Esempi di meccanismi e componenti meccanici Cuscinetti Figura 1 - cuscinetto di strisciamento In questo tipo di cuscinetto il flusso di olio lubrificante è garantito dalla presenza dell anello centrale (oil ring) che trasporta l olio dal fondo del cuscinetto alla parte superiore del perno. Questo tipo di lubrificazione è efficacie in molte applicazioni. Figura 2 - sezione di un cuscinetto a sfere
Figura 3 - classificazione dimensionale dei cuscinetti volventi Figura 4 Lubrificazione ad olio dei cuscinetti volventi Nella figura sono illustrati tre esempi di lubrificazione ad olio dei cuscinetti volventi: nella figura di sinistra la lubrificazione a goccia d olio è assicurata per caduta, mentre nella figura centrale la lubrificazione è realizzata attraverso uno stoppino e avviene ancora per caduta. In questi casi è necessario predisporre uno sfiatatore e un serbatoio di raccolta dell olio in eccesso. Nella figura di destra è invece mostrata la lubrificazione con serbatoi d olio a livello. Tutti questi sistemi sono applicabili solamente ad alberi orizzontali. Figura 5 - esempio di montaggio di due cuscinetti volventi radiali La figura mostra una ruota dentata calettata su di un albero a sua volta montato su due cuscinetti volventi radiali. I cuscinetti radiali possono comunque sopportare anche carichi assiali; in questa soluzione costruttiva in particolare il cuscinetto di sinistra può sopportare carichi diretti in entrambe le direzioni, mentre il cuscinetto di destra è libero di scorrere assialmente e non viene dunque sollecitato in senso assiale. -2/16-
Figura 6 esempio di montaggio di un cuscinetto assiale in combinazione con un cuscinetto radiale Quando in una scatola si montano un cuscinetto assiale (in basso) in combinazione con uno radiale (in alto), è opportuno lasciare una piccola luce tra l anello del cuscinetto radiale e il coperchio della scatola (G, in alto a sinistra) in quanto il cuscinetto radiale può subire dei piccoli spostamenti in direzione assiale. In questo caso i cuscinetti montati sono di tipo orientabile, è allora opportuno far coincidere il centro di oscillazione O di entrambi i cuscinetti. Figura 7 combinazione di coppia rotoidale e prismatica realizzata con corpi volventi Questa coppia cinematica permette di realizzate contemporaneamente un moto traslatorio e un moto rotatorio tra gli elementi accoppiati. Al fine di ridurre gli attriti, si utilizza un numero elevato di sfere tenute insieme da una boccola. Questo tipo di coppie cinematiche trova applicazione soprattutto in robotica. -3/16-
Cinghie Figura 8 dimensioni unificate delle cinghie trapeziodali e diagramma delle potenze trasmissibili A sinistra sono mostrate la designazione e le dimensioni standardizzate per diversi tipi di cinghie trapezioidali. A destra è mostrata la potenza trasmissibile da una cinghia, al variare della velocità angolare e del diametro della puleggia di diametro inferiore. Si osservi che a basse velocità la coppia trasmessa è pressoché costante e la potenza trasmessa cresce linearmente con la velocità, mentre al di sopra di una certa velocità la forza centrifuga determina una drastica riduzione della coppia e della potenza trasmissibile. Figura 9 - cinghie multiple Questa soluzione costruttiva è comunemente adottata per trasmettere potenze elevate Figura 10 - tensionatori per cinghie In alto, tensionatore con regolazione manuale. In basso, a sinistra il gruppo motore è oscillante rispetto ad un perno ad asse orizzontale, a destra il tensionamento è assicurato da un peso ausiliario oscillante. -4/16-
Ruote dentate Figura 11 - ruote dentate a denti elicoidali La ruota di sinistra è utilizzata nella trasmissione del moto tra assi paralleli: la doppia elica consente di annullare la spinta assiale sui supporti. A destra è mostrata un applicazione delle ruote dentate elicoidali per la trasmissione del moto tra assi non ortogonali. Figura 12 - ruote dentate coniche Per la trasmissione del moto tra assi non paralleli si utilizzano prevalentemente ruote coniche. a) e b) trasmissione tra assi ortogonali con ruote a dentatura diritta c) trasmissione tramite ruote con dentatura a spirale; d) trasmissione tra assi concorrenti non perpendicolari; e) trasmissione tra assi ortogonali non concorrenti tramite ruote con dentatura ad ipoide. -5/16-
