Catene a rulli a passo corto per trasportatori Triplex Engineering 04css-3 in acciaio inox

Catena a rulli

La catena a rulli o a boccola è il tipo di trasmissione a catena più comunemente utilizzato per la trasmissione di potenza meccanica su molti tipi di macchine domestiche, industriali e agricole, tra cui trasportatori, macchine trafilatrici e tubolari, presse da stampa, automobili, motocicli e biciclette. È costituito da una serie di rulli cilindrici corti tenuti insieme da maglie laterali. È azionato da una ruota dentata denominata ruota dentata. Si tratta di  un mezzo di trasmissione di potenza semplice, affidabile ed efficiente[1].

Sebbene Hans Renold sia accreditato di aver inventato la catena a rulli nel 1880, i disegni di Leonardo da Vinci del XVI secolo mostrano una catena con cuscinetto a rulli.

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<sup>Costruzione della catena
Due diverse dimensioni della catena a rulli, che mostrano la struttura.
Nella catena a rulli della boccola sono alternati due tipi di maglie. Il primo tipo è costituito da maglie interne, aventi due piastre interne tenute insieme da due manicotti o boccole sui quali ruotano due rulli. Le maglie interne si alternano al secondo tipo, le maglie esterne, costituite da due piastre esterne tenute insieme da perni passanti attraverso le boccole delle maglie interne. La catena a rulli "senza bushingless" è simile nel funzionamento anche se non nella costruzione; invece di boccole o manicotti separati che tengono insieme le piastre interne, la piastra ha un tubo stampato in essa che sporge dal foro che serve allo stesso scopo. Ciò ha il vantaggio di rimuovere un gradino durante l'assemblaggio della catena.

Il design della catena a rulli riduce l'attrito rispetto ai design più semplici, con conseguente maggiore efficienza e minore usura. Le varietà originali di catene di trasmissione di potenza sono prive di rulli e boccole, con sia le piastre interna che quella esterna trattenute da perni che contattavano direttamente i denti della ruota dentata; tuttavia questa configurazione presentava un'usura estremamente rapida sia dei denti della ruota dentata, sia delle piastre dove sono imperniate sui perni. Questo problema è stato parzialmente risolto dallo sviluppo di catene a spazzole, con i perni che trattengono le piastre esterne che passano attraverso boccole o manicotti che collegano le piastre interne. Ciò ha distribuito l'usura su una maggiore area; tuttavia i denti dei pignoni indossano ancora più rapidamente di quanto si desideri, dall'attrito di scorrimento contro le boccole. L'aggiunta di rulli che circondano i manicotti della boccola della catena e che hanno fornito un contatto di rotolamento con i denti dei pignoni, con conseguente eccellente resistenza all'usura sia dei pignoni che della catena. L'attrito è anche molto basso, purché la catena sia sufficientemente lubrificata. La lubrificazione continua, pulita e delle catene a rulli è di primaria importanza per un funzionamento efficiente e per un corretto tensionamento.

Lubrificazione
Molte catene di trasmissione (ad esempio, nelle attrezzature di fabbrica, o che azionano un albero a camme all'interno di un motore a combustione interna) funzionano in ambienti puliti, e quindi le superfici di usura (cioè, i perni e le boccole) sono sicure da precipitazioni e graniglia aerotrasportate, molte anche in un ambiente sigillato come un bagno d'olio. Alcune catene a rulli sono progettate per avere anelli toroidali integrati nello spazio tra la piastra di collegamento esterna e le piastre di collegamento interne del rullo. I produttori di catene hanno iniziato a includere questa caratteristica nel 1971 dopo che l'applicazione è stata inventata da Joseph Montano mentre lavorava per la Whitney Chain di Hartford, Connecticut. Gli o-ring sono stati inclusi come un modo per migliorare la lubrificazione delle maglie delle catene di trasmissione della potenza, un servizio che è di vitale importanza per prolungare la loro vita utile. Questi dispositivi in gomma formano una barriera che trattiene il grasso lubrificante applicato in fabbrica all'interno delle aree di usura del perno e della boccola. Inoltre, gli o-ring in gomma impediscono che sporcizia e altri contaminanti entrino all'interno delle articolazioni della catena, dove tali particelle causerebbero altrimenti un'usura significativa.[senza fonte]

