Markus Kossman

Parliamo di coppia - il potere nascosto degli ingranaggi

gennaio 09
2014
Parliamo di coppia - il potere nascosto degli ingranaggi

Pensiamoci un attimo: i modelli LEGO® TECHNIC non sarebbero molto tecnici o divertente da costruire senza l'umile ruota dentata, una geniale invenzione utilizzata per la prima volta più di 2.300 anni fa.

Ruote dentate e ingranaggi, nelle loro varie interpretazioni moderne, non solo sono una parte fondamentale di LEGO® TECHNIC, ma svolgono un ruolo importante praticamente in ogni dispositivo meccanico odierno. Ogni volta che si utilizzano parti rotanti, quasi certamente queste utilizzano ingranaggi, anche se, con i modelli LEGO® TECHNIC, non è sempre del tutto ovvio!

Allora, quale funzione rivestono gli ingranaggi - dagli utensili elettrici alle Power Functions e dagli orologi alle gru mobili?!? Continua a leggere per una breve introduzione al mondo degli ingranaggi e per scoprire come sono utilizzati per le incredibili funzioni della stupefacente Gru mobile MKII.

Perché abbiamo bisogno di ingranaggi?

Gli ingranaggi svolgono tante funzioni meccaniche vitali, la più importante delle quali è quella di riduzione: un piccolo motore può generare tanta potenza, la quale tuttavia può non essere sufficiente per generare una forza di rotazione o coppia. Se si riduce la velocità di uscita del motore, se ne aumenta automaticamente la coppia. Per esempio, un piccolo utensile motorizzato, come un cacciavite elettrico, non potrebbe mai funzionare senza gli ingranaggi.

Oltre che per la riduzione (o aumento) della velocità di rotazione, gli ingranaggi sono generalmente utilizzati per le seguenti funzioni:
  • Invertire il senso di rotazione
  • Trasferire il moto di rotazione su un asse diverso
  • Sincronizzare la rotazione di due assi

Molti modelli Technic, non da ultimo quelli che utilizzano le Power Functions, fanno affidamento su diversi ingranaggi e funzioni di trasmissione. Prima di esaminare il funzionamento degli ingranaggi della Gru mobile MKII (che ne comprende tantissimi) dobbiamo considerare un altro paio di aspetti:
Gli ingranaggi sono disponibili in tutte le forme e dimensioni!

spur gears Gli ingranaggi cilindrici sono il tipo di ingranaggio più comune. Sono dotati di denti diritti e sono montati su alberi paralleli. Gli ingranaggi cilindrici sono utilizzati insieme per ottenere grandi riduzioni. Applicazione tipica: utensili elettrici, lavatrici, orologi, ecc.

Gli ingranaggi elicoidali sono molto simili agli ingranaggi cilindrici, tranne per il fatto che i denti sono disposti ad angolo rispetto alla superficie, con un maggior contatto nella stessa area. Il funzionamento degli ingranaggi elicoidali è più fluido e meno rumoroso rispetto agli ingranaggi cilindrici. Applicazione tipica: trasmissioni delle automobili.

bevel gearsGli ingranaggi conici sono utili quando il senso di rotazione di un albero deve essere invertito. In genere sono montati su alberi a 90 gradi di distanza l'uno dall'altro, ma possono essere anche progettati per funzionare ad altre angolazioni. Applicazioni tipiche: trasmissioni di locomotori, aerei e automobili!

tandstangGli ingranaggi a vite senza fine sono utilizzati per trasmettere la potenza a 90° e nelle applicazioni che richiedono notevoli riduzioni. Molti ingranaggi a vite senza fine condividono una proprietà unica: la vite senza fine può ruotare l'ingranaggio, ma l'ingranaggio non può ruotare la vite senza fine - un'applicazione molto conveniente, come potrai scoprire nella Gru mobile MKII, qui sotto! Applicazione tipica: meccanismi di sterzo, paranchi (come nella Gru mobile II!).

Gli ingranaggi a cremagliera sono ingranaggi dritti utilizzati per trasmettere la potenza e il movimento linearmente. Applicazione tipica: sistemi di sterzo delle automobili.

I pignoni sono utilizzati per azionare catene o cinghie. Applicazione tipica: convogliatori.

Rapporti di trasmissione, tipi e... denti!

Per gestire il movimento e la potenza, i rapporti di trasmissione sono fondamentali. Se un ingranaggio grande viene accoppiato a ingranaggio piccolo e i due meccanismi sono azionati, la velocità alla quale essi ruotano l'uno in relazione all'altro è detta rapporto. Su qualsiasi ingranaggio, il rapporto è determinato dalle distanze dal centro dell'ingranaggio fino al punto di contatto. Per esempio, in un dispositivo con due ingranaggi, se un ingranaggio ha un diametro pari al doppio dell'altro ingranaggio, il rapporto è di 2:1. Se entrambi gli ingranaggi hanno lo stesso diametro, ruoteranno alla stessa velocità (1:1), e così via, fino a 100:1 o 1.000:1!

