Confronto tra le trasmissioni a cinghia di distribuzione MXL e S2M (denti trapezoidali vs. curvilinei)

1. Introduzione

Le cinghie di distribuzione a denti trapezoidali furono sviluppate per la prima volta dall'azienda americana Uniroyal Rubber nel 1964 e vennero gradualmente adottate per applicazioni di trasmissione meccanica.

Figura 1: Profilo del dente sincrono della cinghia a denti trapezoidali

In questo tipo di cinghia di distribuzione, caratterizzata da un profilo dentato trapezoidale, i fianchi dei denti sono lineari. Questa specifica geometria del profilo determina una forte concentrazione di sollecitazioni alla base dei denti, che, ad alte velocità, riduce sia la durata della cinghia che la sua capacità di carico. Inoltre, durante la trasmissione, queste cinghie generano elevati livelli di rumore e vibrazioni, limitando di conseguenza la velocità operativa massima. Successive analisi fotoelastiche delle sollecitazioni hanno rivelato che la distribuzione delle sollecitazioni all'interno del profilo dentato trapezoidale è molto irregolare, con una significativa concentrazione di sollecitazioni alla base; ciò rende i denti soggetti a fratture e cedimenti. Inoltre, l'effettiva area di contatto portante del dente trapezoidale occupa solo circa un terzo della superficie totale del fianco del dente, indicando che questo design non sfrutta appieno l'intero potenziale di carico dei denti della cinghia.

Nel 1973, Uniroyal sviluppò una cinghia di distribuzione a denti curvilinei singoli (nota come HTD; corrispondente allo standard nazionale JB/T 7512.1). Questo design ridusse efficacemente l'"effetto poligono" intrinseco alle trasmissioni a cinghia e permise di ottenere una distribuzione delle sollecitazioni più razionale, portando alla sua diffusione sempre maggiore. Successivamente, tuttavia, si osservò che, superata una certa soglia di velocità di trasmissione, queste cinghie a denti curvilinei tornavano a generare rumore e a mostrare un calo significativo dell'efficienza di trasmissione. Di conseguenza, nel 1977, l'azienda americana Goodyear modificò questo profilo dentato per creare la cinghia di distribuzione a denti curvilinei a testa piatta (STPD). Questo design migliorò significativamente la dinamica del flusso d'aria nel preciso momento dell'innesto tra i denti della cinghia e quelli della puleggia, riducendo sostanzialmente la resistenza allo smorzamento dell'aria, un fenomeno tipicamente associato all'ingranamento ad alta velocità.

Figura 2: Profilo del dente della cinghia sincrona a denti curvi STPD

Negli ultimi anni, la Cina ha assistito a una rapida crescita nei settori interni delle apparecchiature di videosorveglianza, dei sistemi di videoconferenza, delle stampanti e delle fotocopiatrici, con conseguente diffusione sempre maggiore delle cinghie di distribuzione in questi dispositivi. Poiché questi dispositivi compatti richiedono in genere una trasmissione di potenza relativamente bassa e velocità operative moderate, utilizzano prevalentemente cinghie di piccole dimensioni. Oltre al requisito di bassi livelli di rumorosità, i parametri prestazionali più critici per queste applicazioni sono la durata e la precisione di trasmissione angolare. Le serie di cinghie di distribuzione MXL, S1.5M e S2M sono specificamente progettate per soddisfare questi requisiti. Attualmente, i produttori nazionali, compresi quelli più rinomati, utilizzano ancora ampiamente le cinghie di distribuzione MXL. Al contrario, i produttori esteri, in particolare in Giappone, hanno già ampiamente adottato le cinghie di distribuzione con profilo STPD per dispositivi elettronici di piccole dimensioni, come i meccanismi interni di apparecchiature finanziarie, stampanti e fotocopiatrici.

Sebbene i profili dei denti delle cinghie di distribuzione MXL e S2M differiscano, i loro passi sono molto simili: il passo della MXL è di 2,032 mm, mentre quello della S2M è di 2,000 mm. Di conseguenza, possono essere utilizzate negli stessi sistemi di trasmissione. Per questo motivo, ho scelto questi due tipi di cinghia per un'analisi comparativa, che consente una chiara valutazione dei rispettivi vantaggi e svantaggi di queste due distinte categorie di cinghie di distribuzione. Sulla base di oltre un decennio di ricerca e test comparativi nei sistemi di trasmissione di apparecchiature di videosorveglianza e controllo finanziario, la cinghia S2M supera costantemente la cinghia MXL sia in termini di durata che di precisione di trasmissione.