Ci sono anche molte catene che devono funzionare in condizioni sporche e per dimensioni o motivi operativi non possono essere sigillate. Ad esempio, le catene su attrezzature agricole, biciclette e motoseghe. Tali catene avranno necessariamente tassi di usura relativamente elevati, in particolare quando gli operatori sono disposti ad accettare più attrito, meno efficienza, più rumore e sostituzioni più frequenti, poiché trascurano la lubrificazione e la regolazione.

Molti lubrificanti a base di olio attraggono sporcizia e altre particelle, formando una pasta abrasiva che si usurerà sulle catene. Questo problema può essere aggirato mediante l'uso di uno spray PTFE "secco", che forma una pellicola solida dopo l'applicazione e respinge sia le particelle che l'umidità.

Varianti di progettazione

Disposizione di una catena a rulli: 1. Piastra esterna, 2. Piastra interna, 3. Perno, 4. Boccola, 5. Rullo
Se la catena non viene utilizzata per applicazioni ad elevata usura (ad esempio se sta semplicemente trasmettendo il moto da una leva azionata a mano ad un albero di comando di una macchina, o da una porta scorrevole su un forno), allora può essere ancora utilizzato uno dei tipi più semplici di catena. Viceversa, quando è richiesta una maggiore resistenza ma la movimentazione regolare di passo minore, la catena può essere "vagliata"; invece di due sole file di piastre sui lati esterni della catena, possono essere tre ("duplex"), quattro ("triplex"), o più file di piastre parallele, con boccole e rulli tra ciascuna coppia adiacente, e altrettante file di denti che si trovano in parallelo sui pignoni da accoppiare. Le catene di distribuzione sui motori automobilistici, ad esempio, hanno tipicamente più file di piastre denominate trefoli.

La catena a rulli è realizzata in diverse dimensioni, mentre gli standard più comuni dell'American National Standards Institute (ANSI) sono 40, 50, 60 e 80. Le prime cifre indicano il passo della catena in ottanta di pollice, con l'ultima cifra 0 per la catena standard, 1 per la catena leggera e 5 per la catena spazzolata senza rulli. Così, una catena con passo di mezzo pollice sarebbe un numero 40 mentre una ruota dentata n. 160 avrebbe denti distanziati di 2 pollici, ecc. passi metrici sono espressi in sei adolescenti di un pollice; così una catena metrica n. 8 (08B-1) sarebbe equivalente ad un ANSI n. 40. La maggior parte delle catene a rulli è realizzata in carbonio semplice o acciaio legato, ma l'acciaio inossidabile è utilizzato in macchinari per la lavorazione di alimenti o in altri luoghi dove la lubrificazione è un problema, e nylon o ottone sono occasionalmente osservati per lo stesso motivo.

La catena a rulli è normalmente agganciata utilizzando una maglia principale (nota anche come maglia di collegamento), che tipicamente ha un perno tenuto da una clip a ferro di cavallo piuttosto che da un accoppiamento ad attrito, che consente di inserirla o rimuoverla con semplici utensili. La catena con maglia o perno amovibile è anche nota come catena a cotatura, che consente di regolare la lunghezza della catena. Sono disponibili semipulci (noti anche come sfalsamenti) che vengono utilizzati per aumentare la lunghezza della catena con un unico rullo. La catena a rulli rivettata ha la maglia principale (anche nota come maglia di collegamento) "rivettata" o maschiata sulle estremità. Questi perni sono realizzati per essere durevoli e non sono rimovibili.</sup>