1 1 gearingRapporto 1:1, 8:8, 16:16, 24:24.

bevel gear ratioRapporto 3:1-8:24, 1:1,67-12:20, 3:1-12:36.

worm gear ratioRapporto vite senza fine 1:08, 1:24 (la vite senza fine è considerata un ingranaggio singolo).

L'importanza di avere buoni denti!

Un'ultima cosa, prima di rivolgere la nostra attenzione alla grande gru - come sono i tuoi denti? Diritti, a spirale o ipoidi? Evolventi, forse? Speriamo che siano dritti (anche se a spirale sarebbero interessante)!

Ingranaggi e denti (spine di legno, in origine) sono compatibili proprio come LEGO (c) e TECHNIC. Diversi ingranaggi - ed esigenze diverse - richiedono tipi di denti diversi (con nomi strani - vedi sopra). Ma forse l'aspetto più importante dei denti e degli ingranaggi è la loro forma. Spazi fra i denti o una forma errata dei denti significano costanti cambiamenti nella velocità di uscita. Questo va bene per alcuni dispositivi (gli orologi, per esempio), ma non per altri (veicoli!). Gli ingranaggi dei motori richiedono un funzionamento fluido e costante e per questo motivo il design evolvente è ideale a questo scopo in quanto questi ingranaggi sono progettati per mantenere un contatto massimo e continuo.

E ora mettiamo la teoria in pratica!

Per offrirvi un riferimento concreto, abbiamo chiesto al Senior Designer di TECHNIC Markus Kossmann di illustrarci le principali configurazioni di ingranaggi della Gru mobile MKII, in modo che possiate osservare come gli ingranaggi funzionino realmente nella vita di tutti i giorni, o almeno in LEGO© TECHNIC... ;-)

Markus, la parola passa a te:

La gru mobile MKII utilizza 127 ingranaggi per azionare tutte le sue funzioni. Questo è il più grande numero di ingranaggi che abbiamo mai utilizzato in un modello Technic (r). Partendo dall'importantissimo motore nella sovrastruttura della gru, vi mostrerò il funzionamento di alcuni di questi ingranaggi:

step 1 powertrainPer gestire la coppia, abbiamo scelto un rapporto di 12:20. Le varie funzioni della gru necessitano di velocità e coppie diverse. Determinare il giusto equilibrio di coppia e velocità è importante se non si vuole sprecare energia.

Il trasferimento della rotazione al gruppo trasmissione, situato sul lato opposto della sovrastruttura per una questione di spazio, necessita di cinque ingranaggi a 16 denti. Alcune funzioni richiedono molta potenza, altre meno, e quindi era importante assicurare che solo una funzione alla volta potesse essere azionata. Per un accesso più agevole, l'unità trasmissione è ubicata su un asse trasversale ed è dotata di quattro posizioni distinte per impegnare le funzioni singolarmente.

step 2 powertrain Qui potete vedere il gruppo trasmissione. Gli ingranaggi a 16 denti grigio scuro ruotano solo quando sono impegnati.

powertrain step4Qui potete vedere gli ingranaggi necessari per la funzione di estensione del braccio - determinare il posizionamento relativo degli assi trasversali girevoli e fissi è stata una sfida non indifferente!

powertrain step9Qui potete vedere gli ingranaggi del braccio. Il braccio è incernierato su un asse trasversale di 12 cm dotato di un ingranaggio conico di 20 denti, a funzionamento libero. Poiché l'asse trasversale supporta il peso dell'intero braccio, abbiamo scelto un ingranaggio conico a funzionamento libero per ridurre al minimo l'attrito. Allo stesso modo, l'ingranaggio con rapporto 1:3, dotato di frizione, è utilizzato per ragioni di sicurezza - senza la frizione, se si dimentica di arrestare l'ingranaggio a vite senza fine usato per estendere il braccio, la struttura sarebbe sottoposta a notevoli sollecitazioni, con la possibile rottura di alcuni elementi! La vite senza fine arresta lo scorrimento verso il basso del braccio e contribuisce a ridurre la velocità, preservando più potenza per la funzione di estensione del braccio, più gravosa. Convertendo potenza rotazionale in potenza lineare, abbiamo potuto utilizzare cremagliere nella seconda fase dell'estensione del braccio.

powertrain step7 Qui il verricello si impegna fino a 1,67 volte, superando due assi statici grazie al moto conferito da ingranaggi a 20 e 12 denti. Il blocco verricello utilizza un ingranaggio a vite senza fine con frizione. L'ingranaggio a vite senza fine impedisce la rotazione del verricello quando la funzione non è attiva. La frizione previene il sollevamento di carichi troppo pesanti e l'inceppamento del gancio nel verricello.

powertrain step 8 Qui potete vedere la funzione di sollevamento del braccio innestata. Poiché questo richiede una notevole coppia, abbiamo scelto un rapporto di riduzione basso di 1:3 utilizzando ingranaggi a 8 e 24 denti. Abbiamo utilizzato quattro assi rotanti per trasmettere la potenza. Un ingranaggio con frizione non è necessario qui in quanto l'attuatore lineare ha una frizione integrata.

