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MessaggioInviato: mer feb 28, 2018 12:44 am 
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Iscritto il: mer lug 27, 2011 1:52 am
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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.

Immagine

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.
Immagine

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:
Immagine

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)
Immagine
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.
Immagine

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/

Immagine

Immagine

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 :ridi) ho colto l'occasione...


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MessaggioInviato: mer feb 28, 2018 1:01 am 
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Iscritto il: dom mag 10, 2009 12:35 am
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Sei riuscito a mettermi la curiosità all'1:01 su cos'è l'Harmonic Drive. Domani mi leggo un po' di cose. :ok

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MessaggioInviato: mer feb 28, 2018 9:04 am 
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Bel post, grazie


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MessaggioInviato: mer feb 28, 2018 9:33 am 
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Poi un giorno mi farai un disegnino coi pennarelli :sdentato ma per adesso m'è piaciuto e qualcosina penso anche di averlo capito. Grazie!!

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MessaggioInviato: mer feb 28, 2018 10:18 am 
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Mi associo per la spiegazione da, ehm, persona semplice. :ridi

Comunque interessante. E' quel coso che si usa anche per demoltiplicare il moto sul trapano marziano?

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MessaggioInviato: mer feb 28, 2018 10:24 am 
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Ecco: ma lo si può anche usare al contrario, ovvero per accelerare un movimento?

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MessaggioInviato: mer feb 28, 2018 11:53 am 
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Simpatico!
Qual è il rendimento di quell'affare? Immagino che il coso ovale centrale strisci sull'elemento elastico..

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MessaggioInviato: mer feb 28, 2018 12:01 pm 
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fritz287 ha scritto:
Ecco: ma lo si può anche usare al contrario, ovvero per accelerare un movimento?


Direi decisamente di no..

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MessaggioInviato: mer feb 28, 2018 12:07 pm 
Lo usano sui turboelica?


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MessaggioInviato: mer feb 28, 2018 12:13 pm 
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Il Basso di Genova ha scritto:
Simpatico!
Qual è il rendimento di quell'affare? Immagino che il coso ovale centrale strisci sull'elemento elastico..

Io vedo un cuscinetto nella fotografia del pezzo vero


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MessaggioInviato: mer feb 28, 2018 12:37 pm 
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Il Basso di Genova ha scritto:
fritz287 ha scritto:
Ecco: ma lo si può anche usare al contrario, ovvero per accelerare un movimento?


Direi decisamente di no..


come no :ridi si può eccome anche se non è sicuramente l'applicazione più diffusa. è totalmente reversibile, al di sopra di una certa coppia limite (backdriving torque), quindi può essere usato come moltiplicatore di giri.

l'efficienza è alta, nell'ordine dell'80-85% in temperatura ambiente, qualcosa meno in freddo, ma neanche tanto. Il problema è più che altro lo spunto iniziale a freddo che, in condizioni limite tipo spazio, può richiedere una coppia di avvio molto alta per vincere l'adesione del grasso indurito (ma si parla di -100 gradi :ridi)


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MessaggioInviato: mer feb 28, 2018 12:40 pm 
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Iscritto il: mer lug 27, 2011 1:52 am
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Strosek ha scritto:
Il Basso di Genova ha scritto:
Simpatico!
Qual è il rendimento di quell'affare? Immagino che il coso ovale centrale strisci sull'elemento elastico..

Io vedo un cuscinetto nella fotografia del pezzo vero

esatto, ciò nonostante un certo strisciamento relativo sulla superficie interna della coppa c'è, ragion per cui quella zona si dovrebbe riempire di grasso. noi ne usiamo pochissimo per aiutare l'avvio a freddo (è così che ne abbiamo rotto uno :ridi)


Ultima modifica di Zerstorer il mer feb 28, 2018 12:45 pm, modificato 1 volta in totale.