Utilizzare

Un esempio di due pignoni "fantasma" che tensionano un rullo triplex sistema a catena
Le catene a rulli vengono utilizzate nelle trasmissioni a bassa e media velocità a circa 600 - 800 piedi al minuto; tuttavia, a velocità più elevate, da circa 2,000 a 3,000 piedi al minuto, le cinghie trapezoidali vengono normalmente utilizzate a causa di problemi di usura e rumorosità.
Una catena per bicicletta è una forma di catena a rulli. Le catene per biciclette possono avere una maglia principale o richiedere un attrezzo per catena per la rimozione e l'installazione. Una catena simile ma più grande e quindi più forte è usata sulla maggior parte dei motocicli anche se a volte è sostituita da una cinghia dentata o da un azionamento dell'albero, che offrono il livello di rumore più basso e meno requisiti di manutenzione.
La maggior parte dei motori automobilistici utilizza catene a rulli per azionare gli alberi a camme. I motori ad alte prestazioni spesso utilizzano la trasmissione a ingranaggi e, a partire dai primi anni '60, alcune case produttrici utilizzavano cinghie dentate.
Le catene vengono utilizzate anche nei carrelli elevatori che utilizzano cilindri idraulici come puleggia per sollevare e abbassare il carrello; tuttavia, queste catene non sono considerate catene a rulli, ma sono classificate come catene a rulli o a balestra.
Le catene di taglio per motosega assomigliano superficialmente alle catene a rulli, ma sono più strettamente correlate alle catene a balestra. Sono azionati da maglie di trasmissione sporgenti che servono anche a posizionare la catena sulla barra.

Ugello di spinta vettoriale anteriore (freddo) Sea Harrier fa.2 ZA195 -  l'ugello viene ruotato da un comando a catena da un motore pneumatico
Un uso forse insolito di una coppia di catene per motocicli è nel getto di salto di Harrier, dove un azionamento a catena da un motore pneumatico è usato per ruotare gli ugelli mobili del motore, permettendo loro di essere puntati verso il basso per il volo di hovering, O verso la parte posteriore per il normale volo in avanti, un sistema noto come vettorizzazione della spinta.
 

Usura

L'effetto dell'usura su una catena a rulli è di aumentare il passo (spaziatura delle maglie), causando la crescita della catena più lunga. Si noti che ciò è dovuto all'usura dei perni e delle boccole di articolazione, non all'effettiva estensione del metallo (come accade ad alcuni componenti flessibili in acciaio, come il cavo del freno a mano di un veicolo a motore).

Con le catene moderne è insolito  che una catena (diversa da quella di una bicicletta) si usuri fino a rompersi, poiché una catena usurata porta al rapido inizio di usura sui denti delle ruote dentate, con il guasto finale essendo la perdita di tutti i denti della ruota dentata. I pignoni (in particolare il più piccolo dei due) subiscono un moto di molatura che pone una caratteristica forma a gancio nella faccia condotta dei denti. (Questo effetto è aggravato da una catena tesa in modo improprio, ma è inevitabile indipendentemente dalla cura che viene prestata). I denti usurati (e la catena) non forniscono più una trasmissione di potenza uniforme e ciò può risultare evidente dal rumore, dalle vibrazioni o (nei motori delle vetture che utilizzano una catena di distribuzione) dalla variazione della fasatura di accensione vista con una spia di fasatura. In questi casi, è necessario sostituire sia i pignoni che la catena, poiché una nuova catena sui pignoni usurati non durerà a lungo. Tuttavia, in casi meno gravi può essere possibile risparmiare la maggiore delle due ruote dentate, in quanto è sempre la più piccola a subire la maggiore usura. Solo in applicazioni molto leggere, come una bicicletta, o in casi estremi di tensione non corretta, la catena salterà normalmente dai pignoni.

L'allungamento dovuto all'usura di una catena viene calcolato con la seguente formula:

{ 100 DISPLAYSTYLE%=((M-(S*P))/(S*P))*}

M = lunghezza di un numero di maglie misurate

S = numero di maglie misurato

P = Passo

Nell'industria, è usuale monitorare il movimento del tenditore della catena (manuale o automatico) o la lunghezza esatta di una catena di trasmissione (una regola del pollice è sostituire una catena a rulli che ha allungato il 3% su una trasmissione regolabile o il 1.5% su una trasmissione a centro fisso). Un metodo più semplice, particolarmente adatto all'utilizzatore del ciclo o del motociclo, è quello di cercare di allontanare la catena dal più grande dei due pignoni, garantendo nel contempo la tensione della catena. Qualsiasi movimento significativo (ad esempio, che consenta di vedere attraverso un gioco) indica probabilmente un 'usura della catena fino al limite e oltre. Se il problema viene ignorato, si verificherà un danno alla ruota dentata. L'usura dei pignoni annulla questo effetto e può mascherare l'usura della catena.

