Il riduttore a vite senza fine è uno dei sistemi di trasmissione meccanica più antichi e diffusi nell'industria. La geometria si è evoluta nel corso dell'era industriale, ma il principio ingegneristico – una vite senza fine in acciaio che scorre contro una ruota elicoidale in bronzo per ottenere un'elevata riduzione in un singolo ingranamento – è rimasto sostanzialmente invariato. Questo articolo illustra cos'è un riduttore a vite senza fine, come trasmette la potenza, le cinque famiglie più comuni utilizzate nell'industria coreana e asiatica e i settori applicativi in ​​cui questo tipo di riduttore risulta vincente per ragioni ingegneristiche piuttosto che solo per il prezzo.

La struttura a vite senza fine e ruota dentata: come la potenza si trasferisce dall'acciaio al bronzo.

Un riduttore a vite senza fine trasmette la coppia attraverso una coppia di componenti intrinsecamente asimmetrici. Il lato di ingresso del riduttore è costituito da un albero a vite senza fine in acciaio temprato, con una filettatura continua e profonda lungo tutta la sua lunghezza; il lato di uscita è una ruota elicoidale in bronzo, un disco con denti circonferenziali sagomati per ingranare con la filettatura durante la rotazione della vite. Ad ogni giro completo della vite, la sua filettatura scorre lungo i denti della ruota e la fa avanzare di un numero di denti pari al numero di filetti della vite (tipicamente uno, due o quattro). Il rapporto di riduzione è quindi pari al numero di denti della ruota diviso per il numero di filetti della vite: una ruota a 30 denti azionata da una vite senza fine a un solo filetto fornisce una riduzione i=30.

Il contatto tra vite senza fine e ruota è di tipo radente, non volvente. Questa è la distinzione ingegneristica che definisce il riduttore a vite senza fine rispetto agli ingranaggi elicoidali, cilindrici o conici, dove i denti rotolano l'uno contro l'altro. Il contatto radente ha due conseguenze fondamentali. In primo luogo, genera maggiore attrito e quindi più calore rispetto al contatto volvente, il che limita l'efficienza di ingranamento pratica a 70-85% nelle geometrie a vite senza fine a singolo stadio, ben al di sotto dei 95-98% offerti dalle trasmissioni elicoidali. In secondo luogo, il contatto radente, con la geometria corretta, produce un autobloccaggio: la vite senza fine non può essere fatta ruotare in senso inverso dalla coppia applicata alla ruota, perché l'attrito sulla linea di contatto si oppone alla rotazione inversa. Questa seconda proprietà è il motivo per cui ascensori, piattaforme elevatrici e martinetti a vite nei settori dell'edilizia e della movimentazione industriale sono prevalentemente azionati da viti senza fine.

La ruota in bronzo è il componente soggetto a usura. Dopo decine di migliaia di ore di funzionamento, i fianchi dei suoi denti si erodono a causa dello scorrimento della vite senza fine in acciaio. L'albero a vite senza fine del riduttore, in acciaio temprato, rimane sostanzialmente inalterato nello stesso periodo: una differenza di durezza di circa due ordini di grandezza garantisce che il bronzo, essendo più morbido, si assorba l'usura. Questa caratteristica è voluta: la sostituzione di una ruota in bronzo usurata tramite un kit di dentatura costa circa un terzo della sostituzione completa dell'unità, mentre l'alloggiamento, i cuscinetti e l'albero a vite senza fine rimangono utilizzabili per tutta la durata strutturale dell'alloggiamento, pari a oltre 100.000 ore.

Per i team di manutenzione che gestiscono una flotta di impianti, l'approvvigionamento abbinato coppie vite senza fine e ruota elicoidale La sostituzione dei denti è un aspetto fondamentale della strategia di gestione dei pezzi di ricambio. Le ruote in bronzo e gli alberi a vite senza fine in acciaio sono disponibili a magazzino con dimensioni compatibili con i telai NMRV, WP, RV e Fenner, in modo da poter specificare un kit di sostituzione dei denti in base alle dimensioni del telaio e al rapporto di trasmissione, senza che il resto del riduttore a vite senza fine debba essere messo fuori servizio per un periodo prolungato.