2. Analisi comparativa

2.1 Confronto del profilo dentale

Innanzitutto, confrontiamo i profili dei denti delle due cinghie. Nella figura sottostante, la linea scura rappresenta il profilo del dente della cinghia di distribuzione S2M, mentre la linea chiara rappresenta quello della cinghia di distribuzione MXL. Lo spessore di base di entrambe le cinghie è identico, pari a 0,6 mm; tuttavia, i denti della cinghia S2M sono notevolmente più larghi di quelli della cinghia MXL, soprattutto alla base. Inoltre, il raggio di raccordo del dente della cinghia S2M (R0,2) è maggiore di quello del dente della cinghia MXL (R0,13). Ipotizzando che i materiali delle cinghie siano identici, la cinghia S2M possiede una resistenza strutturale superiore rispetto alla cinghia MXL, consentendole di trasmettere una potenza maggiore. Viceversa, se i requisiti di trasmissione della potenza sono identici, la cinghia S2M offrirà una durata maggiore rispetto alla cinghia MXL.

Rispetto alle pulegge, la resistenza strutturale e la resistenza all'usura della cinghia di distribuzione tendono ad essere leggermente inferiori; di conseguenza, la cinghia rappresenta spesso il fattore limitante per quanto riguarda la durata complessiva e la capacità di carico del sistema di trasmissione. Questo perché il corpo della cinghia incorpora in genere elementi di rinforzo, come fili d'acciaio o corde in fibra di vetro, lasciando i denti come componenti strutturali relativamente più deboli.

Figura 3: Confronto di due profili di denti per cinghie sincrone (denti trapezoidali MXL e denti curvi S2M)

Il sistema di trasmissione a cinghia dentata ad arco risolve questo problema aumentando lo spessore dei denti della cinghia per migliorarne l'integrità strutturale, riducendo al contempo leggermente lo spessore dei denti della puleggia (e di conseguenza, riducendo leggermente la resistenza strutturale della puleggia stessa). Questo approccio progettuale si allinea più efficacemente ai requisiti pratici di applicazione, con conseguente miglioramento complessivo sia della durata che della capacità di carico. È possibile ottenere dati specifici a riguardo dai manuali tecnici forniti da Mitsuboshi Belting (Giappone); si prega di fare riferimento alle tabelle seguenti (viene mostrata una selezione parziale):

• Figura 4: Capacità di trasmissione di potenza di base delle cinghie di distribuzione MXL (parziale)

• Figura 5: Capacità di trasmissione di potenza di base delle cinghie di distribuzione S2M (parziale)

• Figura 6: Coppia di trasmissione ammissibile per cinghie di distribuzione MXL (parziale)

• Figura 7: Coppia di trasmissione ammissibile per cinghie di distribuzione S2M (parziale)

Si noti che la larghezza standard della cinghia di distribuzione S2M mostrata sopra è di 4 mm, mentre la larghezza standard della cinghia di distribuzione MXL è di 6,4 mm. Sia considerando la potenza di trasmissione ammissibile che la coppia di trasmissione ammissibile, la cinghia S2M supera la cinghia MXL di almeno il 50%. Se questi valori fossero normalizzati a una larghezza di cinghia comune, il vantaggio prestazionale della cinghia S2M rispetto alla cinghia MXL sarebbe ancora più evidente.

2.2 Confronto delle caratteristiche di meshing

Successivamente, confrontiamo le caratteristiche di ingranamento delle cinghie di distribuzione e delle relative pulegge.

• Figura 8: Confronto delle condizioni di ingranamento per due tipi di cinghia di distribuzione (MXL vs. S2M)

• Figura 9: Dimensioni di base di due tipi di pulegge di distribuzione (MXL vs. S2M)

Confronto tra fotografie di mesh reali:

• Figura 10: Ingranamento effettivo della cinghia di distribuzione e della puleggia MXL

• Figura 11: Ingranamento effettivo della cinghia di distribuzione e della puleggia S2M

Come si può osservare, e in accordo con i profili teorici dei denti, si nota un gioco evidente tra la cinghia di distribuzione MXL e la sua puleggia; quando la cinghia viene spinta manualmente, si percepisce un leggero slittamento. Al contrario, non si riscontra alcun gioco visibile tra la cinghia di distribuzione S2M e la sua puleggia; quando la cinghia viene spinta, non si nota alcuno slittamento a occhio nudo. La cinghia di distribuzione MXL presenta giochi distinti sia sui fianchi che sulle punte dei denti, con conseguente "effetto poligono" più pronunciato rispetto alle cinghie di distribuzione con profilo curvilineo dei denti.

