pignone precaricato

Il gioco meccanico è uno dei fattori principali che influenzano le prestazioni degli azionamenti a pignone e cremagliera: può causare ritardi, imprecisioni e movimenti irregolari, specialmente durante i cambi di direzione. Incide inoltre sul dimensionamento del sistema e del suo controllo. Nella moderna ingegneria meccanica le esigenze crescenti in termini di dinamica, precisione ed efficienza, fanno assumere un’importanza sempre maggiore al controllo affidabile del gioco meccanico.

Il presente whitepaper analizza la tecnologia ATLANTA del Pre-load Pinion – o pignone precaricato – come soluzione intelligente che consente un cambio di paradigma nella tecnica degli azionamenti: il gioco viene eliminato mediante un precarico regolabile, direttamente nel punto di contatto.

Il controllo del backlash nei sistemi a pignone e cremagliera rappresenta una delle principali sfide progettuali dell’ingegneria meccanica. Tradizionalmente i progettisti si trovano di fronte a una scelta di compromesso: utilizzare sistemi meccanici Dual-Drive, che richiedono un maggiore spazio di installazione e introducono cedevolezza elastica, oppure implementare sistemi elettronici Twin-Drive, che comportano una complessità meccanica ed elettronica notevolmente superiore a causa del doppio azionamento. ATLANTA risolve il problema attraverso l’ingegnosa soluzione del Pre-load Pinion.

L’utilizzo di un singolo servoazionamento, derivante dall’applicazione del concetto di “semplicità avanzata”, permette di ottenere elevate forze di avanzamento, nell’ordine dei 20-30 kN. Rispetto alle soluzioni tradizionali, il sistema Pre-load Pinion offre evidenti vantaggi in termini di integrazione, efficienza economica e messa in servizio.

Dual-Drive precarico meccanico (1 azionamento – 1 motore – 2 riduttori)

Nei sistemi meccanici a doppio azionamento la coppia motrice viene distribuita a due pignoni solitamente attraverso due riduttori epicicloidali e due riduttori ortogonali collegati tra loro da un albero di torsione o da un giunto elastico.
Dal punto di vista progettuale, questa soluzione comporta diversi svantaggi.

• Maggiore ingombro
  l’installazione di due treni di riduzione completi per asse, comporta un ingombro notevolmente maggiore sulla slitta.
  Questo limita la flessibilità di progettazione, complica la realizzazione di macchine compatte e aumenta le masse in movimento.
• Rigidezza torsionale limitata (effetto wind-up):
  l’impiego di elementi di collegamento aggiuntivi, come alberi e giunti, introduce cedevolezza elastica nella trasmissione. Questo riduce l’effettiva rigidezza torsionale dell’intero sistema, penalizzando la dinamica, la risposta del controllo e la precisione di posizionamento.
• Complessità di montaggio e regolazione:
  Allineare correttamente entrambi i pignoni con la cremagliera richiede tolleranze ristrette e un posizionamento molto accurato dell’intero sistema. Di conseguenza l’assemblaggio diventa più complesso e i tempi di messa in servizio si dilatano.
• Maggiore probabilità di guasto:
  l’elevato numero di componenti, in particolare cuscinetti, tenute e ingranaggi aggiuntivi, accresce la complessità del sistema, l’usura e la probabilità statistica di guasti.

Twin-Drive precarico elettronico (2 azionamenti – 2 motori – 2 riduttori)

Nei sistemi elettronici a doppio azionamento, due unità controllate in modo indipendente agiscono sulla stessa cremagliera. La coppia di precarico necessaria viene generata all’interno del sistema di controllo tramite la sovrapposizione intenzionale di coppie contrapposte (torque bias).

Dal punto di vista progettuale e dell’ingegneria di sistema, questo approccio presenta le seguenti sfide:

• Elevata complessità del sistema (over-engineering):
  l’architettura richiede la completa duplicazione di tutti i componenti dell’azionamento, tra cui motori, riduttori, elettronica di potenza e sensori. Ciò si traduce in costi di investimento notevolmente superiori e in un maggiore onere di integrazione.
• Sincronizzazione e parametrizzazione critiche:
  il funzionamento stabile del sistema dipende fortemente da una taratura accurata dei due azionamenti. In particolare, le interazioni e i potenziali effetti di risonanza tra i sistemi accoppiati devono essere opportunamente soppressi. Ciò richiede competenze avanzate nell’ingegneria dei controlli, incrementa l’onere di progettazione e complica notevolmente la messa in servizio.
• Maggiore complessità di diagnostica e manutenzione:
  l’analisi dei guasti risulta più complessa poiché è necessario esaminare e valutare due linee di azionamento indipendenti. Le interazioni tra i sistemi rendono più difficile l’identificazione dell’origine dei problemi, con il rischio di prolungare i tempi di fermo macchina durante la manutenzione.

ATLANTA ha sviluppato e migliorato il principio degli ingranaggi a ruota doppia – concetto consolidato da tempo nell’ingegneria di precisione e nell’orologeria – rendendolo affidabile per l’impiego industriale.

Il cuore tecnologico risiede nell’integrazione del sistema di precarico all’interno del pignone stesso, dando vita a una soluzione ad alte prestazioni che elimina il gioco in un ingombro estremamente ridotto.

Vantaggi progettuali dell’approccio integrato

• Design compatto:
  il pignone di precarico è costituito da due corone dentate indipendenti, ottimizzate per un preciso ingranamento in tandem con la cremagliera. Il precarico viene generato interamente all’interno dell’assieme, senza la necessità di ulteriori componenti esterni.
• Regolazione di precisione:
  l’unità di regolazione integrata consente un’impostazione fine e riproducibile dello sfasamento angolare tra i due anelli dentati, permettendo di eliminare il gioco in modo mirato e controllato.
• Ingranamento sui due fianchi:
  l’ingranamento simultaneo di entrambe le corone dentate sui fianchi opposti della cremagliera assicura una trasmissione permanentemente a gioco zero. Ciò garantisce un’elevata precisione di posizionamento senza la necessità di ulteriori strategie di compensazione nel sistema di controllo.
• Elevata rigidezza torsionale:
  eliminando gli elementi elastici nella catena cinematica si incrementa significativamente la rigidezza complessiva del sistema. Questa configurazione ottimizza le prestazioni dinamiche, migliora la precisione di controllo e consente l’estensione della larghezza di banda.
• Architettura semplificata:
  l’impiego di una singola unità di azionamento riduce la complessità progettuale, ottimizza gli spazi di installazione e minimizza le masse in movimento rispetto alle soluzioni a doppio riduttore (dual o twin drive).
• Messa in servizio rapida:
  poiché il precarico è generato esclusivamente per via meccanica non sono necessarie complesse strategie di controllo o ulteriori parametrizzazioni software. Ciò semplifica la messa in servizio e aumenta l’affidabilità del processo.

Il Pre-load pinion ATLANTA offre una combinazione ottimale di prestazioni, rigidezza ed efficienza economica. Integrando il meccanismo di precarico in un assieme compatto, un asse standard può essere trasformato in un asse ad alta precisione e a gioco zero con un costo aggiuntivo moderato, pari a circa il 10,4%.

Al contrario, le soluzioni Dual-Drive meccaniche e Twin-Drive elettroniche richiedono un impegno significativamente maggiore, determinando incrementi di costo dal 68% al 100%. Il Pre-load pinion ATLANTA rappresenta quindi una soluzione efficiente che offre un posizionamento preciso, riducendo al contempo i tempi di integrazione e di messa in servizio.