Geometria di uscita ad angolo retto: perché è importante nelle configurazioni di macchine con spazi limitati.

Un riduttore a vite senza fine produce naturalmente un cambio di direzione dell'albero di 90 gradi. L'albero a vite senza fine giace lungo un asse; la ruota elicoidale è posizionata perpendicolarmente ad esso sull'asse di uscita. Questa geometria ad angolo retto è ciò che rende il riduttore a vite senza fine la scelta predefinita per le macchine con spazi ristretti, dove il motore deve essere imbullonato a un lato del telaio e il carico deve ruotare su un asse perpendicolare. La svolta di 90 gradi è intrinseca alla geometria, non è un'aggiunta di un giunto esterno.

Confrontiamo questo con un riduttore a ingranaggi elicoidali o cilindrici, dove gli alberi di ingresso e di uscita sono paralleli: utile per le trasmissioni in linea, ma inutile quando l'asse di carico è perpendicolare. Oppure con un riduttore a ingranaggi conici, dove i due assi si intersecano, ma richiedono fasi di produzione aggiuntive e tolleranze di assemblaggio più strette. I riduttori a vite senza fine offrono la curva a 90 gradi più precisa nel minimo ingombro. Per le pulegge della testa del trasportatore azionate da motori montati a lato del telaio del trasportatore, per i motori dei miscelatori dove il motore è posizionato orizzontalmente e l'asse della girante è verticale, per i motori delle tavole rotanti dove l'asse di indicizzazione deve essere allineato con il centro della tavola: ognuno di questi sistemi beneficia dell'intrinseca architettura ad angolo retto del riduttore a vite senza fine.

Spiegazione del rapporto di riduzione: da i=5 a i=100 in un'unica fase

Il rapporto di riduzione di un riduttore a vite senza fine è pari al numero di denti della ruota elicoidale diviso per il numero di filetti dell'albero della vite senza fine. Una ruota con 30 denti azionata da una vite senza fine a un solo primo passo produce un rapporto i=30. La stessa ruota azionata da una vite senza fine a doppio primo passo produce un rapporto i=15. Una vite senza fine a quattro primi passi produce un rapporto i=7,5. I rapporti di catalogo i=5, 7,5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 80 e i=100 coprono l'intervallo standard dei riduttori a vite senza fine, sebbene non tutte le dimensioni del telaio offrano tutti i rapporti.

Le geometrie dei riduttori a vite senza fine a singolo stadio coprono praticamente l'intervallo i=5 fino a i=100. Al di sotto di i=5, la filettatura della vite senza fine diventa quasi elicoidale e non si autoblocca più sotto carico; al di sopra di i=100, l'efficienza di ingranamento crolla al di sotto di 60% e il riduttore diventa più un generatore di calore che un trasmettitore di coppia. Per applicazioni che richiedono una riduzione maggiore, come agitatori a bassa velocità, chiarificatori di acque reflue e azionamenti per inseguitori solari, una geometria a vite senza fine elicoidale a 2 stadi combina uno stadio primario elicoidale con uno secondario a vite senza fine, estendendo l'intervallo di rapporti pratici fino a 3.631:1 e oltre, mantenendo un'efficienza accettabile. La serie UNICASE SK 13xxx di Nord ne è l'esempio canonico; l'equivalente coreano Ever-Power viene fornito in grandi quantità agli impianti di trattamento delle acque reflue e di processo in Corea e in Asia.

All'interno dell'alloggiamento: vite senza fine, ruota, cuscinetti e guarnizioni.

Un riduttore a vite senza fine è costruito attorno a sei elementi centrali all'interno del suo alloggiamento. L'albero della vite senza fine è in acciaio legato cementato — tipicamente 20CrMnTi nei cataloghi asiatici ed europei — con una durezza superficiale di 56-62 HRC sulla superficie di contatto dopo rettifica a una fine finitura Ra di 0,4 µm. La ruota elicoidale è in bronzo fuso centrifugo, con bronzo allo stagno CuSn12 (≈ ZQSn12-2 secondo la norma cinese GB/T 1176) come standard industriale e bronzo all'alluminio CuAl10Fe3 come aggiornamento per cicli elevati per applicazioni con oltre 1.500 cicli di sollevamento all'anno.

