Guida Completa ai Sistemi di Trasmissione a Catena e ai Tipi di Catena: Conoscenze Essenziali per Ingegneri

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Gli azionamenti a catena si distinguono come una soluzione fondamentale per la trasmissione meccanica di potenza, ampiamente utilizzati per trasferire potenza tra componenti - sia su lunghe distanze (come nei motori marini alti cinque piani) che su brevi distanze (come nelle biciclette). Rientrano tra i cinque metodi più comuni di trasmissione meccanica della potenza, insieme a giunti, azionamenti a ingranaggi, azionamenti a cinghia e viti di potenza. Ogni metodo presenta vantaggi e svantaggi specifici, quindi gli ingegneri devono valutare attentamente questi fattori per effettuare la scelta migliore per applicazioni specifiche. Questo articolo approfondisce i fondamenti degli azionamenti a catena, le loro classificazioni, i tipi di catena più comuni, i criteri di selezione e i principali vantaggi e svantaggi.

Che cosa sono gli azionamenti a catena?

Un azionamento a catena è un sistema di trasmissione meccanica della potenza che utilizza una catena per trasferire la potenza da un punto all'altro. Un tipico azionamento a catena è composto da due o più pignoni (ruote dentate) e dalla catena stessa - con i fori dei maglie della catena che si incastrano sui denti dei pignoni.
Quando la macchina motrice (ad esempio un motore elettrico o un motore a combustione interna) ruota, fa girare la ruota dentata collegata al suo albero. Questa rotazione aziona la catena avvolta attorno alla ruota dentata, applicando così una forza meccanica all'albero condotto e trasmettendo efficacemente la potenza.

Confronti principali con altri metodi di trasmissione

Rispetto alle trasmissioni a cinghia: a differenza delle trasmissioni a cinghia, quelle a catena non presentano slittamento, garantendo un rapporto di velocità costante. Questo elimina il ritardo nella trasmissione della potenza, rendendole ideali per applicazioni come le catene di distribuzione nei motori a combustione interna. L'unica perdita di potenza nelle trasmissioni a catena deriva dall'attrito tra i link della catena e le ruote dentate, risultando in un'efficienza meccanica maggiore.
Rispetto alle trasmissioni a ingranaggi: le trasmissioni a catena sono più flessibili in termini di distanza operativa. Eccellono quando gli alberi sono posti a una distanza maggiore rispetto a quanto gli ingranaggi possono gestire, mantenendo comunque una configurazione compatta. Inoltre, una singola catena può azionare simultaneamente più alberi, una caratteristica che gli ingranaggi raramente eguagliano.

Tipi di Catene per Trasmissione (per Funzione)

Le catene per trasmissione sono suddivise in tre tipi principali in base alla loro funzione primaria, ciascuna adatta a esigenze specifiche:

1. Catene per Trasmissione di Potenza

 Progettate esclusivamente per trasferire potenza tra due alberi, queste catene risolvono una sfida comune: la maggior parte delle macchine generatrici di potenza (ad esempio, motori delle pompe) non può utilizzare sul posto la potenza che producono.
Applicazioni Comuni: Biciclette, macchinari agricoli, compressori e alberi a camme dei motori — tutti dipendono dalle catene per la trasmissione di potenza per spostare l'energia dalla fonte al punto di utilizzo.

2. Catene per Nastri Trasportatori

Le catene per nastri trasportatori sono specializzate nella movimentazione dei materiali. Dispongono di centinaia di design con proprietà specifiche, come basso attrito, resistenza alle alte temperature, resistenza chimica, capacità antistatica o caratteristiche magnetiche. Possono inoltre essere aggiunti accessori alla catena per soddisfare esigenze diversificate.
Utilizzi industriali: Ampiamente utilizzato nell'imballaggio, nella produzione automobilistica, nella produzione alimentare e di bevande, nella farmaceutica e nel settore tessile per il trasporto efficiente dei materiali.

