Come funzionano gli ingranaggi

Gli ingranaggi sono utilizzati in tonnellate di dispositivi meccanici. Ancora più importante, forniscono una riduzione dell'ingranaggio nelle apparecchiature motorizzate. Questo è fondamentale perché spesso un piccolo motore che gira molto velocemente può fornire potenza sufficiente per un dispositivo, ma non abbastanza coppia, la forza che fa ruotare un oggetto su un asse o torcerlo. Ad esempio, un cacciavite elettrico ha una riduzione dell'ingranaggio molto ampia (riduzione della velocità di una macchina rotativa come un motore elettrico) perché ha bisogno di molta coppia per girare le viti. Ma il motore produce solo una piccola quantità di coppia ad alta velocità. Con una riduzione del rapporto è possibile ridurre la velocità di uscita aumentando la coppia.

Gli ingranaggi cambiano anche il senso di rotazione. Ad esempio, nel differenziale tra le ruote posteriori della tua auto, la potenza viene trasmessa da un albero che corre lungo il centro dell'auto e il differenziale deve ruotare quella potenza di 90 gradi per applicarla alle ruote.

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Ci sono molte complessità nei diversi tipi di ingranaggi. In questo articolo impareremo esattamente come funzionano i denti degli ingranaggi e parleremo dei diversi tipi di ingranaggi che trovi in ​​tutti i tipi di gadget meccanici.

Probabilmente hai sentito parlare di rapporti di trasmissione, soprattutto quando si tratta di automobili. Il rapporto di trasmissione è il numero di giri che l'albero di uscita fa mentre l'albero di ingresso gira una volta. Se il rapporto di trasmissione è 2:1, l'ingranaggio più piccolo gira due volte mentre quello più grande gira solo una volta. Significa anche che l'ingranaggio più grande ha il doppio dei denti dell'ingranaggio più piccolo. L'ingranaggio più grande è chiamato semplicemente "ingranaggio", mentre quello più piccolo è anche chiamato pignone.

Uno dei tipi di ingranaggi più primitivi che potremmo osservare sarebbe una ruota da cui fuoriescono pioli di legno. Il problema con questo tipo di ingranaggio è che la distanza dal centro di ciascun ingranaggio al punto di contatto cambia mentre gli ingranaggi ruotano. Ciò significa che il rapporto di trasmissione cambia man mano che l'ingranaggio gira, il che significa che cambia anche la velocità di uscita. Se utilizzassi una marcia come questa nella tua auto, sarebbe impossibile mantenere una velocità costante: accelererai e decelereresti costantemente.

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Molti ingranaggi moderni utilizzano uno speciale profilo del dente chiamato evolvente. Questo profilo ha l'importantissima proprietà di mantenere costante il rapporto di velocità tra le due marce. Come la ruota dentata sopra, il punto di contatto si muove, ma la forma del dente dell'ingranaggio evolvente compensa questo movimento.

Ora diamo un'occhiata ad alcuni dei diversi tipi di ingranaggi.

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Gli ingranaggi cilindrici sono il tipo più comune di ingranaggi. Hanno denti dritti e sono montati su alberi paralleli. A volte, vengono utilizzati molti ingranaggi cilindrici contemporaneamente per creare riduzioni di ingranaggi molto grandi.

Gli ingranaggi cilindrici sono utilizzati in molti dispositivi che puoi vedere ovunque in HowStuffWorks, come il cacciavite elettrico, il mostro danzante, l'irrigatore oscillante, la sveglia a carica automatica, la lavatrice e l'asciugatrice. Ma non ne troverai molti nella tua macchina.

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Questo perché l'ingranaggio cilindrico può essere molto rumoroso. Ogni volta che un dente di un ingranaggio ingrana un dente dell'altro ingranaggio, i denti si scontrano e questo impatto produce un rumore. Aumenta anche lo stress sui denti degli ingranaggi.

Per ridurre il rumore e lo stress negli ingranaggi, la maggior parte degli ingranaggi della tua auto sono elicoidali, come spiegheremo in seguito.

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I denti sugli ingranaggi elicoidali sono tagliati ad angolo rispetto alla faccia dell'ingranaggio. Quando due denti su un sistema di ingranaggi elicoidali si innestano, il contatto inizia da un'estremità del dente e aumenta gradualmente man mano che gli ingranaggi ruotano, fino a quando i due denti non sono completamente innestati.

L'innesto graduale degli ingranaggi elicoidali li fa funzionare in modo molto più fluido e silenzioso rispetto agli ingranaggi cilindrici. Per questo motivo, in quasi tutte le trasmissioni automobilistiche vengono utilizzati ingranaggi elicoidali.

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A causa dell'angolo dei denti sugli ingranaggi elicoidali, creano un carico di spinta sull'ingranaggio quando ingranano. I dispositivi che utilizzano ingranaggi elicoidali dispongono di cuscinetti in grado di supportare questo carico di spinta.