Che cos'è un sistema catena e pignone e come funziona?

Un produttore taiwanese di macchinari per l'imballaggio è passato da una trasmissione a cinghia a una sistema di catena a rulli e pignone sulla loro nuova linea di sigillatura delle scatole nel 2023. La decisione è stata dettata da un unico requisito: il sistema di azionamento doveva mantenere una fasatura precisa con una variazione di carico di 4:1 tra scatole vuote e piene. Il sistema di azionamento a cinghia che avevano testato mostrava una variazione di velocità di 1,5–2% sotto carico, accettabile per molte applicazioni ma non per una stazione di applicazione della colla dove la precisione della fasatura influisce direttamente sulla qualità della sigillatura. Il sistema di azionamento a catena, una volta dimensionato correttamente, funzionava a velocità costante indipendentemente dalla variazione di carico. Non si tratta di un'affermazione di marketing, ma di una conseguenza del funzionamento di un sistema di azionamento a innesto positivo.

Capire cosa sia un sistema catena e pignone In realtà, dal punto di vista meccanico e non solo descrittivo, fa la differenza tra selezionare il componente corretto al primo tentativo e passare tre mesi a risolvere i problemi di un'unità che non era mai stata adatta all'applicazione.

Come funziona un sistema catena e pignone

La trasmissione a catena e pignone è un sistema di trasmissione meccanica a innesto positivo. Per "innesto positivo" si intende che i denti della catena si incastrano fisicamente con quelli del pignone: non vi è slittamento, né scorrimento lento, né variazione di velocità causata dalle fluttuazioni del carico. Questo la distingue dalle trasmissioni a frizione, come le cinghie trapezoidali e le cinghie piatte, dove un aumento del carico provoca lo scorrimento lento della cinghia sulla superficie della puleggia, con conseguente riduzione proporzionale della velocità sull'albero condotto.

Il sistema è costituito, come minimo, da una ruota motrice (montata sull'albero di ingresso della potenza), una ruota condotta (montata sull'albero di uscita) e un catena a rulli collegandoli. Il pignone motore converte la coppia rotazionale in una forza di trazione lineare sul lato teso della catena. La catena trasmette questa forza lineare al pignone condotto, dove viene riconvertita in coppia rotazionale sull'albero di uscita. Il rapporto tra i due alberi – il loro rapporto di velocità e il loro rapporto di coppia – è determinato interamente dal rapporto tra il numero di denti dei pignoni.

La formula del rapporto di trasmissione è semplice e vale la pena comprenderla proprio perché influenza ogni decisione progettuale in una trasmissione a catena:

Se la ruota motrice ha 19 denti e la ruota condotta ne ha 57, il rapporto di trasmissione è 3:1. L'albero di uscita ruota a un terzo della velocità dell'albero di ingresso e la coppia in uscita (prima delle perdite di trasmissione) è tre volte la coppia in ingresso. Questa relazione si mantiene esatta a tutti i carichi, senza slittamenti, ed è proprio questo che rende la catena e la ruota dentata la scelta ideale per qualsiasi applicazione in cui sia richiesto un rapporto di velocità preciso o la sincronizzazione.

Come la catena si innesta sul pignone: il meccanismo nel dettaglio.

Il processo di innesto è meno semplice di quanto sembri. Quando la catena si avvicina al pignone di trasmissione, ogni rullo in arrivo non scorre in modo uniforme nella base del dente, ma arriva con un'angolazione e si incastra nella curva di appoggio con una piccola velocità d'impatto. Questo impatto è ciò che genera il rumore caratteristico di una trasmissione a catena ed è responsabile di una parte del carico di fatica sul rullo e sul dente del pignone.

La forma del dente ANSI B29.1 è progettata per minimizzare questo impatto, consentendo al rullo di entrare inizialmente in contatto con la superficie del dente leggermente al di sopra della curva di appoggio, per poi rotolare verso la base man mano che l'angolo di avvolgimento della catena aumenta. Questa geometria di rotolamento verso la base distribuisce il carico di innesto sui primi 15-20 gradi di rotazione del pignone, riducendo la forza d'impatto di picco rispetto a una catena che si inserisce direttamente nella base.

