Guida per alberi scanalati: tipi, standard e materiali

Gli alberi scanalati sono componenti meccanici fondamentali utilizzati per trasmettere la coppia tra un albero e un mozzo (o ingranaggio) consentendo al contempo un movimento assiale relativo o garantendo una posizione angolare precisa. Sono essenzialmente un'evoluzione della chiavetta e del chiavistello, che offrono una resistenza significativamente maggiore, un migliore allineamento e una distribuzione del carico più equilibrata grazie alle chiavi multiple, integralmente lavorate (scanalature) che si accoppiano con le scanalature interne corrispondenti sul mozzo. Comprendere i diversi tipi, le dimensioni standardizzate e i materiali adatti per gli alberi scanalati è essenziale per progettare sistemi di trasmissione di potenza robusti ed efficienti in settori come quello automobilistico, delle macchine pesanti, aerospaziale e delle macchine utensili.

Tipi di profili di alberi scanalati

La geometria del profilo della scanalatura è la caratteristica definitoria che determina la sua capacità di carico, le proprietà di allineamento e l'idoneità per diverse applicazioni. I principali tipi di profili di alberi scanalati sono:

1. Scanalature a chiavetta parallela (scanalature a lati diritti):

Questi sono il tipo più antico e semplice. Le scanalature sono equidistanti sulla periferia dell'albero, con lati diritti paralleli all'asse dell'albero. Trasmettono la coppia attraverso i lati delle chiavi.

• Vantaggi: Facili da fabbricare (spesso tramite fresatura o dentatura) e relativamente semplici da misurare. Consentono il movimento assiale sotto carico.

• Svantaggi: La distribuzione del carico è spesso irregolare, concentrando lo stress sugli angoli. Possono soffrire di gioco (allentamento) e non sono ideali per applicazioni a coppia molto elevata in cui è richiesto un centraggio preciso.

2. Scanalature a dentellatura:

Le dentellature sono simili alle scanalature a chiavetta parallela, ma in genere hanno un passo dei denti più superficiale e fine e non sono destinate al movimento assiale sotto carico. Vengono utilizzate principalmente per giunti semipermanenti o dove il mozzo deve essere fissato rigidamente all'albero. Sono spesso definite da un gran numero di denti.

• Vantaggi: Forniscono un effetto di centraggio molto accurato e un'eccellente rigidità per i giunti statici.

3. Scanalature a evolvente:

Questo è il tipo di scanalatura più comune e robusto, che utilizza la curva a evolvente, lo stesso profilo utilizzato per i denti degli ingranaggi. Il profilo a evolvente consente una distribuzione del carico molto migliore e fornisce un'azione autocentrante. La coppia viene trasmessa tramite i fianchi dei denti a evolvente.

• Vantaggi: Elevata resistenza e durata grazie alla favorevole distribuzione delle sollecitazioni. Forniscono un eccellente effetto di centraggio, che riduce al minimo i carichi radiali e le vibrazioni. Il processo di fabbricazione (dentatura, sagomatura o laminazione) è altamente standardizzato grazie alla sua somiglianza con la fabbricazione di ingranaggi. Possono essere fabbricati per condizioni di scorrimento (movimento assiale) o fisse.

• Svantaggi: Più complessi da fabbricare e misurare rispetto alle scanalature a lati diritti.

Standard delle scanalature a chiavetta

Per garantire l'intercambiabilità e prestazioni costanti, le dimensioni degli alberi scanalati sono regolate da diversi standard internazionali e nazionali chiave. Questi standard definiscono le dimensioni critiche, le tolleranze e i requisiti di adattamento.

1. ANSI B92.1 (American National Standards Institute):

Questo è lo standard dominante in Nord America per le scanalature a evolvente. Copre la geometria sia delle scanalature a radice piatta che a radice a filetto (il raggio alla base del dente). Specifica la relazione tra il diametro primitivo, l'angolo di pressione (tipicamente $30^{circ}$, $37.5^{circ}$, o $45^{circ}$) e il numero di denti. Lo standard definisce anche quattro diverse classi di adattamento (Classe 1, 2, 3 e 4), che vanno da adattamenti a scorrimento stretto a forzati, in base alle tolleranze consentite.

