Dilatazione termica e calcolo del gioco (backlash)
Un ingranaggio in tecnopolimero, montato con cura, che si blocca dopo poche ore di funzionamento. La causa, quasi sempre, è la stessa: il gioco tra i denti non è stato calcolato tenendo conto di come il materiale si dilata con la temperatura. Il backlash non è un'imperfezione di montaggio. È un parametro di progetto, e va calcolato prima di assemblare.
Cos'è il backlash e perché serve
Il gioco di fianchi, o backlash, è lo spazio che separa i fianchi non in presa di due denti coniugati quando i fianchi opposti sono a contatto. Non è un errore di lavorazione né un difetto: è una distanza deliberata, calcolata in fase di progetto.
Senza backlash, il sistema diventa iperstatico: i denti si bloccano cinematicamente non appena le condizioni reali (temperatura, tolleranze, deformazioni) si discostano dal valore teorico. Il risultato è il danneggiamento della trasmissione.
La formula della dilatazione termica
La variazione dimensionale di un componente per effetto della temperatura segue questa relazione:
Dove $L_0$ è la lunghezza iniziale, α è il coefficiente di dilatazione termica del materiale (espresso in 10⁻⁶/K) e ΔT è la variazione di temperatura in gradi Celsius.
Nei tecnopolimeri, il coefficiente α è circa dieci volte più alto che nell'acciaio. Un ingranaggio in POM-C da 100 mm di diametro che si scalda di 50 °C si espande di 0,55 mm: più di mezzo millimetro. Senza un gioco adeguato al momento del montaggio, questa espansione porta i fianchi del dente in contatto continuo su entrambi i lati, la condizione di bloccaggio.
Il coefficiente di dilatazione termica del POM-C è circa 110 × 10⁻⁶/K, contro i 10-12 × 10⁻⁶/K dell'acciaio. Per il PA6 il valore è simile al POM-C; per il PK si attesta intorno a 85 × 10⁻⁶/K. Verifica sempre il dato sulla scheda tecnica del fornitore. I valori cambiano con le formulazioni e la presenza di rinforzi in fibra.
Tabella dei giochi minimi consigliati
I valori seguenti sono giochi minimi per applicazioni industriali standard con escursioni termiche fino a 50-60 °C. Per condizioni più severe, aumenta il gioco proporzionalmente.
| Modulo m (mm) | Gioco minimo consigliato (mm) | Note |
|---|---|---|
| 0,5 – 1,5 | +0,03 / +0,10 | Tipiche piccole trasmissioni |
| > 1,5 | +0,08 / +0,30 | Macchine standard e trasmissioni di potenza |
Come si imposta il gioco
In pratica, imposti il gioco aumentando leggermente l'interasse rispetto al valore teorico, che è la somma dei raggi primitivi dei due ingranaggi accoppiati. Per ingranaggi standard con angolo di pressione a 20°, un incremento radiale dell'interasse di 0,1 mm genera un incremento del gioco sul fianco di circa 0,07 mm.
Cosa succede senza gioco adeguato
Un ingranaggio montato senza gioco sufficiente è destinato al guasto rapido. Quando la temperatura sale e il materiale si dilata, i fianchi entrano in contatto continuo. L'attrito locale aumenta, la temperatura sale ulteriormente, il materiale si dilata ancora di più, l'attrito sale ancora. È un meccanismo a retroazione positiva, il cosiddetto runaway termico, che si conclude in pochi minuti con la deformazione plastica e il collasso del materiale.
Nessuna applicazione in tecnopolimero va progettata con gioco zero. Se la precisione di posizionamento è critica e non puoi tollerare nemmeno un piccolo backlash, l'ingranaggio in tecnopolimero non è la soluzione adatta. Valuta un profilo in metallo o una trasmissione con elemento elastico che assorba le dilatazioni.
Se la tua applicazione prevede escursioni termiche superiori a 60 °C o materiali con coefficienti di dilatazione fuori standard, scrivi all'ufficio tecnico. Calcoliamo il gioco corretto per le tue condizioni reali di esercizio.