Innesto

Gli innesti sono meccanismi che consentono di stabilire o di interrompere a comando il collegamento fra due alberi. Sono indispensabili quando occorra accoppiare due parti di un sistema aventi velocità diverse.

È il caso, ad esempio, del collegamento tra il motore e le ruote negli autoveicoli con motore termico. Infatti i motori a combustione interna non possono funzionare al di sotto di certe velocità di rotazione ed è necessario che siano scollegati dalle ruote quando queste sono ferme o girano molto lentamente. La velocità angolare del motore può così mantenersi al di sopra del minimo e consentirgli di non spegnersi.

Gli innesti possono trasmettere, al più, la coppia massima per la quale sono dimensionati e tarati: possono perciò anche fungere da limitatori di sovraccarico. Gli innesti possono essere divisi secondo diverse classificazioni. In questa sede si farà riferimento al mezzo adottato per collegare i due alberi del meccanismo. Si possono così distinguere:

  • innesti meccanici;
  • innesti idraulici;
  • innesti a polveri;
  • innesti magnetici.

Caratteristiche degli innesti

Gli innesti sono in grado di trasmettere, a seconda della tipologia, potenze variabili da frazioni di Watt a migliaia di kWatt. Gli innesti meccanici per attrito radente sono in genere i più semplici e meno costosi. Hanno rendimento unitario e non provocano perdite di energia quando l’innesto è aperto. Vengono costruiti anche innesti a bagno d’olio. In questo caso la presenza dell’olio non consente di disaccoppiare completamente gli alberi e il rendimento non è unitario.

Gli innesti idraulici costano di più ed hanno perdite di rendimento anche a regime. Presentano peraltro i seguenti vantaggi:

  • trasmettono facilmente potenze molto elevate;
  • sono robusti e molto affidabili;
  • entrano in funzione automaticamente senza necessità di organi di comando;
  • l’azione di trascinamento è dolce e progressiva e può essere regolata variando il grado di riempimento;
  • permettono il collegamento in parallelo di più motori e la ripartizione automatica del carico fra gli stessi;
  • consentono ai motori di partire anche in presenza di carichi elevati;
  • il rapporto momento d’inerzia/potenza è modesto;
  • l’usura e la necessità di manutenzione sono praticamente nulle;
  • filtrano le irregolarità periodiche tipiche dei motori a combustione interna, evitando il ricorso a grandi volani, e smorzano le oscillazioni torsionali;
  • sopportano partenze ripetute, anche se molto lente per l’inerzia delle masse trascinate;
    limitano la coppia trasmessa ed impediscono sovraccarichi accidentali;
  • durante la marcia a regime le perdite dovute allo scorrimento possono essere evitate collegando in modo rigido i due alberi, ad esempio con innesti a denti.

Infine, usando trasformatori di coppia è possibile disporre, all’avviamento, di coppie superiori a quelle del motore.

Si citano infine gli innesti a polveri e gli innesti magnetici che hanno il vantaggio di offrire un rendimento pressoché unitario durante la marcia normale. Gli innesti a polveri hanno vantaggi analoghi a quelli offerti dagli innesti idraulici, ma richiedono più manutenzione. In particolare la polvere deve essere cambiata quando il 25% della carica è ridotta allo stato di pulviscolo.

Gli innesti magnetici hanno il vantaggio di poter essere regolati durante il funzionamento agendo sulla corrente d’alimentazione degli avvolgimenti elettrici. Oltre che come innesti progressivi possono essere utilizzati come variatori di velocità, come limitatori di coppia ed infine come freni elettromagnetici (bloccando uno dei due rotori). Tuttavia, non essendo costruiti per essere variatori di velocità, quando realizzano tale funzione dissipano potenza in calore.

Innesti meccanici

Gli innesti meccanici possono essere di due tipi:

  1. ad accoppiamento istantaneo o a denti;
  2. ad accoppiamento progressivo.

Innesti ad accoppiamento istantaneo

Gli innesti ad accoppiamento istantaneo (detti anche a denti) possono essere a denti frontali rettangolari, a spirale, a dente di sega o a denti radiali. Gli innesti a denti frontali rettangolari sono i più semplici e possono trasmettere coppia in entrambi i versi di rotazione, in teoria senza dar luogo ad una spinta assiale; in pratica dopo un certo numero di innesti, l’usura fa nascere una certa spinta assiale.

Possibili varianti sono quelle in cui il profilo rettangolare è completato da raccordi circolari di testa e di gola, per agevolare l’innesto. Naturalmente, le due parti degli innesti a denti possono essere accoppiate solo quando la differenza fra le velocità angolari è nulla o modesta, per evitare eccessive sollecitazioni inerziali.

Qualora sia previsto un solo verso di trasmissione della coppia, si adottano profili a spirale o a denti di sega, che permettono l’innesto con alberi in rotazione con velocità diverse, ma a bassa velocità. Essi però possono trasmettere coppia solo in una direzione, senza che sia richiesta una forza assiale esterna per mantenere il collegamento.

Gli innesti a denti radiali, cioè con scanalature assiali diritte, sono molto usati per ottenere un innesto positivo senza tendenza a sviluppare una forza assiale. Una classica applicazione si ha, ad esempio, nei manicotti sincronizzatori del cambio di velocità degli autoveicoli. Durante la fase di innesto dapprima le superfici di attrito coniche rendono uguali le velocità della ruota dentata e del manicotto, poi la parte esterna del manicotto scorre assialmente fino a bloccare, con le sue scanalature assiali, una dentatura d’innesto solidale con la ruota dentata, sempre in presa, che si vuole rendere solidale all’albero di uscita.

