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Un cliente specifica un riduttore a vite senza fine per un’applicazione di sollevamento perché i motoriduttori a vite senza fine sono autobloccanti, quindi il carico non può scendere autonomamente. Nessun freno necessario, risparmio sui costi.
Questo ragionamento ricorre in molti progetti di macchine ed è sufficientemente pericoloso da essere esplicitamente segnalato come avvertenza in un documento tecnico AGMA:
Nota: Gli ingranaggi a vite senza fine non devono essere considerati autobloccanti. In determinate condizioni di carico, è possibile il movimento inverso della ruota elicoidale.
Un’opera di riferimento consolidata lo esprime in termini ancora più diretti, indicando esplicitamente l’applicazione:
Nella pratica, una vite senza fine non deve essere utilizzata come dispositivo di frenatura in sistemi legati alla sicurezza, ad esempio argani. Alcune condizioni di materiale e di funzionamento possono causare il retroscorrimento di un ingranaggio a vite senza fine.
Se state progettando un argano, un montacarichi, un cancello o qualsiasi sistema in cui la caduta di un carico potrebbe provocare lesioni a una persona, è indispensabile prevedere un freno. La geometria della vite senza fine non ne costituisce un sostituto.
Ecco la base ingegneristica di questa affermazione.
L'auto-bloccaggio dipende dalla relazione tra l'angolo di inclinazione della vite senza fine e l'angolo di attrito. Affermazioni pubblicate della regola, tratte da tre fonti indipendenti:
· L'auto-bloccaggio si verifica quando l'angolo di inclinazione della vite senza fine è uguale all'arcotangente del coefficiente di attrito, tipicamente nell'intervallo 2–8 gradi autonomia
· Quando l'angolo di inclinazione è minore dell'angolo di attrito, la ruota dentata non può azionare la vite senza fine in senso inverso
· La condizione è: angolo di inclinazione < arcotangente(coefficiente di attrito)
Tutte e tre le affermazioni esprimono lo stesso concetto con notazioni diverse. Al di sotto di un determinato angolo di inclinazione, il riduttore resiste al funzionamento in inversione.
Il criterio utilizza un coefficiente di attrito. Quale coefficiente di attrito?
A velocità di scorrimento nulla, il valore pubblicato è 0.15. Si tratta del valore statico, ed è il valore massimo. Non appena inizia lo scorrimento, il coefficiente di attrito diminuisce.
Un riferimento osserva che il coefficiente di attrito statico è quello rilevante per il limite di auto-bloccaggio, proprio perché l'ingranaggio non può essere avviato.
Questo è il meccanismo alla base dei guasti. A riposo, l'attrito è elevato e il riduttore tiene fermo il carico. Introducendo vibrazioni, il riduttore subisce micro-movimenti. I micro-movimenti spostano il contatto dalla condizione statica a quella dinamica, nella quale l'attrito è inferiore. L'angolo di attrito disponibile per tenere fermo il carico si riduce e il carico inizia a strisciare.
Le vibrazioni non sono una condizione eccezionale. Un macchinario in funzione nelle vicinanze, un motore che parte sullo stesso telaio, un veicolo che transita all'esterno dell'edificio: tutti questi fattori possono annullare l'auto-bloccaggio statico.
Nella letteratura pubblicata da noi esaminata, non esiste alcun fattore quantificato di declassamento per vibrazioni. Tale assenza è essa stessa indicativa: la soluzione ingegneristica non consiste nel declassare l'auto-bloccaggio, ma nel non fare affidamento su di esso.
L'auto-bloccaggio e il rendimento sono due aspetti della stessa geometria. Un riduttore che resiste alla rotazione inversa è un riduttore che dissipa molta energia durante il funzionamento in avanti.
Rendimento del riduttore a vite senza fine in funzione del numero di principi. Il comportamento autofrenante esiste soltanto nella regione a basso rendimento.
La formula fondamentale:
η = tan(λ) / tan(λ + φ)
dove λ è l’angolo di inclinazione della filettatura della vite e φ è l’angolo di attrito equivalente.
Un esempio numerico pubblicato: per una vite a singolo principio con λ = 5 gradi e φ = 6 gradi, il rendimento è pari al 45,01%.
Rendimento in funzione del numero di principi della vite:
| Tipo di vite | Rendimento pubblicato |
| A singolo principio | 40–50% |
| Avvio singolo, buone condizioni e alta precisione di lavorazione | 50–70% |
| Avvio doppio | 70–78% |
| Avvio multiplo | 78–92% |
Per progetti ad alta efficienza, l’angolo di inclinazione consigliato è 10–20 gradi . Notare che tale valore supera ampiamente la fascia di autobloccaggio (2–8 gradi). Non è possibile ottenere entrambe le caratteristiche.
Un riferimento indica un’efficienza complessiva compresa tra il 98% ai rapporti più bassi e il 20% ai rapporti più alti. Un altro riferimento indica un’efficienza compresa tra il 50% e il 90%, a seconda dell’angolo di inclinazione, del numero di avvii e dell’attrito.
Il compromesso è inevitabile: il bloccaggio automatico comporta una perdita superiore alla metà della potenza in ingresso.
Se è richiesto il comportamento di bloccaggio automatico:
· Accettare un filetto monostart, angolo di inclinazione ridotto, rendimento del 40–50%
· Dimensionare il motore in base alle perdite, non solo al carico
· Dimensionare il riduttore in base alla dissipazione termica, poiché la potenza persa si trasforma in calore
·Installare comunque un freno se il back-driving può causare lesioni o danni
Se è richiesta elevata efficienza:
· Filetto multistart, angolo di inclinazione di 10–20 gradi, rendimento dell’87–92%
· Accettare che il motore possa essere trascinato al contrario
· Installare un freno, un contrappeso o utilizzare un tipo diverso di ingranaggio
Se sono necessarie entrambe le caratteristiche, l’ingranaggio a vite senza fine non è la scelta adatta. Valutare invece un riduttore elicoidale o elicoidale-conico dotato di un freno di ritenuta adeguato.
