici ed elastomeri, forniscono un isolamento dalle vibrazioni che i giunti a ingranaggi e a catena non possono. Giunti flessibili for vibration damping and shock absorption coprono applicazioni in cui la protezione delle apparecchiature collegate dalle vibrazioni generate dalla trasmissione è importante quanto la trasmissione della coppia.

Accesso e ambiente per la manutenzione. I giunti a ingranaggi e i giunti a catena richiedono una lubrificazione periodica: un vincolo pratico in ambienti remoti, sigillati o pericolosi dove l’accesso per la manutenzione è limitato. I tipi di accoppiamento a membrana, a trave, a soffietto e elastomerici non richiedono manutenzione nell'ambito della loro durata di servizio prevista, il che li rende preferibili laddove la lubrificazione programmata non è praticabile. Considerare l'ambiente operativo: temperature estreme, esposizione chimica, umidità e contaminazione influiscono tutti sulla selezione del materiale di accoppiamento e sugli intervalli di manutenzione, oltre ai requisiti fondamentali di coppia e disallineamento.