3. Catene per sollevamento e trazione

Queste catene vengono utilizzate nelle macchine per sollevare e abbassare carichi pesanti, spesso lavorano insieme a pulegge per ridurre lo sforzo. Esempi includono paranchi a catena (manuali, elettrici o pneumatici), comunemente usati in officine, cantieri, impianti edili, sale macchine di navi e fabbriche, in grado di sollevare/abbassare carichi fino a 20 tonnellate.
Le catene per sollevamento si dividono ulteriormente in due sottotipi:

Catene ellittiche (catene a spirale): Utilizzate per sollevare carichi medi e leggeri a bassa velocità. I loro elementi sono di forma ellittica e incatenati tramite saldatura. Le catene con maglie quadrate sono occasionalmente un'alternativa, ma vengono generalmente evitate a causa della distribuzione non uniforme delle sollecitazioni e dei problemi di annodamento.
Catene a perno: Preferite per applicazioni con carichi elevati. Ogni maglia è dotata di un perno installato nella sua larghezza interna, che impedisce l'annodamento e aumenta resistenza e durata. Sono comunemente utilizzate negli ancoraggi delle navi e in altri equipaggiamenti per sollevamento pesante.

Tipi comuni di catene nei trasmissioni a catena

Cinque tipi di catene dominano le applicazioni industriali e commerciali, ciascuna con struttura e vantaggi distinti:

1. Catene a rulli (catene con boccola e rulli)

Il tipo di catena più riconoscibile, le catene a rulli (o catene con boccola e rulli) sono ampiamente utilizzate nella trasmissione di potenza per biciclette, motocicli e mezzi di trasporto. Sono generalmente realizzate in acciaio al carbonio o in leghe di acciaio.
Struttura: Composta da piastre interne (piastre con rulli), piastre esterne (piastre con spinotti), boccole, spinotti e rulli. I rulli sono equidistanti tra le maglie, e si incastrano con i denti della ruota dentata per trasmettere la potenza.
Vantaggi principali: I rulli ruotano automaticamente a contatto con i denti della ruota dentata, riducendo al minimo la perdita di potenza. Nei catene per trasmissione, l'altezza delle piastre dei rulli (su entrambi i lati dei rulli stessi) è superiore al diametro dei rulli, impedendo che le piastre laterali tocchino le ruote dentate e fungendo da guida per evitare lo slittamento della catena. Nei catene a rulli per trasportatori, il diametro dei rulli è maggiore dell'altezza delle barre laterali, eliminando il contatto tra le barre laterali e le rotaie del trasportatore per ridurre l'attrito. Sono disponibili catene a rulli multiplo per esigenze di alta potenza, permettendo velocità più basse e passi ridotti per gli stessi requisiti di carico.

2. Catene silenziose (a denti invertiti)

I tradizionali sistemi di trasmissione a catena sono spesso rumorosi, rendendoli poco adatti per ambienti sensibili al rumore come spazi chiusi, miniere o aree residenziali. Le catene silenziose (o a denti invertiti) risolvono questo problema operando in modo silenzioso pur trasmettendo elevate potenze a velocità elevate.
Struttura: Realizzata con piastre piane impilate in file e collegate da uno o più spinotti. La parte inferiore di ogni maglia presenta un profilo che corrisponde ai denti della ruota dentata per un ingranaggio fluido.
Prestazioni: La capacità di carico, la resistenza alla trazione e la larghezza della catena aumentano con il numero di piastre piane per maglia.

3. Catene a lamine

Il tipo di catena più semplice, le catene a lamine sono costituite soltanto da spinotti e piastre – con le piastre alternate a formare maglie perni e maglie a cerniera. Non ingranano con le ruote dentate; invece, scorrono su pulegge per essere guidate.
Applicazioni: Ideali per sollevamento e bilanciamento, come in ascensori, carrelli elevatori, trasbordatori e bracci elevatori. Queste macchine a bassa velocità sottopongono le catene a carichi statici elevati e a carichi di lavoro minimi, e le catene a lamine sono particolarmente adatte a sopportare impatto ed inerzia.
Requisito fondamentale: Devono resistere a elevate sollecitazioni di trazione senza allungamento o rottura, e possedere sufficiente duttilità per resistere alla fatica. Le condizioni di lubrificazione e ambientali devono essere tenute in considerazione durante la progettazione.

4. Catene a piatto

Utilizzate esclusivamente per il trasporto, le catene a piatto sostituiscono i nastri trasportatori e i sistemi a cinghia: i materiali possono essere trasportati direttamente sui loro smagli.
Struttura: I singoli smagli sono generalmente realizzati con piastre di acciaio dotate di sporgenze cave di forma cilindrica sul fondo. I pioli passano attraverso queste sporgenze per collegare i smagli adiacenti, permettendo il movimento soltanto in una direzione. Particolari catene a piatto possono piegarsi lateralmente (tramite strutture di pioli modificate), permettendo al trasportatore di affrontare curve.
Applicazioni: Sono utilizzate nei trasportatori a bassa velocità per il movimento dei materiali nelle linee di assemblaggio.