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MessaggioInviato: mer feb 28, 2018 12:42 pm 
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lelao ha scritto:
Mi associo per la spiegazione da, ehm, persona semplice. :ridi

Comunque interessante. E' quel coso che si usa anche per demoltiplicare il moto sul trapano marziano?

yes, ce ne è uno dentro il giunto di rotazione principale. 0.02 rad/s in uscita...adrenalina pura :ridi


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MessaggioInviato: mer feb 28, 2018 12:50 pm 
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Zerstorer ha scritto:
Il Basso di Genova ha scritto:
fritz287 ha scritto:
Ecco: ma lo si può anche usare al contrario, ovvero per accelerare un movimento?


Direi decisamente di no..


come no :ridi si può eccome


Basso laureato in fisica 0 - Fritz laureato a malapena 1

PEPEEEEEPEPEPEPEPE :briaco

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MessaggioInviato: mer feb 28, 2018 4:42 pm 
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Non vedo come possa essere reversibile.. Ma se l'alastio dice di sì, sono sicuro che ha ragione.Ci studio stasera (ora sono sul cell).
Cuscinetto.. You're right .. mi ero concentrato sul disegno animato..

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MessaggioInviato: mer feb 28, 2018 5:08 pm 
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Basso, rileggendo il mio messaggio vorrei precisare che io ovviamente stavo scherzando, per queste cose provo curiosità ma non ho la minima competenza in merito :briaco3

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MessaggioInviato: mer feb 28, 2018 7:23 pm 
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Yessss.. so bene che stavi scherzando ma la domanda è interessante.
e ho la risposta: l'aggeggio non è totalmente reversibile. Inoltre è inutile farlo funzionare in modo "reversibile".

Se blocco l'ellissoide e faccio ruotare la corona esterna, la corona elastica ruota praticamente alla stessa velocità della corona esterna (direi un fattore n/(n+1) )
Se blocco l'ellissoide e faccio ruotare la corona elastica, la corona esterna ruota praticamente alla stessa velocità della corona elastica (anche qui (n+1)/n)

Se blocco la corona elastica e faccio ruotare la corona esterna l'ellissoide non ruota (e qui è irreversibile)

L'unico funzionamento sensato è quello illustrato da :alastio: : 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.

Ugh, ho detto!

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MessaggioInviato: gio mar 01, 2018 10:17 am 
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Iscritto il: mer lug 27, 2011 1:52 am
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Il Basso di Genova ha scritto:
Yessss.. so bene che stavi scherzando ma la domanda è interessante.
e ho la risposta: l'aggeggio non è totalmente reversibile. Inoltre è inutile farlo funzionare in modo "reversibile".

Se blocco l'ellissoide e faccio ruotare la corona esterna, la corona elastica ruota praticamente alla stessa velocità della corona esterna (direi un fattore n/(n+1) )
Se blocco l'ellissoide e faccio ruotare la corona elastica, la corona esterna ruota praticamente alla stessa velocità della corona elastica (anche qui (n+1)/n)

Se blocco la corona elastica e faccio ruotare la corona esterna l'ellissoide non ruota (e qui è irreversibile)

L'unico funzionamento sensato è quello illustrato da :alastio: : 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.

Ugh, ho detto!


allora, volevo scrivere una risposta più strutturata ma poi ieri sera sono collassato ergo andrò sul sintetico... :sdentato

I montaggio possibili sono i seguenti:

Immagine

la configurazione 1 è la più comune, la 2 è simile e può essere usata se conveniente in termini di packaging.

la 5 e la 6 sono moltiplicatori di giri a tutti gli effetti e purtroppo funzionano talmente bene che obbligano a tenerne conto in termini di rischio di inversione del moto.

se ci pensi bene non c'è ragione per cui non possa essere reversibile, non lavora con angoli di pressione limite come (ad esempio) una Worm gear... :ok


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MessaggioInviato: gio mar 01, 2018 6:12 pm 
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Iscritto il: ven gen 27, 2017 9:52 am
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Anche io non sono un tecnico.. ma la cosa è molto interessante. Ma l'elemento elastico è garantito per mantenere la sua caratteristica meccanica per un tot di ore lavorative...o temporali..o è 'eterno'?


