Oggi, per la serie "seghe ingegneristiche di cui non frega un cazzo a nessuno", e in linea con la mia periodica serie di post tecnici (l'ultimo non so quanti anni fa) vi racconterò di un oggetto poco noto che nel mio lavoro attuale è pane quotidiano e che, ho scoperto di recente, sta trovando applicazione anche nell'automotive.
Il riduttore armonico, o strain wave gear, o Harmonic Drive. L'ultimo nome è quello commercialmente noto essendo il nome dell'azienda che li produce.
Più facile lasciar parlare le immagini: è sto coso qui.
Funzionalmente parlando si tratta, a tutti gli effetti e scopi, di un riduttore di velocità che potrebbe essere assimilato ad un rotismo epicicloidale, e come questo composto da tre elementi. Da sinistra a destra, nell'immagine sotto:
-Circular Spline: un anello rigido con la dentatura riportata sulla sua superficie interna
-Flex Spline: una "coppa" in acciaio armonico, elastica, in grado di "respirare" con la dentatura riportata sul suo bordo esterno
-Wave Generator: un cuscinetto ellittico, il cui scopo è, ad ogni giro, deformare ellitticamente la coppa di cui sopra facendola avanzare di un dente rispetto all'anello rigido.
grossomodo come per un treno epicicloidale, tenendo fisso uno dei suddetti elementi (di solito la Circular Spline o la Flex Spline) ed entrando ad una data velocità su un altro (di solito il WG o la FS) si ottiene in uscita sul terzo una velocità ridotta o aumentata di n (o di n+1/1 a seconda della configurazione). Visivamente, funziona così:
Domande che vengono spontanee (ai pochi che non si siano ancora addormentati): a che cazzo serve? E perché non usare un normale treno epicicloidale invece di una cosa così esotica? Nell'ordine, le motivazioni sono le seguenti:
- l'Harmonic Drive è estremamente compatto in rapporto alle riduzioni che consente di ottenere, nell'ordine del 100:1 - 200:1 in un solo stadio
- è anche estremamente leggero in relazione alle coppie che è in grado di trasmettere
- NON HA backlash, ovvero giochi interni. Traduzione: quel minimo gioco tra dente e dente delle ruote dentate convenzionali, qui non c'è, in quanto eliminato dalla geometria stessa dell'accoppiamento CS-FS e dal precarico dato dall'elasticità di quest'ultima. Questo lo rende ideale per tutte quelle applicazioni dove la precisione del controllo in posizione è importante. Tipicamente lo stadio di trasmissione finale di dispositivi robotici che devono essere pilotati con una certa accuratezza su un target dato.
Difetti: costano parecchio, più o meno a seconda del modello e della taglia (ne fanno molte serie e misure), ma sempre una madonna di soldi.
Convenzionalmente si usano per bracci robotici, per robotica in generale e spaziale in particolare (bracci, giunti, meccanismi vari...già su Apollo 15 non so bene per cosa ne veniva usato qualcuno)
per l'appunto: velocità di input elevate (motori elettrici compatti da migliaia/centinaia/minimo decine di rpm), necessità di abbassare di parecchio la velocità in un solo stadio (i bracci industriali sono anche veloci, ma quelli per lo spazio sono lentissimi perché devono consumare poco), esigenza di conoscere la posizione dei giunti con accuratezza di pochi primi di grado, requisiti di massa stringenti.
Recentemente e per puro caso ho scoperto, però, che qualcuno di essi ha trovato spazio anche sotto un paio di cofani, in un caso da un po' di anni, nell'altro trattasi di una novità.
1) Il VGRS (Variable Gear Ratio Steering) di Lexus:
assomiglia abbastanza all'antico (non so se esista ancora, ma una decina d'anni fa era di gran moda) active steering bmw, che però funzionava tramite un ingranaggio epicicloidale, per l'appunto. In pratica il sistema, integrato lungo il piantone dello sterzo, è in grado di "aggiungere" attivamente un delta angolo di sterzata rispetto a quanto comandato dal guidatore con il volante, consentendo di avere uno sterzo relativamente "lento" e demoltiplicato al centro (comodo ad alte velocità) ma al contempo velocissimo e super-diretto da un certo angolo in poi, a tutto vantaggio della guida sportiva nel misto stretto e delle manovre da fermo. Il modulo Harmonic Drive (in giallo) equivale in tutto l'ingranaggio convenzionale BMW (cioè ZF), ma presumibilmente con pesi e ingombri inferiori.
2) il VC (Variable Compression) Turbo di Infiniti:
in arrivo sul mercato (pare) nel 2019, è l'ennesimo tentativo (ricordo una quindicina di anni fa il Saab SVC) di realizzare un motore a rapporto di compressione variabile, e il primo a tradursi in un prodotto di serie. Nella fattispecie l'RC qui dovrebbe poter essere variato da 8:1 a 14:1 con i benefici per efficienza e prestazioni che si possono facilmente immaginare. Meccanicamente, la variazione è ottenuta tramite il malatissimo cinematismo di cui sotto, attuato da un'unità Harmonic Drive integrata nel basamento.
https://www.infiniti.it/about-infiniti/ ... Turbo.html
http://www.automobilemag.com/news/infin ... g-excited/
Vabè, insomma, non ve ne fregherà niente ma mi andava di scrivere qualcosa in questa sezione dopo tanto tempo e, dato che sono arnesi con cui armeggio tutti i giorni (avendone distrutto uno per un problema di lubrificazione, ce l'ho sulla scrivania
) ho colto l'occasione...
ma per adesso m'è piaciuto e qualcosina penso anche di averlo capito. Grazie!!
: faccio ruotare l'ellissoide e ottengo una demoltiplicazione marcata e precisa sull'elemento elastico o sulla corona esterna bloccando quella su cui non voglio ottenere rotazione.
