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Cinghia multi-gola: una cinghia multi-gola è una cinghia di forma circolare, dotata di diverse gole triangolari longitudinali fissate su una base piana (si veda la Figura 1). La sua superficie di lavoro è costituita dai fianchi delle gole, rendendola una nuova tipologia di cinghia di trasmissione. Assimilando i vantaggi sia delle cinghie piane sia di quelle a V, ma anche alcuni dei loro svantaggi, essa si è diffusa sempre più negli ultimi anni.
I. Caratteristiche delle trasmissioni a cinghia multi-V
1. Rispetto alle tradizionali trasmissioni a cinghia a V, le trasmissioni a cinghia multi-V offrono i seguenti vantaggi:
(1) Le cinghie multiple a V vengono utilizzate per distribuire uniformemente la pressione su tutte le superfici di contatto sfruttando l’incomprimibilità del fluido rappresentata dalla gomma (vedere Figura 2). Il livello di efficienza di contatto tra la superficie a cuneo della cinghia e la scanalatura della puleggia è prossimo al 100%. Di conseguenza, le cinghie multiple a V, con la stessa larghezza delle cinghie a V standard, possono trasmettere un carico superiore del 30–50% rispetto alle cinghie a V standard.
(2) A causa della loro ridotta spessore, le cinghie multiple a V richiedono un diametro minimo efficace della puleggia (demin) pari a un terzo o a un quinto di quello di una puleggia per cinghia a V standard. La loro struttura risulta pertanto meno ingombrante e i costi si riducono (i valori di demin sono indicati nella Tabella 2).
(3) I gruppi di trasmissione con cinghie multiple a V evitano efficacemente i limiti associati ai gruppi di trasmissione con più cinghie a V, inclusi vibrazioni, carichi non uniformi e rapporti di trasmissione instabili causati da variazioni della lunghezza delle cinghie.
(4) Le cinghie multiple a V presentano una bassa allungamento e non strisciano in caso di sovraccarico. Il movimento relativo tra le scanalature e le gole delle pulegge è minimo, pertanto viene generato meno calore per attrito e la durata utile delle superfici di lavoro della cinghia e della puleggia risulta prolungata.
(5) Le cinghie multiple a V sono estremamente flessibili e leggere, quindi non si ha perdita di potenza dovuta alla flessione e alle forze centrifughe durante la trasmissione; di conseguenza, l’efficienza della trasmissione è elevata.
2. Presentano la stessa flessibilità delle trasmissioni con cinghie piatte, il che consente di installare le pulegge tenditrici sia all’interno sia all’esterno della cinghia multipla a V. A differenza delle cinghie piatte, tuttavia, non possono uscire dalle pulegge durante il funzionamento. Devono essere utilizzate nelle trasmissioni ad alta velocità e possono raggiungere una velocità di 10.000 giri/min, con un rapporto di trasmissione pari a 1:10.
3. Le pulegge per cinghie multiple a V sono anche più facili da produrre e lavorare, poiché non richiedono attrezzature o utensili speciali, come invece avviene per le trasmissioni a cinghia sincrona. I requisiti di installazione sono inferiori rispetto a quelli delle cinghie sincrone, rendendole facilmente adottabili da numerose fabbriche. Sostituire le cinghie sincrone con cinghie multiple a V può risultare molto conveniente dal punto di vista economico, laddove i rapporti di trasmissione meccanica consentano tolleranze anche minime.
II. Introduzione alle cinghie multiple a V e ai sistemi di pulegge
1. Modelli di cinghie multiple a V e relative dimensioni della sezione trasversale
Le cinghie multifascia sono classificate, in base al materiale, in cinghie in gomma e in poliuretano. Le cinghie a nervature in gomma presentano una maggiore capacità di resistenza al calore e ai carichi rispetto alle varianti in poliuretano e sono pertanto più comunemente utilizzate. Le cinghie a nervature in gomma rientrano nella classe PH secondo la norma ISO/DP 9982-1988, come indicato nella Tabella 1. Le cinghie PH sono impiegate principalmente nella trasmissione per macchinari per ufficio e strumentazione, destinata essenzialmente al trasferimento del moto. Le cinghie PK sono specificamente destinate ad applicazioni automobilistiche, quali la trasmissione della ventola, dell’alternatore e della pompa dell’acqua. Le cinghie PJ, PL e PM trovano invece un ampio impiego nei sistemi di trasmissione per macchinari industriali generali. Nell’ambito di alcuni paesi, come gli Stati Uniti e il Regno Unito, la designazione delle cinghie multifascia prevede le lettere H, J, K, L, M, con dimensioni di base della cinghia molto simili a quelle riportate nella Tabella 1. Le tipologie più diffuse sono quelle J e L. Sebbene esistano lievi differenze nelle dimensioni della sezione trasversale tra i vari paesi, ciò non ostacola la reciproca intercambiabilità universale dei prodotti. Nel caso delle cinghie multifascia di tipo M, l’angolo di inclinazione del dente è identico in tutti i paesi ed è pari a 40°, ma la distanza tra i denti varia. Di conseguenza, le cinghie multifascia di tipo M provenienti da diversi paesi non sono sempre reciprocamente compatibili.
La marcatura ISO della cinghia è composta dal numero dei denti, dal tipo di sezione trasversale della cinghia e dalla sua lunghezza efficace. Ad esempio, una cinghia di tipo PM, composta da 10 denti e con una lunghezza efficace di 3550 mm, è identificata come 10PM3550, mentre nel Regno Unito e negli Stati Uniti è identificata come 550M10.