Resistenza della catena

La misura più comune della resistenza della catena a rulli è la resistenza alla trazione. La resistenza alla trazione rappresenta la quantità di carico che una catena può sopportare in presenza di un carico unico prima della rottura. Altrettanto importante quanto la resistenza alla trazione è la resistenza alla fatica di una catena. I fattori critici della resistenza alla fatica di una catena sono la qualità dell'acciaio utilizzato per la fabbricazione della catena, il trattamento termico dei componenti della catena, la qualità della fabbricazione del foro di passo delle piastre di collegamento, il tipo di shot più l'intensità della copertura della graniglia sulle piastre di collegamento. Altri fattori possono includere lo spessore delle piastre di collegamento e il design (contorno) delle piastre di collegamento. La regola generale per la catena a rulli che opera su un azionamento continuo è che il carico della catena non superi un mero 1/6 o 1/9 della resistenza alla trazione della catena, a seconda del tipo di maglie principali utilizzate (accoppiamento a pressione o accoppiamento a slittamento)^{[senza fonte]}. Le catene a rulli che funzionano su un azionamento continuo oltre queste soglie possono e in genere si guastano prematuramente a causa di un guasto alla fatica della piastra di collegamento.

La resistenza finale minima standard della catena in acciaio ANSI 29.1 è 12,500 x (passo, in pollici)². Le catene con anello a X e o-ring riducono notevolmente l'usura mediante lubrificanti interni, aumentando la durata della catena. La lubrificazione interna viene inserita mediante depressione durante la rivettatura della catena.

Standard della catena

Le organizzazioni di standardizzazione (come ANSI e ISO) mantengono gli standard per la progettazione, le dimensioni e l'intercambiabilità delle catene di trasmissione. Ad esempio, la tabella seguente mostra i dati dello standard ANSI B29.1-2011 (catene a rulli, accessori e pignoni per trasmissione di potenza di precisione) sviluppato dalla American Society of Mechanical Engineers (ASME). Per ulteriori informazioni, vedere i riferimenti[8][9][10].

Per scopi mnemonici, di seguito è riportata un'altra presentazione delle dimensioni chiave dello stesso standard, espresse in frazioni di pollice (che faceva parte del pensiero alla base della scelta dei numeri preferiti nello standard ANSI):

Note:
1. Il passo è la distanza tra i centri del rullo. La larghezza è la distanza tra le piastre di collegamento (ovvero leggermente superiore alla larghezza del rullo per consentire il gioco).
2. La cifra a destra dello standard indica 0 = catena normale, 1 = catena leggera, 5 = catena a boccola senza rullo.
3. La cifra a sinistra indica il numero di ottanta di pollice che compongono il passo.
4. Una "H" che segue il numero standard indica una catena pesante. Un numero tratteggiato che segue il numero standard indica doppio filamento (2), triplo filamento (3), e così via. Pertanto 60H-3 indica la catena a tre filamenti pesante numero 60.
 Una tipica catena per bicicletta (per ingranaggi deragliatori) utilizza una catena stretta con passo da 1⁄2 pollici. La larghezza della catena è variabile e non influisce sulla capacità di carico. Più pignoni sono sulla ruota posteriore (storicamente 3-6, oggi 7-12 pignoni), più stretta è la catena. Le catene vengono vendute in base al numero di velocità con cui sono progettate, ad esempio, per la "catena a 10 marce". Il mozzo o le biciclette a velocità singola utilizzano catene da 1/2" x 1/8", dove 1/8" si riferisce allo spessore massimo di un pignone utilizzabile con la catena.