I cuscinetti rappresentano il successivo elemento critico del riduttore a vite senza fine. Coppie di cuscinetti a contatto angolare sono montate sull'albero della vite senza fine per assorbire la notevole spinta assiale generata dalla filettatura sotto carico; coppie di cuscinetti a rulli conici sono montate sull'albero di uscita per gestire i pesanti carichi a sbalzo tipici delle pulegge di testa dei nastri trasportatori e degli azionamenti di partenza a catena. Le guarnizioni dell'albero in corrispondenza di ogni passaggio sono guarnizioni a labbro in Viton, resistenti al calore e tolleranti all'olio, lo standard industriale che ha sostituito i precedenti materiali in gomma nitrilica decenni fa. Il lubrificante è minerale CLP 220 per le configurazioni standard più economiche, oppure sintetico PAG ISO VG 220 per gli impianti che operano a temperature del bagno d'olio superiori a 80 °C in modo continuativo.

L'involucro stesso definisce la classificazione ambientale dell'unità. Gli involucri in alluminio pressofuso (tipici dei telai NMRV da RV025 a RV090) sono leggeri, dissipano rapidamente il calore e si adattano all'integrazione con macchinari OEM. Gli involucri in ghisa (tipici dei telai WP e dei modelli più grandi da RV110 a RV150) hanno una massa termica tre volte superiore e una rigidità strutturale circa doppia rispetto a un corpo in alluminio di pari classificazione, risultando adatti a impieghi gravosi e continui in ambienti polverosi. Gli involucri in acciaio inossidabile (un'opzione più rara, tipicamente a partire dal modello RV110) sono adatti ad applicazioni marine e alimentari, dove l'atmosfera salina o i lavaggi quotidiani escludono l'utilizzo di ghisa verniciata.

Le cinque famiglie più comuni di riduttori a vite senza fine

I cataloghi industriali in Corea e in Asia classificano le famiglie di riduttori a vite senza fine in cinque modelli, ognuno con sottili ma importanti distinzioni geometriche e di materiale. La scelta del modello più adatto a una specifica applicazione è il primo passo, prima ancora di definire le dimensioni e il rapporto di riduzione.

NMRV / EP-NMRV — Lo standard italiano per l'alloggiamento in alluminio. Geometria a vite senza fine a singolo stadio; interassi da 25 mm (NMRV025) a 150 mm (NMRV150); rapporti da i=7,5 a i=100 in undici posizioni di catalogo; ruota in bronzo sinterizzato con mozzo in acciaio; flangia motore IEC standard. La famiglia di riduttori a vite senza fine più specificata nelle macchine OEM asiatiche, tra cui la Ever-Power coreana. Riduttore a vite senza fine MRV050 e la variante più ampia della flangia di uscita EP-NMRV..F.

Famiglia WP (WPA / WPS / WPO / WPDA / WPDS / WPWA / WPWO / WPWDKS) — Modello industriale cinese. Alloggiamento in ghisa; più robusto del modello NMRV; diverse sottocategorie si distinguono per la configurazione dell'albero di ingresso e di uscita. Le lettere nel codice identificano il lato di ingresso (S=albero di ingresso pieno, A=adattatore per motore separato, K=adattatore di ingresso combinato) e il lato di uscita (O=flangia di uscita, DA=gruppo a doppio albero, DKS=uscita a doppio albero pieno). L'alloggiamento in ghisa rende le unità modello WP lo standard per le applicazioni industriali nel settore del cemento, minerario e a funzionamento continuo.

RV / EP-RV — La variante del motoriduttore a vite senza fine ad angolo retto, spesso utilizzata per azionamenti di martinetti a vite nelle costruzioni con casseforme mobili e nei meccanismi di sollevamento per palcoscenici, dove la geometria ad angolo retto si adatta direttamente a un carico ad albero verticale. Gli stessi telai RV sono impiegati in ambito industriale generale, dove l'applicazione beneficia di un adattatore motore strettamente integrato.

