Ingranaggi ipoidi

Gli ingranaggi ipoidi sono una categoria unica di ingranaggi conici a spirale utilizzati per trasmettere la potenza di rotazione tra due alberi ad angolo retto. Inventati da Ernest Wildhaber all'inizio degli anni '20, gli ingranaggi ipoidi venivano utilizzati prevalentemente nelle trasmissioni di autocarri pesanti.

All'epoca la genialità dell'invenzione era lo sfasamento tra gli alberi del cambio, che permetteva di abbassare il telaio del camion. Questo sviluppo ha avuto un profondo impatto sulla progettazione dei veicoli, portando a miglioramenti significativi nello spazio disponibile all'interno del veicolo, nella stabilità al rollio, nella manovrabilità del veicolo, nella sicurezza, nell'aerodinamica e nel consumo di carburante. Sebbene gli ingranaggi ipoidi siano ancora utilizzati a questo scopo, hanno anche una presenza crescente nei settori della trasmissione di potenza industriale e del controllo del movimento.

Gli ingranaggi ipoidi possono essere classificati come un tipo di ingranaggio conico utilizzato per trasmettere potenza rotazionale, o coppia, tra due alberi ad angolo retto. Esistono due categorie principali di ingranaggi conici: denti dritti e denti a spirale. Gli ingranaggi conici a denti a spirale hanno dimostrato di funzionare in modo più fluido e silenzioso rispetto agli ingranaggi conici a denti dritti e sono proprio questi ingranaggi conici a spirale quelli ipoidi che assomigliano di più.

A differenza degli ingranaggi conici standard, gli alberi degli ingranaggi accoppiati per i gruppi di ingranaggi ipoidi non si intersecano perché l'albero dell'ingranaggio più piccolo (denominato pignone) è sfalsato dall'albero dell'ingranaggio più grande (denominato corona). Sono questi assi non intersecanti che il signor Wildhaber ha progettato pensando all'asse posteriore, portando ai miglioramenti delle prestazioni del veicolo sopra descritti.

L'offset dell'asse consente al diametro del pignone di essere maggiore e di avere un angolo di spirale maggiore di quanto sarebbe altrimenti possibile, il che aumenta l'area di contatto e la resistenza del dente. L'angolo a spirale tra pignone e corona fa sì che gli ingranaggi si ingranano in modo molto fluido. La maggiore area di contatto e la resistenza dei denti consentono una gamma più ampia di rapporti di trasmissione e la capacità di trasmettere quantità maggiori di coppia.

Ulteriori vantaggi derivanti dall'aumento dell'angolo di spirale e dell'area di contatto tra i set di ingranaggi ipoidi includono usura ridotta, attrito inferiore, minore perdita di energia e maggiore efficienza, che contribuiscono a prolungare la durata degli ingranaggi e dei cambi ipoidi.

A causa del loro maggiore angolo di spirale e della resistenza dei denti, gli ingranaggi ipoidi possono trasportare il carico su più denti contemporaneamente. Il numero medio di denti degli ingranaggi ipoidi in contatto contemporaneamente è compreso tra 2,2:1 e 2,9:1. Gli ingranaggi conici, invece, vengono caricati un dente dell'ingranaggio alla volta. Un maggiore contatto dente a dente consente agli ingranaggi ipoidi di trasmettere una coppia maggiore rispetto agli ingranaggi conici di dimensioni simili. Oltre a trasmettere una coppia maggiore, gli ingranaggi e i riduttori ipoidi tendono ad essere più piccoli e più compatti dei riduttori conici con valori di coppia equivalenti, rendendoli una scelta migliore per le applicazioni che coinvolgono spazi ristretti.

Gli ingranaggi conici e i rinvii conici sono più comuni nei rapporti di 1:1 e 2:1, con alcuni produttori che forniscono rapporti fino a 5:1. Al contrario, gli ingranaggi ipoidi non forniscono soluzioni per applicazioni 1:1 e 2:1. Tuttavia, raggiungono in modo efficiente rapporti da 3:1 fino a 10:1, fornendo più opzioni di rapporto con un singolo stadio di marcia. I rapporti di riduzione sono rilevanti per la velocità, dove i riduttori ipoidi godono di un altro vantaggio significativo rispetto ai riduttori ad angolo retto. La maggior parte dei riduttori conici non sono in grado di gestire velocità superiori a 1.500 giri al minuto senza surriscaldarsi, mentre i riduttori ipoidi possono raggiungere velocità di ingresso continue fino a 3.000 giri al minuto.

L'ingranaggio tra gli ingranaggi ipoidi comporta un'azione di scorrimento, risultando in una trasmissione molto fluida e silenziosa. Di conseguenza, è possibile trasmettere carichi più elevati con livelli di rumore inferiori rispetto agli ingranaggi conici, che diventano rumorosi a velocità più elevate.

Gli ingranaggi ipoidi offrono più rapporti, capacità di coppia più elevate, velocità di funzionamento più elevate e meno rumore rispetto alle loro controparti coniche. Tuttavia, gli ingranaggi ipoidi sono generalmente meno efficienti (dal 90 al 95%) rispetto a un set simile di ingranaggi conici a spirale, che possono avere indici di efficienza fino al 99%. L'efficienza degli ingranaggi ipoidi diminuisce all'aumentare dell'offset dell'asse e occorre prestare particolare attenzione alla lubrificazione per prevenire l'usura degli ingranaggi a causa dell'azione di scorrimento dei denti dell'ingranaggio ipoide. Gli ipoidi richiedono lubrificazione con additivi per pressioni estreme, mentre gli ingranaggi conici possono funzionare con grasso o olio per ingranaggi standard.