L'effetto poligonale è la caratteristica dinamica più importante che acquirenti e progettisti tendono a fraintendere. Poiché la catena è composta da maglie rigide di lunghezza passiva discreta, il lato teso della catena non si muove in linea retta, ma si sposta lungo una serie di piccole corde man mano che ogni maglia si innesta sulla ruota dentata. Questo produce una variazione di velocità sinusoidale nell'albero condotto anche quando l'albero motore ruota a velocità perfettamente costante. L'ampiezza di questa variazione di velocità dipende dal numero di denti della ruota dentata:

Opzioni di configurazione della trasmissione a catena: monofilamento, multifilamento e doppio passo.

Quando una catena di trasmissione a singolo filo raggiunge il limite massimo di potenza nominale dichiarato per una data velocità, le due opzioni sono aumentare il passo della catena (passando alla misura ANSI successiva) o aggiungere un secondo filo (catena duplex). Queste non sono scelte equivalenti: hanno effetti diversi sul sistema di trasmissione.

L'aumento del passo incrementa il carico di rottura minimo e la resistenza a fatica della catena, ma aumenta anche l'effetto poligonale per un dato numero di denti e richiede la sostituzione delle ruote dentate. Il passaggio da una catena #60 a una #80 su una ruota dentata motrice a 19 denti aumenta la variazione di velocità da 1,74% a 1,74% (invariata, perché è il numero di denti a determinarla, non il passo), ma la catena con passo maggiore richiede ruote dentate più grandi per mantenere lo stesso rapporto di velocità, il che aumenta il diametro esterno del sistema di trasmissione e può creare problemi di spazio.

L'aggiunta di una seconda fila di denti (da simplex a duplex) raddoppia il carico di lavoro nominale senza modificare il passo o il diametro esterno della ruota dentata. Le ruote dentate devono essere sostituite con versioni duplex (stesso cerchio primitivo, larghezza del dente doppia), ma i centri degli alberi rimangono invariati e l'ingombro di installazione non cambia. Per le trasmissioni in cui l'aumento del diametro della ruota dentata non è fattibile, a causa di vincoli geometrici del telaio o di spazi di ingombro delle protezioni, l'aggiornamento duplex è in genere l'opzione migliore.

catena a doppio passo La catena a doppio passo è un concetto diverso dalla catena duplex e viene spesso confusa con essa. La catena a doppio passo ha lo stesso diametro dei rulli e la stessa larghezza delle maglie interne della sua equivalente catena a passo standard: è la spaziatura delle maglie ad essere raddoppiata. La norma ANSI #2060 (equivalente a doppio passo della #60) ha un passo di 38,10 mm invece di 19,05 mm, ma utilizza gli stessi rulli da 11,91 mm della #60 standard. La catena a doppio passo è utilizzata esclusivamente per azionamenti di nastri trasportatori a bassa velocità: pesa meno e costa meno al metro rispetto alla catena standard a parità di diametro dei rulli, ma non può essere utilizzata a velocità superiori a circa 100 metri al minuto senza un eccessivo effetto poligonale e rumore. L'utilizzo di una catena a doppio passo su un azionamento ad alta velocità rappresenta un problema di manutenzione, non un risparmio sui costi.

Quando i sistemi a pignone e catena sono la scelta giusta

Macchine agricole. Le trasmissioni a catena sono predominanti nelle mietitrebbie, nelle trebbiatrici per riso e nelle seminatrici per una serie di motivi: resistono ai carichi d'urto derivanti da un'alimentazione irregolare del materiale vegetale, mantengono una sincronizzazione precisa tra i sistemi di alimentazione, trebbiatura e separazione e funzionano in modo affidabile in condizioni polverose, umide e abrasive che deteriorerebbero rapidamente le superfici delle cinghie. Catena a rulli con passi conformi agli standard ANSI e ISO. Costituisce la spina dorsale della maggior parte dei sistemi di trasmissione delle macchine agricole coreane, dalle catene di alimentazione #40 ai sistemi di azionamento per elevatori a passo largo #100.

