Costruzione delle ruote dentate

Le prime ruote dentate sono state realizzate in ghisa tramite processi di fusione, ma oggigiorno questo procedimento è stato abbandonato. Per carichi bassi si possono utilizzare ruote dentate in materiale plastico ottenute tramite stampaggio. Normalmente le ruote vengono ottenute per asportazione di truciolo tramite apposite macchine ( dentatrici ).

Se si vogliono ottenere ruote dentate di elevata precisione si ricorre alla brocciatura, anche se questo processo non è molto diffuso dato l'elevato costo.
Più utilizzata invece è la sinterizzazione               ( tecnologia delle polveri ), adatta alla produzione in serie.

Materiali per ruote dentate

Gli acciai utilizzati per la costruzione di ruote dentate devono avere le seguenti caratteristiche:

- elevata resistenza alla fatica ed all'usura;
- elevata resistenza all'urto;
- buona lavorabilità per asportazione di trucciolo
- attitudine ai trattamenti termici superficiali

Gli acciai più utilizzati sono:

- acciai per tempra superficiale
- acciai da cementazione
- acciai da nitrurazione

La tempra superficiale consiste in un riscaldamento superficiale della ruota dentata seguito da tempra in acqua o in un bagno d'olio e rinvenimento. Durante il riscaldamento la struttura interna del materiale subisce delle trasformazioni. Dopo aver raggiunto la temperatura stabilita la ruota viene immersa in acqua o in un bagno d'olio in modo che il rapido raffreddamento impedisca al materiale di tornare alle condizioni iniziali. Così facendo otteniamo la martensite che presenta elevata durezza e fragilità. Per annullare la fragilità si prosegue con un processo di rinvenimento. Questo trattamento consiste nel riscaldare il materiale, ad una temperatura inferiore a quella di formazione dell'austenite, mantenerlo a tale temperatura per un certo tempo e successivo raffreddamento.

La cementazione è un processo che ha lo scopo di ottenere una ruota che presenti un durissimo strato superficiale resistente all'usura ed una buona tenacia interna. Essa consiste nella carburazione di acciai a basso tenore di carbonio, ottenuta mediante lungo mantenimento ad alta temperatura in mezzi capaci di cedere tale elemento. Dopo la tempra, alla superficie del pezzo cementato, si ottiene la struttura e la durezza propria degli acciai con circa 1% di carbonio temprati, mentre al cuore a basso tenore di carbonio e quindi poco sensibile alla tempra, si avrà duttilità, tenacità e una considerevole resistenza.

La nitrurazione è un'operazione di indurimento simile alla cementazione. In questo caso l'elemento assorbito è l'azoto. A differenza della cementazione, essa viene eseguita su materiale già bonificato e non richiede trattamenti successivi, infatti dopo una tempra si è soliti praticare una rettifica, ma a causa della nitrurazione la durezza superficiale è talmente elevata che diventa difficile fare tale lavorazione.

Cedimenti negli ingranaggi

Oltre all'usura ci sono altre cause di cedimento delle ruote dentate:

- deformazione plastica: gli ingranaggi cedono per deformazione plastica quando le superfici si snervano e si deformano sotto carico elevato. Questi cedimenti possono essere ridotti diminuendo il carico applicato ed aumentando la durezza delle superfici di contatto. L'aumento della precisione nell'accoppiamento fra i denti consente un funzionamento più uniforme, eliminando le vibrazioni e il surriscaldamento.

- rincalzatura: deformazione tipica delle elevate velocità di trascinamento, dove vi è una grande differenza tra i diametri delle ruote.

- pitting: è un fenomeno di fatica superficiale, ovvero il cedimento per affaticamento causato dal superamento della capacità di resistenza del materiale.

- micropitting: fenomeno di pitting microscopico.

Evoluzione delle ruote dentate

Il progresso in campo metallurgico porta ad una grande innovazione negli ingranaggi, che passano dall'essere costruiti in legno al ferro ed infine all'acciaio. Questo comporta un notevole miglioramento. Le ruote dentate sono in grado di trasmettere una potenza molto superiore, la resistenza all'usura aumenta sensibilmente. Si riesce inoltre a realizzare ingranaggi di maggiore precisione.

L'usura è un fenomeno dovuto principalmente al contatto fra i denti delle due ruote accoppiate; nello

specifico assume una valenza particolare per quegli ingranaggi ad alta velocità che devono funzionare per una durata molto prolungata.

Durante l'usura si verifica una perdita non uniforme di materiale che comporta un prematuro decadimento della ruota. Per ovviare a questo problema vengono utilizzati degli oli lubrificanti con il duplice compito di diminuire l'usura e asportare calore dalla trasmissione

Esistono comunque altri tipi di usura:

 - usura abrasiva :  si manifesta quando del materiale estraneo entra a contatto con l'ingranaggio

 - usura corrosiva :  la corrosione chimica e l’usura corrosiva spesso dipendono dalla contaminazione del lubrificante. Delle sostanze comuni come l’acqua, il sale, i solventi, gli sgrassanti ed i composti del lavaggio possono contaminare l’olio e corrodere gli ingranaggi.

 - grippaggio :  il grippaggio è un’usura molto rapida delle superfici dei denti che inizia con un cedimento locale del velo del lubrificante dovuto principalmente a riscaldamento, permettendo il contatto metallo-metallo e quindi un’usura adesiva sotto forma di saldatura e di distacco, rimuovendo assai rapidamente materiale dalle superfici.