Verme elicoidale — Riduttore ibrido a due stadi che combina uno stadio primario elicoidale con uno secondario a vite senza fine, estendendo il rapporto di riduzione fino a 3.631:1 e oltre, mantenendo al contempo un'efficienza combinata superiore a 80% nella maggior parte del range di funzionamento. La serie UNICASE SK 13xxx di Nord e i suoi equivalenti SEW-Eurodrive definiscono questa categoria nei cataloghi europei; la coreana Ever-Power e altri produttori asiatici realizzano ricambi dimensionalmente intercambiabili.

Universale / Combinato — Unità per applicazioni speciali che combinano un riduttore a vite senza fine a singolo stadio con uno stadio di ingresso planetario o elicoidale per rapporti di riduzione molto elevati (5.000:1 e oltre), utilizzate negli azionamenti dei rulli metallurgici, nei sistemi di rotazione dei forni e in altre applicazioni di nicchia in cui il rapporto richiesto supera quello raggiungibile da un riduttore a vite senza fine elicoidale a due stadi.

Comportamento autobloccante: la proprietà di sicurezza che nessun altro possiede

L'autobloccaggio è la proprietà che distingue un riduttore a vite senza fine dai riduttori elicoidali, epicicloidali e conici nelle applicazioni di sollevamento. In un riduttore a vite senza fine, quando l'angolo di elica della vite è sufficientemente piccolo (corrispondente a rapporti i ≥ 30 in modo affidabile e i = 15 a 25 parzialmente), l'attrito al contatto di scorrimento si oppone a qualsiasi coppia motrice inversa proveniente dal carico. Se il motore si arresta, il carico rimane fermo. Il riduttore non va per inerzia né arretra. Al di sotto di i = 10 la geometria non è più autobloccante e un freno esterno diventa obbligatorio per qualsiasi applicazione di sollevamento.

Questa proprietà meccanica è il motivo per cui ascensori, martinetti a vite, piattaforme a forbice, piattaforme di costruzione a casseratura mobile e meccanismi di sollevamento per palcoscenici sono prevalentemente azionati da ingranaggi a vite senza fine. Gli ingranaggi elicoidali e planetari tendono a invertire la marcia facilmente sotto carico statico: necessitano di un freno attivo per mantenere la posizione. Un riduttore a vite senza fine mantiene la posizione passivamente grazie alla geometria di attrito, eliminando una modalità di guasto critica per la sicurezza (malfunzionamento del freno) dall'analisi dei rischi dell'applicazione di sollevamento.

Si noti che le normative coreane in materia di sicurezza sul lavoro nel settore edile (Legge sulla sicurezza e la salute sul lavoro) e le normative equivalenti nella maggior parte dei mercati asiatici richiedono ancora un freno attivo sulle piattaforme di sollevamento per persone. Il bloccaggio automatico rappresenta il secondo livello di sicurezza, non il sistema di sicurezza primario, a supporto del freno motorizzato. Tuttavia, la ridondanza è reale e migliora sostanzialmente l'affidabilità complessiva del sistema di sollevamento, motivo per cui le specifiche relative alle piattaforme a ribaltamento e agli azionamenti per ascensori richiedono sempre una geometria a vite senza fine anziché alternative elicoidali o epicicloidali.

Dove le trasmissioni a vite senza fine hanno la meglio sulle alternative elicoidali, coniche e planetarie

Tre caratteristiche applicative spingono la scelta ingegneristica verso un riduttore a vite senza fine rispetto ad altre geometrie di trasmissione. In primo luogo, l'elevata riduzione in un singolo ingranamento: la geometria a vite senza fine offre un rapporto di riduzione i=100 in un unico stadio, laddove le trasmissioni elicoidali e coniche richiedono 2-3 stadi con conseguenti costi e ingombro maggiori. In secondo luogo, la configurazione ad angolo retto dell'uscita è intrinseca alla geometria a vite senza fine, anziché essere ottenuta tramite accoppiamento esterno. In terzo luogo, la coppia di tenuta autobloccante è una caratteristica esclusiva delle trasmissioni a vite senza fine; nessun altro sistema mantiene la posizione passivamente.

