Esiste l’ingranaggio perfetto e, in quel caso, funzionamento e affidabilità sono sempre garantiti? No, perché un riduttore conforme al disegno non necessariamente funziona come dovrebbe. A spiegarne i motivi Stefano e Marco Garavaglia, rispettivamente CEO e Innovation & Marketing Manager di MICROingranaggi.
di Laura Alberelli
Per quanto un ingranaggio possa essere (o sembrare) perfetto, un riduttore può non funzionare a dovere. Quali possono essere le principali cause ed esiste un modo per evitarlo? Abbiamo girato il quesito a uno specialista del settore: Stefano Garavaglia, CEO di MICROingranaggi, azienda specializzata nella progettazione e produzione di microcomponentistica meccanica ed elettromeccanica di precisione. “Nei micro-riduttori la precisione non è una proprietà del singolo componente, ma del modo in cui i pezzi stanno insieme a montaggio finito. Anche con ingranaggi perfetti, è il montaggio – a partire dall’interasse fissato dalla carcassa – a decidere quanto bene il riduttore funziona. Quando un riduttore di piccole dimensioni è rumoroso o duro da girare, agli addetti ai lavori scatta un riflesso quasi automatico: stringere le tolleranze degli ingranaggi. È comprensibile, ma spesso è la mossa sbagliata. Gli ingranaggi, presi uno per uno, possono infatti essere perfetti, conformi al disegno, misurati e accettati, ma il riduttore può funzionare male lo stesso”.
Stefano Garavaglia parla di “ingranaggi perfetti” che, malgrado tutto, possono non riuscire a garantire il funzionamento ottimale di un riduttore. Ma che cosa si intende per “ingranaggio perfetto”, e – soprattutto – esiste davvero? Lo abbiamo chiesto a Marco Garavaglia, Innovation & Marketing Manager di MICROingranaggi. “L’ingranaggio perfetto in realtà non esiste”, esordisce. “Sarebbe più giusto parlare di ingranaggi progettati correttamente o meno in funzione dell’applicazione a cui sono destinati. Ogni progetto dovrebbe partire da una domanda molto semplice: cosa deve fare realmente questo componente? Durata prevista, carichi, velocità, condizioni ambientali, livello di rumorosità richiesto, precisione e ciclo di vita sono tutti elementi che influenzano la progettazione. Può sembrare un paradosso, ma un ingranaggio progettato per durare vent’anni quando l’applicazione lo utilizzerà complessivamente per pochi minuti nel corso della sua vita è, probabilmente, un ingranaggio sovradimensionato e quindi progettato male. Non perché non funzioni, ma perché introduce complessità e costi che non generano alcun valore.
Lo stesso vale per i gradi di qualità della dentatura. Ci capita spesso di vedere specifiche estremamente restrittive, magari derivate da standard di settore o riportate automaticamente nei capitolati, che nella pratica non apportano alcun beneficio all’applicazione finale ma incidono in modo significativo sui costi di produzione.
L’ingranaggio “perfetto”, quindi, è quello che raggiunge il miglior equilibrio tra prestazioni, affidabilità, producibilità e costo, rispondendo esattamente alle esigenze dell’applicazione senza essere né sottodimensionato né eccessivamente sofisticato”.
Il gioco reale è la somma di due elementi
Un riduttore conforme al disegno quindi non necessariamente funziona esattamente come dovrebbe. Il motivo è semplice da spiegare, ma altrettanto facile da sottovalutare, come spiega Stefano Garavaglia: “Il disegno di un particolare descrive quel pezzo da solo, senza però dire nulla su come si posizionerà rispetto agli altri una volta montato. Ma chi, come MICROingranaggi, fa questo mestiere da tanti anni sa bene che nei riduttori ciò che conta davvero non sono solo le proprietà di una ruota o dell’altra, bensì quanto bene quelle due ruote ingranano tra loro. Ecco, quella relazione là decide il montaggio, non la dentatura.
Il primo aspetto da considerare è l’interasse, la distanza tra gli assi da cui dipende il gioco tra i denti. Due ingranaggi lavorano bene solo se i loro assi sono alla distanza giusta, il cosiddetto interasse. Quella distanza, però, non è una quota che si legge sulla dentatura, bensì nella carcassa, ossia nella distanza tra i fori che ospitano i cuscinetti degli alberi. È proprio lì infatti che si decide quanto gioco ci sarà tra i denti a montaggio finito.
Com’è facile immaginare, se l’interasse è più largo del previsto, il gioco aumenta: i denti si toccano con meno precisione, il riduttore diventa rumoroso – a vuoto e agli urti all’inversione del moto – e perde precisione angolare. Se invece è più stretto, succede il contrario: i denti si stringono troppo, nascono attrito, calore e usura rapida. Il gioco reale, in pratica, è la somma di due elementi: quanto l’interasse realmente lavorato si discosta da quello di progetto, e quanto variano gli spessori dei denti e le dentature rispetto a quanto previsto a disegno. In un micro-riduttore questo pesa parecchio, perché l’interasse è già di per sé piccolo (pochi millimetri) e basta un errore di pochi centesimi sulla carcassa per cambiare in modo evidente il comportamento del sistema.