Come illustrato nelle figure precedenti, il profilo del dente della cinghia di distribuzione MXL è più piccolo del profilo della scanalatura della puleggia. La somma teorica dei giochi su entrambi i lati del dente della cinghia è di circa 0,2 mm, il che significa che il gioco rappresenta circa il 18% della larghezza del dente. Inoltre, l'altezza del dente di 0,51 mm è inferiore alla corrispondente profondità della scanalatura di 0,64 mm. Quando la cinghia di distribuzione S2M si innesta sulla sua puleggia, le dimensioni dei denti della cinghia e delle scanalature della puleggia sono quasi identiche, con conseguente gioco minimo. Teoricamente, il gioco combinato su entrambi i lati di un singolo dente della cinghia ammonta a circa 0,08 mm, un gioco equivalente a circa il 6% della larghezza del dente. Inoltre, l'altezza del dente e la profondità della scanalatura corrispondono perfettamente a 0,76 mm, garantendo un gioco nullo in direzione verticale (altezza del dente).

Sulla base di questa analisi del gioco di innesto, è evidente che se la tensione applicata alla cinghia di distribuzione è insufficiente, causando slittamento tra la cinghia e la puleggia, la precisione della trasmissione ne risentirà inevitabilmente. Teoricamente, la precisione di trasmissione di un sistema di distribuzione a cinghia MXL è leggermente inferiore a quella di un sistema S2M. Da un punto di vista strettamente geometrico, l'errore angolare per una cinghia MXL è approssimativamente (dove Z2 è il numero di denti sulla puleggia condotta) 18% × 360°/Z2; al contrario, l'errore angolare per una cinghia S2M è approssimativamente 6% × 360°/Z2. Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, la tensione della cinghia viene spesso mantenuta a un livello relativamente elevato, minimizzando lo slittamento, il che significa che la precisione effettiva raggiunta in genere supera questi valori teorici.

Nelle cinghie di distribuzione MXL, il contatto avviene esclusivamente tra le radici dei denti e le creste della puleggia; ciò comporta una concentrazione di stress relativamente elevata, limitando di conseguenza la tensione massima sopportabile dalla cinghia. Al contrario, le cinghie di distribuzione S2M entrano in contatto con la puleggia sia in corrispondenza delle punte che delle radici dei denti, con conseguente distribuzione più uniforme della forza. Questo riduce significativamente l'"effetto poligono". Inoltre, l'innesto, facilitato dal profilo curvilineo dei denti, risulta notevolmente più fluido; di conseguenza, le cinghie S2M con questi denti curvilinei offrono una maggiore capacità di carico e una durata superiore.

3. Verifica empirica

Per questa valutazione, è stata selezionata una telecamera di sorveglianza PTZ (Pan-Tilt-Zoom) per valutare la precisione delle sue capacità di posizionamento preimpostate. Sono stati testati due distinti sistemi di trasmissione: uno con denti a profilo MXL e l'altro con denti a profilo S2M. Entrambi i sistemi utilizzavano modelli di motore identici; a parte le pulegge e le cinghie di trasmissione specifiche, tutti gli altri componenti all'interno dell'assemblaggio sono rimasti esattamente gli stessi. Il sistema di trasmissione della telecamera opera tramite due assi di rotazione, come illustrato nella Figura 12. Nello specifico, l'obiettivo della telecamera è in grado di ruotare continuamente di 360° attorno all'asse Z, nonché di ruotare alternativamente entro un intervallo di 110° attorno all'asse Y; entrambi i movimenti sono azionati da cinghie dentate. Ai fini di questo test, ci siamo concentrati sul meccanismo di rotazione verticale, che presenta un rapporto di trasmissione di 1:4 (composto da una puleggia motrice a 20 denti e una puleggia condotta a 80 denti). Il nastro MXL utilizzato era il modello "180MXL" (con passo di 365,76 mm), mentre il nastro S2M utilizzato era il modello "S2M364" (con passo di 364 mm). L'obiettivo della telecamera era posizionato a una distanza di 15,6 metri dalla scala di riferimento utilizzata per la misurazione.

Una posizione preimpostata è un metodo per collegare un'area chiave sotto sorveglianza allo stato operativo di una telecamera PTZ. Tramite controllo manuale o programmato, la telecamera PTZ può ruotare in qualsiasi posizione angolare, che può quindi essere configurata e memorizzata come posizione preimpostata. Il richiamo di una posizione preimpostata è una funzione standard delle telecamere di sorveglianza PTZ. Indipendentemente dalla direzione in cui è attualmente puntato l'obiettivo della telecamera, una volta richiamata una posizione preconfigurata, la telecamera ruoterà rapidamente in quella specifica posizione.

Figura 12: Schema di prova per il confronto della precisione delle trasmissioni a cinghia di distribuzione

Quando una posizione preimpostata viene richiamata tramite software, la telecamera PTZ ruota nella posizione corrispondente; tuttavia, si verifica spesso una deviazione dalla posizione originariamente configurata. Oltre all'influenza del software e del motore, il fattore principale che contribuisce a questa deviazione è l'errore di trasmissione della cinghia all'interno del meccanismo della telecamera PTZ. Per eliminare l'influenza del software e del motore, i test sono stati condotti utilizzando una singola unità telecamera PTZ dotata dello stesso modello di motore per tutta la durata del processo. Sono state scambiate solo le pulegge e le cinghie di distribuzione; pertanto, le pulegge e le cinghie sono state le uniche variabili nell'esperimento. La deviazione effettiva misurata durante questi test funge da indicatore diretto della precisione di trasmissione reale ottenuta dal sistema di cinghie di distribuzione MXL rispetto al sistema di cinghie di distribuzione S2M.