powertrain step 6Qui potete vedere la funzione dello stabilizzatore, innestata. È collegata tramite un asse statico a un asse trasversale a 16 moduli, con due ingranaggi conici a 12 denti e un rapporto di 1:1, a sua volta collegato al piatto girevole sul telaio della gru. Abbiamo aggiunto un elemento di collegamento appositamente progettato per assicurare un funzionamento armonioso dei due ingranaggi.

chassis side viewLateralmente, il telaio comprende numerosi elementi. È costruito a quattro livelli per assicurare il corretto posizionamento di ogni funzione.

chassis side view motor strokeSul livello inferiore si trova la trasmissione del motore a pistoni. La rotazione è trasferita tramite una serie di cinque ingranaggi a 16 denti.

chassis side view steeringSul secondo livello si trova lo sterzo, in posizione centrale lungo l'intera lunghezza del telaio - qui, la parte più difficile è stato trasferire la potenza ai moduli degli stabilizzatori.

chassis side view outriggers strokeIl terzo livello presenta i comandi degli stabilizzatori, che utilizzano anche gli ingranaggi sul secondo livello per estendere i moduli degli stabilizzatori.

chassis side view feet strokeIl quarto livello è utilizzato per sollevare e abbassare i piedi degli stabilizzatori.

chassis 1 1Qui potete vedere una panoramica a 3D del telaio - funzioni multiple sono posizionate lungo la parte centrale, tra cui lo sterzo, controllato dalla parte posteriore del modello. Con gli stabilizzatori posizionati nella parte anteriore e posteriore del modello, la progettazione di un telaio solido e funzionale allo stesso tempo è stata una grande sfida.

chassis step 2 gearboxLa potenza viene trasferita attraverso il piatto girevole al telaio utilizzando una combinazione di tre ingranaggi conici e una rotazione di 90 gradi. Per integrare l'ingranaggio della frizione, abbiamo dovuto dirigere la rotazione da e per il centro con ingranaggi a 8 e 24 denti.

chassis step 4 feet 2Nelle prime versioni, poiché i piccoli attuatori lineari hanno una frizione integrata, avevamo posizionato l'ingranaggio della frizione nella trasmissione utilizzata per estendere gli stabilizzatori. Ma questa soluzione richiedeva una potenza eccessiva e così abbiamo dovuto spostare l'ingranaggio della frizione di fronte all'unità del cambio per utilizzarla con entrambe le funzioni.

chassis step 5 steering stroke 2 Un altro problema che abbiamo dovuto affrontare è stata la sincronizzazione degli stabilizzatori. Lo abbiamo risolto spingendo entrambi gli stabilizzatori nella posizione di azionamento e quindi abbiamo inserito uno degli ingranaggi a 16 denti per bloccare la sincronizzazione - la soluzione si è rivelata alquanto problematica e quindi ci abbiamo dovuto provare due volte!

chassis step 3 outtriggers 2Poiché gli stabilizzatori si estendono da entrambi i lati del modello, gli ingranaggi devono ruotare in direzioni diverse. Abbiamo allora posizionato due ingranaggi a 16 denti alla distanza di un modulo dal centro (in modo che potessero ruotare in senso contrario!) e quindi abbiamo trasferito la rotazione agli ingranaggi a 20 denti che azionano gli ingranaggi a 12 denti, che estendono e ripiegano gli stabilizzatori.

chassis step 4 feet 2Gli stabilizzatori sono controllati tramite un ingranaggio a 8 denti, privo di attrito, di nuova concezione, che scorre sugli assi trasversali quando gli stabilizzatori vengono estesi - una funzione davvero fantastica che useremo nei modelli futuri.

chassis step 4 feet 2Lo sviluppo dello sterzo per un modello così lungo è stato impegnativo, in quanto tutti gli assi necessitano di un proprio angolo di sterzata. Per non complicare il processo di costruzione, abbiamo utilizzato un unico asse con leve regolabili, in cui le leve lunghe azionano le ruote in misura inferiore rispetto a quelle corte. Gli assi di fronte dell'asse centrale dovevano inoltre girare in senso contrario rispetto agli assi posteriori. Abbiamo risolto questo problema posizionando la cremagliera sul lato opposto dell'asse.

chassis step 5 steering stroke 2
chassis step 6 motor strokeL'azionamento del pistone è stata forse la funzione più facile da sviluppare. Il differenziale spinge l'asse fino alla parte anteriore del telaio della gru, dove la potenza viene trasferita alla parte superiore del telaio utilizzando una serie di cinque ingranaggi a 16 denti.

E questo è tutto! Grazie, Markus! Non esitate a contattarci se avete domande sugli ingranaggi della Gru mobile MKII o qualsiasi altro aspetto correlato a LEGO® Technic - e non dimenticate di venire a trovarci presto per leggere i nuovi blog!