Un altro aspetto da tenere in considerazione sono gli errori di montaggio che nessun controllo sul pezzo intercetta. È da qui che nascono i difetti che si vedono più spesso, come il disallineamento tra albero e foro (quando le sedi non sono coassiali), oppure quando il gioco cambia lungo il giro (perché un albero non ruota centrato), o in caso di deformazioni introdotte alla chiusura della carcassa (quando il serraggio delle viti carica le sedi e sposta gli assi di quel poco che basta).
Si tratta di effetti che nessun controllo sul singolo componente può intercettare, perché esistono solo quando i pezzi stanno insieme”.
Competenze che vanno oltre la progettazione degli ingranaggi
Sulla base di quanto detto da Stefano Garavaglia, come si verifica in linea un assemblaggio corretto? “I controlli più utili non misurano l’errore di montaggio ma ne misurano l’effetto. La coppia necessaria a far girare il riduttore a vuoto, per esempio, dice in un colpo solo se ci sono interferenze o attriti anomali. L’analisi di rumore e vibrazione (NVH), per farne un altro, fa emergere disallineamenti e giochi irregolari che a riduttore fermo non si vedono. A chiudere il cerchio, si può anche utilizzare il test funzionale di fine linea. Nessuno di questi dice quale quota è fuori. Ma tutti rispondono alla domanda che interessa davvero al cliente: se quel riduttore, montato e sotto carico, lavora come deve. In un micro-riduttore, insomma, la qualità finale nasce tanto dall’assemblaggio quanto dalla lavorazione”, conclude.
Gli errori di montaggio potrebbero ridursi con una progettazione più attenta? Risponde Marco Garavaglia: “Senza dubbio una buona progettazione rappresenta il primo e più importante strumento di prevenzione. Un progettista con solide competenze teoriche, ma anche con esperienza concreta nella produzione e nell’assemblaggio, è in grado di prevedere molte criticità prima ancora che il componente venga realizzato. Aspetti come giochi funzionali, interferenze, tolleranze di accoppiamento, deformazioni o comportamento del motore elettrico sono tutti elementi che devono essere considerati già nelle prime fasi di sviluppo.
Per questo motivo, negli anni, abbiamo scelto di sviluppare competenze che vanno oltre la sola progettazione degli ingranaggi. Oggi affrontiamo lo sviluppo del sistema nel suo complesso, valutando l’interazione tra componenti meccanici, cinematismi, elettroniche e processo di assemblaggio.
C’è poi un altro aspetto spesso sottovalutato: la gestione della filiera. Cercare il massimo risparmio acquistando componenti da fornitori diversi può sembrare vantaggioso nell’immediato, ma aumenta il rischio di incompatibilità e rende molto più complessa l’individuazione delle responsabilità in caso di problemi. Quando possibile, avere un partner in grado di progettare, produrre e integrare il maggior numero di componenti significa ridurre le variabili, semplificare l’assemblaggio e aumentare l’affidabilità complessiva del prodotto. Questo approccio è particolarmente importante nello sviluppo di riduttori, attuatori e assiemi elettromeccanici, dove il risultato finale dipende più dall’interazione di tutti i componenti, che dalla qualità del singolo pezzo”.
La precisione non è solo una questione di dimensioni
A conclusione di questa intervista a due voci, abbiamo chiesto a Marco Garavaglia se esistono ingranaggi più “sfidanti” di altri e, in generale, in quali ambiti la precisione deve necessariamente rasentare la perfezione. “Ogni settore presenta sfide differenti. Non esiste un’applicazione semplice in senso assoluto, ma certamente esistono contesti in cui il margine di errore è estremamente ridotto. Penso, ad esempio, al settore aeronautico. In questo caso un componente non deve semplicemente funzionare: deve garantire affidabilità assoluta perché, in alcune applicazioni, sono coinvolte direttamente la sicurezza e la vita delle persone. Per questo motivo non basta realizzare un prodotto conforme. Anche i processi produttivi, la tracciabilità, i controlli e l’organizzazione aziendale devono rispettare standard molto rigorosi, come richiesto dalla certificazione EN9100.
Un altro ambito particolarmente sfidante è quello spaziale. In questo caso la difficoltà è diversa: una volta che un componente è in orbita, qualsiasi intervento di manutenzione diventa praticamente impossibile. Ogni dettaglio progettuale e produttivo deve quindi essere validato con estrema attenzione prima del lancio.
In questi contesti la precisione non è solo una questione dimensionale. Significa controllo del processo, ripetibilità produttiva, gestione dei rischi e capacità di garantire che ogni componente si comporti esattamente come previsto per tutta la sua vita operativa”.