Nastri trasportatori industriali e movimentazione materiali. I sistemi di trasmissione a catena dei trasportatori devono mantenere una velocità costante della catena durante la movimentazione di carichi variabili: un requisito che la catena gestisce meglio rispetto alla cinghia grazie alla sua caratteristica di slittamento zero. Le catene di classe Engineer utilizzate nei trasportatori a trascinamento, negli elevatori a tazze e nei trasportatori a raschiatore trasportano carichi che supererebbero il carico di rottura nominale di qualsiasi catena a rulli standard, grazie a diametri del cilindro e spessori delle lame appositamente progettati per fornire un fattore di sicurezza di 5:1 ai carichi operativi nominali.

Guida di motociclette e veicoli per sport motoristici. IL sistema catena e pignone per motocicletta La catena è una delle applicazioni di trasmissione a catena più critiche in termini di prestazioni e che richiede una manutenzione costante. La catena deve trasmettere la coppia massima del motore sotto carichi di accelerazione dinamici, pesando il meno possibile e resistendo alla contaminazione stradale. Le designazioni di passo 520, 530 e 630 indicano la larghezza interna, non il passo, nella nomenclatura delle catene per motociclette (il passo effettivo per tutte e tre è di 5/8 di pollice, ovvero 15,875 mm). La corretta interpretazione di questi numeri previene ordini di sostituzione errati.

Linee di automazione e confezionamento. I sistemi di indicizzazione della catena azionati da servomotori richiedono pignoni con un numero minimo di denti pari o superiore a 21 per ridurre l'ondulazione della velocità dovuta all'effetto poligonale al di sotto della tolleranza di feedback del servocontrollore. Pignoni con foro standard e foro finito In alluminio o acciaio al carbonio, offrono la combinazione di inerzia rotazionale ridotta e precisione dimensionale necessaria ai sistemi di azionamento servoassistiti.

Sistemi a catena e pignone in applicazioni agricole: dove sono richiesti simultaneamente innesto preciso, resistenza agli urti e fasatura affidabile sotto carichi variabili.

Scelta della trasmissione a catena e pignone: il metodo in quattro fasi

La norma ANSI B29.1 fornisce una tabella grafica di potenza nominale che associa qualsiasi combinazione di potenza di progetto e velocità del pignone più piccolo a un passo della catena raccomandato. Il processo funziona come segue:

1. Determinare la potenza di progetto. Partite dalla potenza nominale del motore e moltiplicatela per il fattore di servizio relativo al tipo di carico: 1,0 per carico uniforme (compressori, pompe centrifughe), 1,3 per carichi moderati (nastri trasportatori con alimentazione non uniforme, miscelatori) e 1,7 per carichi pesanti (presse, elevatori a tazze, frantoi). La potenza di progetto è sempre superiore alla potenza nominale del motore: questo è voluto.
2. Seleziona il passo della catena dalla tabella di valutazione. Utilizzando la potenza di progetto e la velocità del pignone più piccolo (RPM dell'albero più veloce), individuare il punto di intersezione sulla tabella di potenza ANSI. La regione in cui si trova questo punto indica il passo della catena consigliato. Se il punto si trova vicino al confine tra due zone di passo, è preferibile scegliere il passo più piccolo con più fili rispetto al passo più grande con un solo filo.
3. Scegliere il numero di denti della ruota dentata. La ruota dentata più piccola deve avere un minimo di 17 denti. Il rapporto tra il numero di denti determina il rapporto di velocità. Per un funzionamento più fluido, utilizzare un numero dispari di denti su una delle ruote dentate, in modo che ogni dente entri in contatto con un rullo diverso a ogni giro, distribuendo l'usura in modo più uniforme sui denti della ruota dentata.
4. Impostare la distanza tra i centri e la lunghezza della catena. La distanza tra gli assi consigliata è pari a 30-50 volte il passo della catena per la maggior parte delle trasmissioni standard, con un minimo di 1,5 volte il diametro primitivo del pignone più grande. La lunghezza della catena in maglie si calcola a partire dalla distanza tra gli assi, dai due diametri primitivi dei pignoni e dal passo della catena. Il risultato deve essere arrotondato a un numero pari di maglie per consentire l'utilizzo di una maglia di collegamento standard: le mezze maglie (maglie sfalsate) sono più deboli delle maglie intere e dovrebbero essere evitate in applicazioni con carichi elevati.

Domande frequenti