5. Catene in acciaio per ingegneria

Sviluppate negli anni '80 del XIX secolo, le catene in acciaio per ingegneria sono progettate per ambienti difficili e applicazioni impegnative. Sono realizzate in acciaio laminato a caldo (a volte sottoposto a trattamento termico per aumentarne la resistenza) e presentano interstizi più ampi tra le componenti, per resistere alla polvere, alla sporcizia e alle sostanze abrasive durante il funzionamento.
Utilizzi moderni: Utilizzate principalmente come catene per trasportatori per il movimento dei materiali, ma alcune vengono usate anche come trasmissioni. Si trovano in nastri trasportatori, carrelli elevatori, elevatori a secchio e trivellatori per petrolio con resistenza migliorata, resistenza all'usura, capacità di carico e passo per soddisfare le esigenze industriali moderne.

Come scegliere la giusta trasmissione a catena

La scelta della corretta trasmissione a catena richiede la valutazione delle esigenze dell'applicazione per eliminare le opzioni non adatte. I fattori chiave da considerare sono:

1. Carico

Determinare la potenza da trasmettere: la catena deve essere in grado di gestire la potenza generata dalla macchina motrice. I calcoli precisi sono fondamentali per la sicurezza, e si raccomanda un adeguato coefficiente di sicurezza.

2. Velocità della catena

Non tutte le trasmissioni a catena funzionano ad alta velocità; alcune sono progettate per basse velocità. Calcolare la velocità richiesta e assicurarsi che rientri nell'intervallo consigliato per la catena, per ridurre le opzioni.

3. Configurazione degli alberi

La maggior parte delle trasmissioni a catena funziona soltanto con alberi paralleli. Se gli alberi non sono allineati, potrebbe essere preferibile una trasmissione a ingranaggi.

4. Distanza tra i centri degli alberi

La distanza tra i centri degli alberi dovrebbe essere pari a 30–50 volte il passo della catena. Inoltre, assicurarsi di un arco minimo di contatto di 120° sulla pigna più piccola; se la pigna ha pochi denti, almeno cinque denti devono essere in contatto con la catena in ogni momento.

5. Ambiente operativo

L'ambiente determina la resistenza richiesta alla catena nei confronti di umidità, sporco, abrasivi, corrosione e alte temperature. Influisce inoltre sulle vibrazioni, sui livelli di rumore e sulla resistenza alla fatica. Ad esempio, le catene a denti invertiti (catene silenziose) sono preferibili in ambienti sensibili al rumore.

6. Lubrificazione

La maggior parte dei sistemi di trasmissione a catena richiede lubrificazione per prolungare la durata. Il tipo e le dimensioni della catena, il carico e la velocità determinano il metodo di lubrificazione (manuale, a goccia, a bagno d'olio o forzata). Sono disponibili catene autolubrificanti, che utilizzano boccole realizzate in plastica o metallo sinterizzato impregnato di olio, per fornire una lubrificazione continua senza manutenzione esterna.

Vantaggi dei sistemi di trasmissione a catena

Può trasmettere coppia a distanze elevate.
Nessuno slittamento (a differenza dei sistemi a cinghia), garantendo prestazioni costanti.
Più compatto rispetto ai sistemi a cinghia, adatto a spazi relativamente ridotti.
Un unico sistema a catena può azionare più alberi.
Versatile, funziona in ambienti con alte temperature e condizioni diverse (asciutti, umidi, abrasivi, corrosivi, ecc.).
Sistema a basso attrito, che garantisce alta efficienza meccanica.

Svantaggi dei Sistemi a Catena

Non può essere utilizzato con alberi non paralleli.
Soggetto a rumore e vibrazioni durante il funzionamento.
Un allineamento errato può causare lo slittamento della catena.
Alcuni design richiedono una lubrificazione continua.
Solitamente necessitano di un involucro per la protezione.
È necessario un serraggio periodico (ad esempio, tramite rulli tenditori) per mantenere le prestazioni.

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