Dove le alternative vincono il confronto: efficienza (elicoidale a 95-98% contro a vite senza fine a 70-85%), gioco (planetario inferiore a 5 arc-min contro a vite senza fine a oltre 30 arc-min in genere) e funzionamento continuo ad alta velocità (elicoidale gestisce un ingresso di oltre 3.000 giri/min, mentre i limiti termici della vite senza fine in genere si fermano a 1.500 giri/min). Per i rotatori di indicizzazione servoassistiti, gli azionamenti di precisione delle viti di avanzamento o le applicazioni ad alto numero di giri, gli azionamenti planetari o elicoidali sono la scelta giusta. Per tutto il resto in cui il rapporto, la disposizione ad angolo retto o il bloccaggio automatico sono importanti — applicazioni gestite al meglio da un riduttore a vite senza fine — che copre la maggior parte delle applicazioni di azionamento meccanico industriale — la geometria a vite senza fine rimane lo standard ingegneristico predefinito.

Settori industriali che utilizzano unità a worm: una rapida panoramica settoriale.

Nell'industria coreana e asiatica, le applicazioni dei riduttori a vite senza fine si raggruppano in otto settori principali. Ciascun settore presenta convenzioni tipiche in termini di dimensioni del telaio, rapporto di riduzione, potenza del motore e materiale dell'alloggiamento, sviluppate nel corso di decenni di esperienza sul campo.

Sistemi di trasporto industriali — I riduttori a vite senza fine per nastri trasportatori a catena e cinghie di medie e grandi dimensioni rappresentano la principale applicazione in termini di volume per i riduttori a vite senza fine in tutti i settori. Le dimensioni tipiche variano da NMRV063 (nastri trasportatori per imballaggi leggeri) fino a FU1000 o WPDA-180 (movimentazione di materiali sfusi pesanti). La cassa in ghisa è predominante per potenze superiori a 2,2 kW.

Macchinari per l'imballaggio e l'industria alimentare — Le macchine per l'incartonatura, il riempimento, l'indicizzazione e i nastri trasportatori lavabili funzionano tutti con un riduttore a vite senza fine. Gli alloggiamenti in alluminio eccellono in questo ambito grazie alla loro uscita ad angolo retto compatta e alle superfici esterne lisce che ne facilitano il lavaggio.

attrezzature di sollevamento per l'edilizia — Le piattaforme a sollevamento rapido, i sollevatori a forbice e i martinetti a vite utilizzano tutti un riduttore a vite senza fine autobloccante, dove l'autobloccaggio è il criterio di selezione determinante. L'ingresso del motore sincrono sulle piattaforme multi-martinetto garantisce che la struttura si sollevi perfettamente in piano ciclo dopo ciclo.

Agitatori e miscelatori per impianti di processo — Azionamenti di miscelazione a bassa velocità in cui l'elevato rapporto di riduzione del riduttore a vite senza fine si combina con una bassa velocità di uscita (tipicamente 3-15 giri/min). L'alloggiamento in ghisa assorbe il momento radiale derivante dal carico del peso della girante.

Energia rinnovabile — I sistemi di inseguimento solare con i=100 a i=400 utilizzano il riduttore a vite senza fine per una rotazione lenta e precisa che segue il sole. Il sistema autobloccante mantiene l'array in posizione contro il carico del vento senza bisogno di un freno attivo.

Cemento, attività minerarie e minerali — Azionamenti ausiliari per polveri pesanti, dove l'alloggiamento in ghisa resiste laddove le alternative più leggere si guastano in pochi mesi. La certificazione ATEX Zona 22 per polveri è sempre più comune per queste specifiche.

Acque reflue e scarichi — Azionamenti lenti per raschiatori, chiarificatori e aeratori a velocità inferiori a 1 giro/minuto, ottenibili solo tramite geometria a vite senza fine elicoidale a 2 stadi. Sono comuni le varianti in ferro verniciato e in acciaio inossidabile.

settore marittimo e offshore — Attuatori per portelli, azionamenti per verricelli, sollevatori per casseforme rampanti, dove gli alloggiamenti in acciaio inossidabile gestiscono atmosfere saline per decenni di servizio.

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Redattore: Cxm