Per misurare la lunghezza efficace (L) della cinghia si utilizzano apparecchiature specializzate. Ogni modello di cinghia presenta valori specifici relativi al diametro efficace della puleggia (d) al momento della misurazione. È opportuno osservare che la lunghezza efficace (L) utilizzata dagli standard ISO corrisponde, in termini di significato, alla lunghezza di passo (Pitch Length) adottata in paesi come il Regno Unito e gli Stati Uniti: entrambe indicano infatti la circonferenza della cinghia misurata sul diametro efficace della puleggia d. Serie standard identiche di lunghezze di passo sono state stabilite nel Regno Unito, negli Stati Uniti, in Giappone e in altri paesi, ma non nello standard ISO/DP9982.
2. Tipi di puleggia e dimensioni della sezione trasversale
Le pulegge per cinghie multiple a V sono classificate in cinque tipi secondo la norma ISO/DP9982, e le relative dimensioni della sezione trasversale sono riportate nella Figura 4 e nella Tabella 2.
Il diametro esterno (da) della puleggia può essere (come specificato dalla norma ISO) uguale o diverso dal diametro efficace (d.). Tuttavia, in altri paesi come il Regno Unito, gli Stati Uniti e il Giappone il diametro esterno della puleggia corrisponde pienamente al diametro primitivo. Va precisato che il diametro efficace, definito dalla norma ISO, e il diametro primitivo utilizzato in paesi quali il Regno Unito e gli Stati Uniti, sono in effetti lo stesso diametro. Sia in termini di lunghezza efficace della cinghia sia di diametro efficace, la loro definizione e le relative specifiche nella norma ISO sono rigorosamente definite e precise. Il motivo è che il diametro primitivo reale (dp) di una puleggia per cinghie multiple a V deve trovarsi nella posizione del piano neutro della cinghia dopo che quest’ultima è stata montata sulla puleggia e opportunamente tesa, come illustrato nella Figura 5.
Sulla base della Figura 5 possiamo osservare che la forza sul diametro primitivo della puleggia viene calcolata mediante la seguente equazione:
La Tabella 2 indica la differenza effettiva tra le linee. △e nella formula.
La velocità periferica (V) e il rapporto di trasmissione (i) della cinghia vengono calcolati principalmente in base al diametro della circonferenza primitiva, secondo la seguente equazione:
Dove: dp1 è il diametro della circonferenza primitiva della puleggia minore, espresso in millimetri; n1 è la velocità di rotazione della puleggia minore, espressa in giri al minuto.
Nell’equazione, i pedici 1 e 2 si riferiscono rispettivamente alla puleggia minore e a quella maggiore.
Per evitare sollecitazioni eccessive da flessione della cinghia durante la trasmissione e per ridurne la durata, la norma ISO ha indicato il diametro effettivo minimo (dmin) di ciascun tipo di cinghia, come riportato nella Tabella 2.
Nella lavorazione meccanica, per regolare la profondità della scanalatura in una puleggia per cinghie multiple a V, si deve determinare il diametro esterno (d₂) della barra di misura (o sfera) inserita nella scanalatura, come illustrato nella Figura 6. La formula di calcolo è: d₂ = d + 2K.
Dove: k e d₉ della barra di misura (sfera), K e d₉, sono indicati nella Tabella 2.
Quando la puleggia è realizzata con dₐ = d, allora d₂ = dₐ + 2K. La tolleranza limite per d₂ è ±0,13 mm.
III. Applicazioni dei trasmissioni con cinghie multiple a V
I trasmissioni a cinghia multi-V sono ampiamente utilizzate in molti settori industriali nei paesi esteri, quali l’industria automobilistica, tessile, chimica, della difesa, degli elettrodomestici e delle macchine per ufficio. Le trasmissioni a cinghia multi-gola risultano particolarmente adatte per sostituire le trasmissioni a cinghia trapezoidale negli impianti che impiegano numerose cinghie trapezoidali e sono soggetti a carichi d’urto elevati. Tra questi rientrano le macchine per il taglio di stracci, filato scartato e tessuti per tomaie di calzature; le macchine tessili pesanti e le pompe a pistone. Inoltre, nelle trasmissioni in cui l’asse dell’albero ruota è perpendicolare al suolo o semi-incrociato, la sostituzione delle trasmissioni a cinghia trapezoidale o piana con trasmissioni a cinghia multi-V offre vantaggi eccezionalmente significativi.
I parametri operativi delle trasmissioni a cinghia multi-V sono approssimativamente i seguenti: velocità di rotazione n₁ = 200–10.000 giri/min; potenza P₁ = circa 0,2 kW fino a 300 kW; rapporto di trasmissione i ≤ 10; l’efficienza di trasmissione è paragonabile a quella delle cinghie piane, η ≈ 0,97.
I gruppi di trasmissione a cinghia multi-V hanno creato numerosi problemi per quanto riguarda le prospettive di sviluppo di tali sistemi in Cina. La sostituzione di molte cinghie multi-V ormai obsolete, utilizzate su apparecchiature importate, rappresenta un problema particolarmente urgente. Non solo la produzione locale di cinghie multi-V conformi consentirebbe al paese di risparmiare una notevole quantità di valuta estera, ma contribuirebbe anche all’adozione diffusa della nuova tecnologia di trasmissione a cinghia in vari settori industriali. Ciò favorirebbe attivamente la crescita e lo sviluppo dell’industria manifatturiera di cinghie in Cina.