2. DIN 5480 (Deutsches Institut für Normung):

Lo standard europeo principale per le scanalature a evolvente, DIN 5480 è molto completo e ampiamente utilizzato a livello globale, spesso preferito per le sue specifiche dettagliate e le tolleranze ristrette. Utilizza un sistema modulare (simile agli ingranaggi metrici) per definire le dimensioni ed è particolarmente rigoroso nella definizione delle tolleranze dei fianchi, che influiscono direttamente sul gioco e sulla qualità dell'adattamento.

3. ISO 4156 (Organizzazione internazionale per la standardizzazione):

Questo standard è inteso ad armonizzare i vari standard nazionali per le scanalature a lati diritti e a evolvente, fornendo un insieme di specifiche riconosciute a livello globale per l'intercambiabilità, concentrandosi in particolare sull'adattamento cilindrico per le scanalature a evolvente.

4. SAE J499 (Society of Automotive Engineers):

Questo standard si concentra specificamente sulle scanalature a lato parallelo, definendo dimensioni e tolleranze spesso utilizzate nelle applicazioni automobilistiche e di macchine pesanti in cui la semplicità e la robustezza sono prioritarie.

Questi standard forniscono il progetto per l'intero processo di fabbricazione, dalla selezione della corretta fresa o sagomatrice alla definizione dei calibri Passa/Non passa utilizzati nel controllo qualità. L'adattamento è determinato dalla tolleranza del gioco e dagli adattamenti dei diametri maggiori e minori, che assicurano collettivamente che l'albero scanalato funzioni come previsto, sia che debba scorrere agevolmente sia che debba rimanere rigidamente fissato.

Materiali per alberi scanalati

La selezione del materiale per un albero scanalato è regolata dalle esigenze dell'applicazione in termini di resistenza, durezza, resistenza all'usura e, occasionalmente, resistenza alla corrosione. Poiché gli alberi scanalati sono trasmettitori di coppia, sono soggetti a elevate sollecitazioni torsionali, sollecitazioni di flessione e pressione di contatto sui fianchi.

1. Acciai a basso tenore di carbonio (ad esempio, AISI 1018, 8620):

Questi vengono spesso utilizzati quando l'albero verrà cementato (carburato) dopo la lavorazione. La carburazione crea una superficie dura e resistente all'usura (elevata durezza superficiale) mantenendo al contempo un nucleo tenace e ammortizzante (bassa durezza del nucleo). Questa è la scelta standard per gli alberi di trasmissione automobilistici ad alto volume.

2. Acciai a medio tenore di carbonio (ad esempio, AISI 4140, 4340):

Questi acciai offrono un'elevata resistenza del nucleo e sono eccellenti per gli alberi che richiedono una maggiore tenacità complessiva e un'elevata resistenza alla fatica. Vengono tipicamente temprati e rinvenuti (trattati termicamente) per ottenere un equilibrio desiderato di durezza e duttilità. 4140 è una scelta comune e versatile, mentre 4340 è riservato ad applicazioni estremamente stressate grazie alla sua superiore temprabilità e resistenza.

3. Acciai inossidabili (ad esempio, serie AISI 300 e 400):

Utilizzati in ambienti corrosivi, come apparecchiature marine o per la lavorazione degli alimenti. La serie 400 (come 416) viene spesso utilizzata quando sono necessarie sia la resistenza alla corrosione che una resistenza moderata, poiché possono essere trattati termicamente per aumentarne la durezza.

4. Acciai per utensili (ad esempio, D2, H13):

Questi sono raramente utilizzati per l'albero stesso, ma potrebbero essere selezionati per componenti altamente sollecitati in macchinari specializzati in cui la resistenza all'usura estrema e la stabilità dimensionale sono fondamentali, spesso in ambienti di lavoro a freddo o ad alta temperatura.

La sequenza di fabbricazione è cruciale: il materiale dell'albero viene tipicamente lavorato alle sue dimensioni quasi finali, le scanalature vengono tagliate (dentate, sagomate o laminate) e quindi il componente viene trattato termicamente per ottenere la durezza e il profilo di resistenza finali richiesti. La rettifica di precisione può seguire il trattamento termico per correggere eventuali distorsioni e ottenere le tolleranze dimensionali finali e precise, in particolare sul diametro primitivo, che è la dimensione più critica per la corretta funzione della scanalatura. La scelta del materiale e del trattamento termico determina in definitiva la durata e l'affidabilità dell'intero gruppo di trasmissione di potenza.