Figura 13 - riduttore a vite I riduttori a vite sono utilizzati per realizzare rapporti di riduzione elevati. Questi meccanismi sono inoltre irreversibili, proprietà richiesta in molte applicazioni. Si noti che nella scatola del riduttore sono ricavate numerose alette, che hanno lo scopo di favorire lo smaltimento del calore. Figura 14 - differenziale automobilistico -6/16-
Figura 15 - compressore Root Questo compressore volumetrico è costituito due ruote uguali aventi dentatura a profilo cicloidale. Poiché con solo due denti non è possibile garantire la continuità del moto, questo è assicurato da una seconda coppia di ruote dentate, aventi profilo ad evolvente e con un numero adeguato di denti. Giunti Figura 16 - giunto a collare elastico Questo giunto è dotato di un collare in gomma con anima tessile, fissato alle flange dei due mezzi giunti per mezzo di un collare chiuso tramite bulloni. Questo giunto consente forti disassamenti, spostamenti assiali e inclinazioni tra gli assi. Inoltre, isola elettricamente una albero dall altro. -7/16-
Figura 17 - giunto elastico Rotex Questo giunto è formato da due flange alettate dotate di con sedi concave. Tra le due flange viene interposto un disco elastico con denti ad evolvente, opportunamente bombati. Questo giunto è dotato di scarsa deformabilità torsionale, ma è molto compatto e e resistente. Figura 18 - giunto omocinetico Rzeppa In questo giunto le sfere sono sostenute da una gabbia (come nei cuscinetti volventi) e sono vincolate a scorrere all interno di canali formati da una gola ricavata in un semigiunto e da una gola affacciata ricavata nell altro semigiunto. Le gole sono sagomate in maniera tale che, variando l angolo formato dagli assi di rotazione dei due alberi, la corona di sfere si dispone comunque nel piano bisettore, garantendo in questa maniera l omocineticità della trasmissione. Figura 19 - giunto elastico Steelflex a lamelle Grazie alla elevata resistenza agli urti della molla in acciaio al cromo-vanadio, questo giunto consente un forte disallineamento parallelo o angolare e anche un gioco assiale tra albero motore e albero condotto. In condizioni di basso carico, le lamelle si appoggiano solo alla base della dentatura e la distanza tra i punti di contatto è massima, cosicché la flessibilità del giunto è massima. Al crescere del momento torcente trasmesso o in presenza di urti, l area di appoggio delle lamelle aumenta, riducendo la lunghezza di flessione della lamella e quindi la flessibilità stessa del giunto. -8/16-
Freni e frizioni Figura 20 - freno a tamburo Nella figura è mostrato un freno a tamburo per uso automobilistico. Il freno viene azionato tramite i due cilibdri idraulici, mentre le molle servono a richiamare i ceppi quando cessa la frenata. I due ceppi sono disposti in maniera simmetrica, in modo non sollecitare radialmente l albero su cui è calettata la ruota, inoltre la loro disposizione è tale che entrambi sono autoavvolgenti e quindi amplificano la forza frenante esercitata dal guidatore. Figura 21 - freno a disco Anche questo freno a disco è impiegato nell industria automobilistica. L azionamento è ovviamente idraulico, si notino le feritoie presenti nei dischi: durante la rotazione si crea un flusso dell aria anche all interno del disco e ciò favorisce lo smaltimento del calore. -9/16-
Questa figura mostra in dettaglio la realizzazione di una frizione monodisco per uso automobilistico. L albero motore è posto a sinistra e ad esso è fissato il volano. Quest ultimo viene utilizzato anche come superficie di contatto con il disco di materiale antifrizione, solidale al disco della frizione. In condizioni normali di esercizio, il disco della frizione viene tenuto premuto contro il volano da una serie di molle disposte sulla circonferenza del disco stesso. Per disinnestare la frizione è necessario premere l apposita leva che, contrastando le molle, separa il disco della frizione dal volano. Dato il gruppo frizione ruota, mentre il meccanismo di disinnesto è solidale al telaio, la leva di disinnesto viene premuta interponendo tra di essa e il meccanismo di disinnesto un cuscinetto di strisciamento. Figura 22 - frizione monodisco Figura 23 - frizione multidisco In una frizione multidisco i dischi indicati con b sono sono calettati sull albero condotto per mezzo di un profilo scanalato, che permette ai dischi di spostarsi assialmente sull albero, ma non di ruotare attorno ad esso. In altre parole, i dischi possono tramettere all albero una coppia torcente, ma non una forza assiale. In maniera analoga, i dischi indicati con a sono calattati sull albero motore, ma il disco più a sinistra è vincolato rigidamente all albero motore. I dischi vengono premuti tra loro grazie all olio in pressione contenuto nella camera anulare. In questo caso vi sono ben 6 superfici di frizione, dunque (a parità di forza assiale) è possibile trasmettere una coppia 6 volte più elevata rispetto ad una frizione monodisco. -10/16-