Come indicato dai dati di prova nella Tabella 1, la cinghia di distribuzione S2M dimostra una precisione significativamente superiore rispetto alla cinghia di distribuzione MXL in condizioni operative identiche. Quando la tensione della cinghia supera i 25 N, un ulteriore aumento della tensione produce solo miglioramenti marginali nella precisione; oltre i 30 N, l'impatto dell'aumento della tensione sulla precisione diventa ancora meno significativo. In particolare, la cinghia di distribuzione S2M è in grado di raggiungere una precisione di trasmissione superiore anche in condizioni di tensione relativamente basse. Inoltre, è stato osservato che le caratteristiche di smorzamento del sistema di movimento hanno un impatto sostanziale sulla precisione della trasmissione.

Tabella 1: Dati di test sulle deviazioni nel richiamo delle posizioni preimpostate (fare riferimento ai dati originali nell'articolo)

4. Dati del test di resistenza alla trazione

Come illustrato dai dati forniti da Bando Chemical Industries nella figura seguente: entrambe le cinghie di distribuzione MXL e S2M sono composte da materiali in gomma e condividono uno spessore di base identico di 0,6 mm. Data la loro identica composizione del materiale, le loro resistenze alla trazione (indicate come "resistenza alla rottura" nei disegni tecnici) sono sostanzialmente equivalenti. (Nota: i valori di spessore della cinghia mostrati nei diagrammi includono l'altezza dei denti; nello specifico, mentre entrambe le cinghie MXL e S2M hanno uno spessore di base di 0,6 mm, lo spessore totale, denti inclusi, è di 1,1 mm per la cinghia MXL e di 1,31 mm per la cinghia S2M.)

• Figura 13: Materiali e struttura della cinghia di distribuzione MXL

• Figura 14: Materiali e struttura della cinghia di distribuzione S2M

5. Riepilogo e discussione

In sintesi, la cinghia di distribuzione a dentatura curvilinea S2M supera la cinghia di distribuzione a dentatura trapezoidale MXL in termini di precisione di trasmissione; questo rappresenta un vantaggio significativo per le cinghie a dentatura curvilinea. I requisiti di installazione per le cinghie a dentatura curvilinea sono simili a quelli per le cinghie a dentatura trapezoidale; tuttavia, offrono una maggiore durata e consentono una gamma più ampia di impostazioni di tensione. Dal punto di vista dei costi, sebbene il peso per unità di larghezza della cinghia di distribuzione S2M sia leggermente superiore e il costo per una larghezza equivalente possa essere marginalmente maggiore (circa 1,18:1), essa può essere prodotta con un profilo più stretto. Di conseguenza, il costo effettivo non è necessariamente superiore a quello della cinghia di distribuzione MXL; anzi, spesso può essere inferiore, offrendo vantaggi significativi in ​​termini di riduzione del volume complessivo del sistema di trasmissione. Sulla base dei calcoli di capacità di trasmissione, una cinghia di distribuzione S2M larga 4 mm può sostituire efficacemente la stragrande maggioranza delle cinghie di distribuzione MXL larghe 6,4 mm, riducendo potenzialmente i costi effettivi di oltre il 25%.

Sebbene la Cina abbia già stabilito standard nazionali per le cinghie dentate curvilinee della serie HTD, la loro adozione rimane relativamente rara; inoltre, si riscontra una notevole mancanza di standard consolidati per le cinghie di distribuzione a denti curvilinei di dimensioni micro e piccole (in particolare quelle più piccole della serie 3M).

Il design a denti curvilinei si è ulteriormente evoluto nella serie RPP, caratterizzata da un profilo parabolico concavo nella parte superiore che genera livelli di rumore ancora più bassi, come illustrato nella Figura 15.

Figura 15: Profilo del dente parabolico con parte superiore concava RPP

6. Conclusion

In Cina, le cinghie a denti trapezoidali vantano una lunga storia di utilizzo e rimangono le più diffuse. Tuttavia, la superiorità intrinseca delle cinghie a denti curvilinei è innegabile. Pertanto, è necessario attuare con vigore politiche che promuovano e supportino l'adozione delle cinghie a denti curvilinei in sostituzione di quelle a denti trapezoidali, soprattutto nel settore delle piccole imprese, al fine di accelerare la definizione di norme pertinenti e agevolare l'ammodernamento e l'aggiornamento industriale del settore manifatturiero nazionale.