Innesti con accoppiamento progressivo

Gli innesti con accoppiamento progressivo consentono di realizzare il collegamento graduale fra due alberi, attenuando così gli effetti inerziali sulle due parti del sistema che devono essere collegate. La trasmissione delle forze è realizzata per attrito radente, sicché questi innesti sono anche detti a frizione.

È possibile realizzare un innesto graduale facendo crescere progressivamente la forza normale, che spinge l’una contro l’altra due o più superfici d’attrito. La possibilità di strisciamento previene gli urti e protegge il sistema dai sovraccarichi; crea però problemi di dissipazione del calore.

Gli innesti a frizione possono essere a disco (monodisco o a dischi multipli). Sono di tipo assiale e constano di due o più superfici concentriche che vengono spinte l’una contro l’altra, in modo che la forza tangenziale d’attrito trasmetta la coppia dell’albero d’ingresso a quello d’uscita. In particolare, gli innesti a dischi multipli constano di un numero elevato di dischi d’acciaio di piccolo spessore, collegati alternativamente all’albero motore e a quello condotto. Sui dischi sono applicate le guarnizioni, talvolta fabbricate con materiali metallici sinterizzati.

Il contatto può avvenire a secco o in un bagno d’olio. A prima vista il funzionamento di un innesto a frizione in bagno d’olio può sembrare un controsenso, in quanto il fattore d’attrito risulta diminuito dalla presenza del lubrificante. In realtà spesso la vicinanza di altri organi meccanici lubrificati rende difficile garantire un funzionamento a secco dell’innesto, mentre una lubrificazione completa offre ampie possibilità di smaltimento del calore ed una maggiore progressività dell’innesto.

La scelta della guarnizione in relazione alle condizioni di impiego ha importanza capitale per il buon funzionamento dell’innesto. L’accoppiamento deve avere un fattore d’attrito sufficiente per trasmettere la coppia desiderata senza necessità di eccessiva forza di contatto, e senza strisciare in presenza di unto o di moderate riduzioni della forza di contatto. D’altra parte un fattore d’attrito troppo elevato può dar luogo ad accoppiamenti brutali. Sono considerati valori minimi e massimi del fattore d’attrito, per guarnizioni d’accoppiamento, rispettivamente 0,1 e 0,4. La guarnizione deve avere, per quanto possibile, condizioni operative poco variabili nel tempo. Occorre quindi tener conto del fatto che il fattore d’attrito varia con la temperatura delle guarnizioni e con la pressione di contatto.

La coppia trasmissibile dall’innesto dipende dal numero di superfici d’attrito (due nel caso di frizione monodisco). Frizioni a dischi multipli trasmettono coppie maggiori; tendono peraltro a surriscaldarsi. Esse sono particolarmente indicate per applicazioni a bassa velocità, nelle quali è richiesta una elevata coppia di tipo statico; per uso dinamico ad elevata velocità conviene invece limitare il numero delle superfici di frizione. Gli innesti con dischi multipli hanno il vantaggio della piccolezza del diametro in relazione alla capacità di coppia, con conseguente riduzione delle forze centrifughe e del momento d’inerzia.

Tra le applicazioni degli innesti a frizione di tipo conico si è già citata l’applicazione ai sincronizzatori degli autoveicoli. L’inclinazione delle superfici a contatto genera un effetto cuneo del tipo già citato per le ruote di frizione e per le cinghie trapezie: rispetto agli innesti con superfici piane risulta dunque accresciuta, a parità di spinta, la forza d’attrito e quindi la coppia trasmessa dall’innesto.

Gli innesti a frizione di tipo radiale presentano superfici d’attrito cilindriche (o eventualmente a cuneo) ed agiscono per espansione o per contrazione radiali o, in certi tipi, nei due modi contemporaneamente. Innesti di questo tipo vengono frequentemente costruiti all’interno di pulegge o di volani.

Innesti idraulici

Gli innesti idraulici utilizzano un liquido per trasmettere la potenza fra l’albero di ingresso e quello di uscita. Si distinguono:

  • innesti idraulici nei quali le coppie di ingresso e di uscita sono uguali;
  • trasformatori o convertitori di coppia, nei quali le coppie di ingresso e di uscita sono diverse (in genere la coppia in uscita è superiore a quella in ingresso).

L’innesto idraulico è costituito essenzialmente da una girante che funge da pompa centrifuga, affacciata ad una girante che funge da turbina. Condizione affinché vi possa essere trasferimento di energia dalla girante pompa alla girante turbina è che la seconda ruoti ad una velocità inferiore a quella della prima; in assenza di tale condizione, si arresterebbe la corrente di fluido fra le due giranti, necessaria al funzionamento.

Infatti il fluido nella girante pompa si sposta dal centro verso la periferia per effetto della forza centrifuga e, nel passaggio da un raggio minore ad uno maggiore, viene trascinato ad una maggiore velocità tangenziale ed assorbe energia dalla girante pompa. Il fluido entra poi nella girante turbina che riceve così potenza e si mette in rotazione.

Tuttavia la velocità di rotazione della girante turbina non può raggiungere quella della girante pompa, perché in tale ipotesi si creerebbe eguaglianza di forze centrifughe nelle due parti affacciate dell’innesto e perciò la corrente di fluido si arresterebbe.