Catene Figura 24 - particolari costruttivi di una catena Figura 25 - catene silenziose Per ridurre la rumorosità delle trasmissioni a catena, si possono profilare i denti delle ruote e delle catene in maniera che la fase di innesto di una maglia sul dente avvenga nella maniera il più possibile graduale. -11/16-
Esempi di meccanismi articolati Figura 26 finestra Figura 27 forbice Figura 28 pinza -12/16-
Figura 29 - irrigatore Figura 30 - pressa per taglio Figura 31 meccanismo per imballaggio -13/16-
questo Figura 32 attrezzatura per test di usura Figura 33 - pressa Figura 34 - macchine per movimento terra -14/16-
Figura 35 macchina per assemblaggi a due gradi di libertà In questa macchina un singolo motore elettrico aziona in maniera sincronizzata i due alberi di comando della macchina stessa. Figura 36 - manipolatore a sei gradi di libertà La figura mostra un robot industriale a sei gradi di libertà, tutti di tipo rotazionale. I primi tre gradi di libertà permettono di posizionare in maniera arbitraria il polso del robot, ovviamente rimanendo all interno dello spazio di lavoro. I tre gradi di libertà del polso (4=beccheggio, 5=imbardata, 6=rollio) permettono invece di orientare il polso stesso in qualsiasi direzione. Nelle applicazioni industriali spesso è sufficiente un numero di gradi di libertà inferiori a sei, ma a volte si utilizzano robot con un numero di gradi di libertà ancora superiori: in questa maniera non solo è possibile posizionare e orientare il polso del robot in maniera arbitraria, ma è possibile ottenere lo stesso posizionamento in più maniere e questa proprietà viene sfruttata per evitare gli ostacoli presenti nello spazio di lavoro del robot. -15/16-
Indice delle figure Figura 1 - cuscinetto di strisciamento...1 Figura 2 - sezione di un cuscinetto a sfere...1 Figura 3 - classificazione dimensionale dei cuscinetti volventi...2 Figura 4 Lubrificazione ad olio dei cuscinetti volventi...2 Figura 5 - esempio di montaggio di due cuscinetti volventi radiali...2 Figura 6 esempio di montaggio di un cuscinetto assiale in combinazione con un cuscinetto radiale...3 Figura 7 combinazione di coppia rotoidale e prismatica realizzata con corpi volventi...3 Figura 8 dimensioni unificate delle cinghie trapeziodali e diagramma delle potenze trasmissibili...4 Figura 9 - cinghie multiple...4 Figura 10 - tensionatori per cinghie...4 Figura 11 - ruote dentate a denti elicoidali...5 Figura 12 - ruote dentate coniche...5 Figura 13 - riduttore a vite...6 Figura 14 - differenziale automobilistico...6 Figura 15 - compressore Root...7 Figura 16 - giunto a collare elastico...7 Figura 17 - giunto elastico Rotex...8 Figura 18 - giunto omocinetico Rzeppa...8 Figura 19 - giunto elastico Steelflex a lamelle...8 Figura 20 - freno a tamburo...9 Figura 21 - freno a disco...9 Figura 22 - frizione monodisco...10 Figura 23 - frizione multidisco...10 Figura 24 - particolari costruttivi di una catena...11 Figura 25 - catene silenziose...11 Figura 26 finestra...12 Figura 27 forbice...12 Figura 29 pinza...12 Figura 28 - irrigatore...13 Figura 30 - pressa per taglio...13 Figura 31 meccanismo per imballaggio...13 Figura 32 attrezzatura per test di usura...14 Figura 33 - pressa...14 Figura 34 - macchine per movimento terra...14 Figura 35 macchina per assemblaggi a due gradi di libertà...15 Figura 36 - manipolatore a sei gradi di libertà...15 Bibliografia Le figure contenuta in questa raccolta sono state liberamente tratte dai seguenti testi: Machines and Mechanisms, D.H. Myszka, Prentice Hall; Disegno di Costruzioni Meccaniche, S.L. Straneo e R. Consorti, Principato Editore; Fundamentals of Machine Component Design, R.C. Junivall e K.M. Marshek, John Wiley & Sons; Robot Wrist Actuators, M.E. Rosheim, John Wiley & Sons; -16/16-