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MessaggioInviato: gio mar 01, 2018 10:56 pm 
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Iscritto il: lun lug 23, 2012 8:40 pm
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https://youtu.be/ZSSH-YfKg6I


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MessaggioInviato: gio mar 01, 2018 11:02 pm 
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Iscritto il: mer lug 27, 2011 1:52 am
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SanBangle ha scritto:


:shock: :shock: :shock: :shock: :shock: :shock: :shock: :shock: :shock:

E' lui!!!


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MessaggioInviato: gio mar 01, 2018 11:20 pm 
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rob33 ha scritto:
Anche io non sono un tecnico.. ma la cosa è molto interessante. Ma l'elemento elastico è garantito per mantenere la sua caratteristica meccanica per un tot di ore lavorative...o temporali..o è 'eterno'?


Teoricamente è "eterno" dato che lavora dentro certi parametri di deformazione (è una molla, di fatto, realizzata in acciaio per molle). Chiaramente sia la dentatura che la superficie interna soggetta a sfregamento si usurano con i cicli, come tutte le trasmissioni. Tieni conto che in molte applicazioni viene fatto girare velocissimo (input a migliaia di rpm).


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MessaggioInviato: ven mar 02, 2018 8:58 am 
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Iscritto il: lun mar 13, 2006 11:56 pm
Messaggi: 12351
Zerstorer ha scritto:
SanBangle ha scritto:


:shock: :shock: :shock: :shock: :shock: :shock: :shock: :shock: :shock:

E' lui!!!

Incredibile!


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MessaggioInviato: ven mar 02, 2018 9:26 am 
Zerstorer ha scritto:
rob33 ha scritto:
Anche io non sono un tecnico.. ma la cosa è molto interessante. Ma l'elemento elastico è garantito per mantenere la sua caratteristica meccanica per un tot di ore lavorative...o temporali..o è 'eterno'?


Teoricamente è "eterno" dato che lavora dentro certi parametri di deformazione (è una molla, di fatto, realizzata in acciaio per molle). Chiaramente sia la dentatura che la superficie interna soggetta a sfregamento si usurano con i cicli, come tutte le trasmissioni. Tieni conto che in molte applicazioni viene fatto girare velocissimo (input a migliaia di rpm).

Hm, non ci sono problemi di risonanza?


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MessaggioInviato: ven mar 02, 2018 10:13 am 
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SanBangle ha scritto:


sapete cosa regalarmi per Natale :ridi

ma la parte rossa non dovrebbe girare? o non lo fa perché è appoggiata?

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MessaggioInviato: ven mar 02, 2018 10:20 am 
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Zerstorer ha scritto:
se ci pensi bene non c'è ragione per cui non possa essere reversibile, non lavora con angoli di pressione limite come (ad esempio) una Worm gear... :ok


Pensavo esattamente a quello..

Ri ripensandoci meglio, mi è chiaro che sia possibile l'utilizzo con WG in output.

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MessaggioInviato: dom mar 04, 2018 1:00 am 
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Il Basso di Genova ha scritto:
Simpatico!
Qual è il rendimento di quell'affare? Immagino che il coso ovale centrale strisci sull'elemento elastico..

Avendone fuso uno, credo che la lubrificazione e soprattutto le temperature di esercizio, siano fondamentali.

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MessaggioInviato: mer mar 07, 2018 12:09 pm 
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Iscritto il: ven feb 24, 2017 7:26 pm
Messaggi: 30
Zerstorer ha scritto:
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.

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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.
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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:
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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)
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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.
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2) il VC (Variable Compression) Turbo di Infiniti:
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https://www.infiniti.it/about-infiniti/ ... Turbo.html
http://www.automobilemag.com/news/infin ... g-excited/

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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 :ridi) ho colto l'occasione...
Grazie, molto interessante!

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