L’importanza degli ingranaggi planetari

Nel XX secolo, l’industria automobilistica aveva sviluppato una varietà trasmissioni di potenza, basate su trasmissioni idrauliche, elettriche e pneumatiche, meccaniche nonché modi per combinarle. L’argomento di questo articolo è il sistema meccanico, di cui si parla raramente, sebbene sia parte integrante del sistema di guida di molti veicoli moderni.

Qualche parola sull’ingranaggio planetario

Per capire il significato di questo chip, diamo un’occhiata al suo interno.

Si parla di moto planetario quando la ruota dentata ruota attorno al proprio asse e il suo baricentro compie contemporaneamente un moto traslatorio. Questo movimento progressivo è solitamente ciclico, ripetitivo.

Il movimento degli ingranaggi planetari è molto simile al movimento della Terra attorno al Sole, con la differenza che negli ingranaggi planetari utilizzati nelle automobili, entrambi gli assi di rotazione sono sempre paralleli. Nel caso della Terra e del Sole è diverso.

Parti di ingranaggi planetari

Il design dell’ingranaggio planetario può essere molto vario. Per una migliore comprensione del suo principio di funzionamento, presentiamo la sua versione semplificata.

I satelliti (blu) sono a diretto contatto con l’albero di ingresso (verde) e la corona dentata (grigia) è ferma.

Il rapporto tra l’albero di ingresso e gli ingranaggi planetari determina la velocità di rotazione dell’ingranaggio solare e dell’albero di uscita (rosso).

La caratteristica unica del design dell’ingranaggio planetario è che si può frenare qualsiasi parte e gli altri due continueranno a muoversi (assumendo i parametri corretti).

Tipi di ingranaggi planetari

La versione semplificata mostrata nella figura sopra è il riduttore epicicloidale di tipo P(P)N, suddiviso in sotto-versioni (es. P(PP)N, P(PP)P, N(PP)N, ecc.) che sono utilizzati principalmente nelle trasmissioni automatiche, ma possono essere trovati anche in altri luoghi. I segni N e P indicano il senso di rotazione positivo e negativo.

Il diagramma cinematico di queste quattro versioni è visibile nelle prime due righe della figura in alto (solo la metà dell’ingranaggio planetario è mostrata nell’immagine per semplicità).

Nella terza fila, vediamo un ingranaggio planetario di tipo P(P)P, noto anche come ingranaggio differenziale. In questo caso i due ingranaggi solari possono essere collegati ad un semplice (non doppio) ingranaggio planetario inclinando l’ingranaggio planetario, che lascerà spazio ad un secondo ingranaggio positivo.

Rapporti di trasmissione

Sebbene la maggior parte delle descrizioni, spiegazioni e analisi cinematiche includa sempre un solo ingranaggio planetario, in realtà ce ne sono sempre di più, almeno tre ingranaggi planetari paralleli (come nella prima figura), sebbene possano essercene anche 10-12.

Significativamente, la coppia trasmessa aumenta tante volte quanti sono i riduttori planetari installati, con le dimensioni esterne del riduttore planetario che non cambiano. Questo è uno dei maggiori vantaggi dei riduttori epicicloidali: un riduttore ad alta efficienza in un alloggiamento di piccolo volume.

Gli ingranaggi planetari non sono solo disposti in parallelo. È possibile collegarli due di fila.

Ciò significa che ogni ingranaggio planetario è direttamente collegato a un solo ingranaggio solare.

Raddoppiare il numero di ingranaggi planetari in una data catena cambia radicalmente la cinematica dell’ingranaggio planetario poiché almeno una direzione di rotazione diventa opposta.

Pertanto, è possibile modificare anche il senso di rotazione dell’albero di uscita. Gli ingranaggi planetari doppi possono essere utilizzati nei sistemi di inversione, invece di un singolo set di ingranaggi collegati a una corona dentata, sono presenti due set. Questi due esempi possono essere visti nell’ultima riga della figura qui sopra.

Può sembrare strano, ma la figura sottostante mostra anche un particolare tipo di sistema planetario. Poiché solo uno di questi ingranaggi può essere installato in questo tipo di ingranaggio planetario, non è adatto per la trasmissione di potenza, in quanto impedirebbe la moltiplicazione della stessa. Un sistema basato su tale soluzione è noto come motore Wankel

Non è necessario che gli ingranaggi si trovino all’interno della fonte di alimentazione, poiché la potenza assorbita può provenire dalla combustione della miscela aria-carburante.

Vantaggi e svantaggi nell’applicazione pratica

Gli ingranaggi planetari forniscono un’elevata densità di potenza rispetto agli ingranaggi ad alberi paralleli perché possono raggiungere molti rapporti con peso e volume relativamente ridotti. Gli svantaggi includono carichi pesanti e continui sui cuscinetti, la necessità di una lubrificazione costante, la necessità di noiose riparazioni e la complessità del design.

In un riduttore planetario, la perdita di efficienza per ruota dentata è tipicamente di circa il 3%, che è considerata un valore molto buono. A causa dell’elevata efficienza, la maggior parte dell’energia in ingresso (circa il 97%) viene trasferita attraverso il cambio e non viene sprecata in perdite meccaniche nel cambio.

Anche l’ingranaggio planetario è stabile grazie alla distribuzione uniforme del peso e alla maggiore rigidità rotazionale. La coppia applicata radialmente agli ingranaggi viene trasmessa radialmente senza pressione laterale sui denti degli ingranaggi.

L’ingranaggio planetario si muove in modo diverso rispetto agli ingranaggi paralleli convenzionali. Gli ingranaggi convenzionali trasmettono la forza motrice grazie al numero ridotto di punti di contatto tra i due ingranaggi. In questo caso, l’intero carico è concentrato su una piccola superficie di contatto, quindi gli ingranaggi si consumano rapidamente e talvolta si rompono. Quanto sopra mostra che nel caso di ingranaggi planetari, la dimensione della superficie di contatto è molto maggiore e i carichi sono distribuiti in modo più uniforme.

Grazie a ciò, il sistema è in grado di sopportare molto meglio forze momentanee di input elevate ed è più resistente ai danni causati da una coppia elevata.

Anche i componenti dell’alloggiamento e dei cuscinetti hanno meno probabilità di essere danneggiati da carichi pesanti, poiché solo i cuscinetti planetari generano forze laterali significative durante la trasmissione della coppia, le forze radiali sono opposte e bilanciate.

Le origini degli ingranaggi planetari risalgono a una macchina chiamata orbita epicicloidale costruita nel 1650. Questa idea è ancora utilizzata nei sistemi odierni, sebbene il grado della loro complessità sia aumentato in modo significativo.