Tipicamente, le catene con maglie di forma parallela hanno un numero pari di maglie, con ciascuna maglia stretta seguita da una larga. Le catene costituite con un tipo uniforme di maglia, stretta in corrispondenza di una e larga in corrispondenza dell'altra estremità, possono essere realizzate con un numero dispari di maglie, il che può essere un vantaggio di adattarsi ad una particolare distanza della ruota motrice; dall'altro lato tale catena tende a non essere così forte.

Le catene a rulli realizzate con lo standard ISO sono talvolta chiamate come isodcatenelle.

Vedere anche
Catena autolubrificante
Riferimenti
 Efficienza fino al 98% in condizioni ideali, secondo Kidd, Matt D.; N. E. Loch; R. L. Reuben (1998). "Efficienza catena di biciclette". Conferenza di Ingegneria dello Sport. Heriot-Watt University. Archiviato dall'originale il 6 febbraio 2006. URL consultato il 16 maggio 2006.
 Nel XVI secolo Leonardo da Vinci fece schizzi di quella che sembra essere la prima catena in acciaio. Queste catene sono state probabilmente progettate per trasmettere la trazione, non l'avvolgimento, perché sono costituite solo da piastre e perni e hanno raccordi metallici. Tuttavia, lo schizzo di da Vinci mostra un cuscinetto a rulli.Tsubakimoto Chain Co., ed. (1997). La Guida completa alla catena. Kogyo Chosaki Publishing Co., Ltd. Pag. 240. ISBN 0-9658932-0-0. Pag. 211. URL consultato il 17 maggio 2006.
 "Che cos'è MicPol?". Lubrificazione. URL consultato il 3 ottobre 2018.
 Le catene che operano ad alte velocità paragonabili a quelle dei motocicli devono essere utilizzate in combinazione con un bagno d'olio, secondo quanto indicato in: Lubrecht, A. e Dalmaz, G., (ed.) Processi di transizione in Tribologia, Proc 30th Leeds-Lyon Symposium on Tribology. 30° Simposio Leeds-Lyon sulla Tribologia, 2-5 settembre 2003, Lione. Serie di ingegneria delle tribologie e delle interfacce (43). Elsevier, Amsterdam, pp. 291-298.
 L'alimentazione a goccia d'olio ha fornito la massima protezione contro l'usura tra il rullo e il perno della catena, l'alimentazione a goccia d'olio ha fornito il massimo risparmio di potenza rispetto alle catene e ai pignoni non lubrificati, secondo Lee, P.M. e Priest, M. (2004) un approccio innovativo integrato per testare i lubrificanti della catena di trasmissione delle motociclette. A: Lubrecht, A. e Dalmaz, G., (ed.) Processi di transizione in Tribologia, Proc 30th Leeds-Lyon Symposium on Tribology. 30° Simposio Leeds-Lyon sulla Tribologia, 2-5 settembre 2003, Lione. Serie di ingegneria delle tribologie e delle interfacce (43). Elsevier, Amsterdam, pp. 291-298.
 
 ASME B29.1-2011 - catene a rulli, accessori e pignoni per trasmissione di precisione.
 Tsubakimoto Chain Co., ed. (1997). "Catene di trasmissione". La Guida completa alla catena. Kogyo Chosaki Publishing Co., Ltd. Pag. 240. ISBN 0-9658932-0-0. Pag. 86. URL consultato il 30 gennaio 2015.
 Verde 1996, pp. 2337-2361
 "Catena a rulli standard ANSI G7 - Tsubaki Europa". Tsubaki Europa. Tsubakimoto Europe B.V. recuperato il 18 giugno 2009.
Bibliografia
Oberg, Erik; Jones, Franklin D.; Horton, Holbrook L.; Ryffel, Henry H. (1996), Green, Robert E. McCauley, Christopher J. (ed.), Machinery's Handbook (25a ed.), New York: Industrial Press, ISBN 978-0-8311-2575-2, OCLC 473691581.
Collegamenti esterni
    Wikimedia Commons ha supporti relativi alle catene a rulli.
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Categorie: Trasmissioni a catenaTrasmissione meccanica dell'alimentazione meccanica
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