I riduttori a vite senza fine sono generalmente limitati termicamente piuttosto che meccanicamente . I denti dell’ingranaggio potrebbero sopportare una coppia maggiore rispetto alla capacità del riduttore di dissipare calore.
Ciò deriva direttamente dai valori di rendimento indicati sopra. Un ingranaggio a vite senza fine monostart con rendimento del 45% trasforma oltre la metà della potenza in ingresso in calore all’interno di un alloggiamento di piccole dimensioni. È per questo motivo che i cataloghi dei riduttori a vite senza fine indicano separatamente la potenza termica ammissibile rispetto a quella meccanica, e perché spesso la potenza termica rappresenta il limite determinante.
Conseguenze pratiche:
· Le potenze nominali per funzionamento continuo sono molto inferiori a quelle per funzionamento intermittente
· La temperatura ambiente influisce sul comportamento: un riduttore omologato per un ambiente di lavoro a 20 gradi si comporta in modo diverso in un locale tecnico a 40 gradi
· Il raffreddamento forzato o una scatola di dimensioni maggiori è spesso meno costoso rispetto alla gestione di guasti prematuri
Coperchi per ingranaggi a vite senza fine a riduzione singola 5:1 fino a 75:1 secondo una fonte, mentre un’altra cita 5:1 fino a 300:1 per ingranaggi a vite senza fine utilizzati specificamente per riduzioni elevate.
La capacità di ottenere rapporti elevati in un unico stadio rappresenta il vero vantaggio degli ingranaggi a vite senza fine, insieme alla disposizione ad angolo retto e al funzionamento silenzioso derivante dal contatto di scorrimento. Questi sono i motivi per cui sceglierli. L’auto-bloccaggio non deve figurare tra tali motivi.
Per un angolo di pressione normale standard di 20 gradi, l’angolo di inclinazione dell’elica deve rimanere inferiore a 25 gradi .
Le ruote dentate a vite senza fine sono realizzate in bronzo e lavorano contro una vite in acciaio temprato. La ragione risiede nel contatto di scorrimento: gli ingranaggi a vite senza fine scorrono anziché rotolare, quindi la coppia richiede materiali dissimili con buone caratteristiche di scorrimento e di incapsulamento. Il bronzo abbinato all’acciaio è la combinazione che funziona.
Il verme è indurito e rettificato; la ruota è il componente sacrificabile. Questo è intenzionale. Quando il sistema di trasmissione si usura, si sostituisce la parte meno costosa e più facile da sostituire.
La velocità alla linea di passo può raggiungere i 30 m/s in condizioni ideali, ma la maggior parte dei riduttori a vite senza fine industriali funziona ben al di sotto di questo valore.
Posso utilizzare un riduttore a vite senza fine per mantenere un carico senza freno?
No, se la caduta del carico potrebbe causare danni. Le linee guida pubblicate dall'AGMA e le principali fonti ingegneristiche riconosciute affermano esplicitamente che gli accoppiamenti a vite senza fine non devono essere considerati auto-bloccanti e mettono specificamente in guardia contro il loro utilizzo come dispositivi di frenatura negli argani.
Il mio riduttore a vite senza fine ha mantenuto un carico per anni senza scorrimento. Non è dunque auto-bloccante?
È staticamente auto-bloccante nelle attuali condizioni operative. Cambiando il lubrificante, consentendo l’usura dell’ingranaggio, introducendo vibrazioni da nuovi macchinari o aumentando il carico, questa condizione può cambiare. L’auto-bloccaggio è una condizione, non una proprietà.
Perché il mio riduttore a vite senza fine funziona così caldo?
Perché i riduttori a vite senza fine sono inefficienti e la potenza persa si trasforma in calore. Verificare se il funzionamento rientra nella classe termica anziché in quella meccanica; si tratta di valori diversi e, di solito, la limitazione termica interviene per prima.
Un filetto doppio sulla vite senza fine risolverebbe il mio problema di efficienza?
L’efficienza passerebbe dalla fascia del 40–50% a quella del 70–78%. Inoltre, verrebbe eliminato qualsiasi comportamento di autobloccaggio. Accertarsi che nessun componente della macchina dipenda da tale caratteristica.
Quale valore di efficienza devo utilizzare per dimensionare il motore?
Utilizzare il valore specifico relativo al rapporto e al numero di principi indicato dai dati tecnici del costruttore del riduttore, non un valore generico. La variabilità tra le diverse progettazioni di riduttori a vite senza fine è tale da rendere inaffidabile un’ipotesi generica, con conseguente errato dimensionamento del motore.
Il bronzo è l’unica opzione disponibile per la ruota dentata della vite senza fine?
È lo standard per buoni motivi, ma la composizione esatta del bronzo varia in base al tipo di impiego. Specificare la lega insieme al fornitore del riduttore, tenendo conto di carico, velocità e ciclo di lavoro.
Tianjin HaoRongShengYe Electrical Equipment Co., Ltd. produce set di vite senza fine e ruota elicoidale, con ruota in bronzo abbinata a vite in acciaio temprato rettificato, in versioni monostart e multistart. Indicateci il rapporto di trasmissione, il ciclo di lavoro e se il riduttore deve resistere al back-driving: vi diremo onestamente se la trasmissione a vite senza fine è la scelta giusta per il vostro carico.
