L’albero, in tutte le sue forme costruttive, è indubbiamente uno degli elementi fondamentali delle costruzioni meccaniche. Grazie alla sua capacità di trasmettere coppie e di fungere da supporto per parti rotanti, costituisce una componente significativa di quasi ogni macchina. Gli alberi hanno una forma allungata ad asta e vengono prodotti in diverse grandezze. Il materiale utilizzato dipende innanzitutto dall’applicazione e dai requisiti che essa pone. Requisiti fondamentali, quali resistenza del materiale, temprabilità e duttilità, sono garantiti da diversi tipi di acciai. In caso di sollecitazioni importanti e condizioni supplementari richieste per l’albero si utilizzano inoltre spesso acciai da bonifica e acciai da cementazione.
Il cosiddetto albero cavo, una variante costruttiva del modello convenzionale, presenta le stesse caratteristiche, sia per quanto riguarda la struttura che per la funzione. Contrariamente all’albero tradizionale, chiamato anche albero pieno, l’albero cavo si presenta vuoto al suo interno. Questa caratteristica determina alcuni attributi positivi, che fanno dell’albero cavo un elemento meccanico ampiamente diffuso.
Caratteristiche e vantaggi dell’albero cavo
In primo luogo, la speciale forma costruttiva dell’albero cavo consente un enorme risparmio di peso, che dal punto di vista costruttivo e funzionale spesso si rivela un fattore molto utile. La cavità all’interno dell’albero cavo presenta anche un altro vantaggio: minore ingombro. Mezzi di esercizio, fluidi e addirittura elementi meccanici supplementari come assi e alberi possono essere collocati all’interno dell’albero cavo o utilizzare lo spazio di lavoro offerto come canale. Gli alberi cavi presentano inoltre di norma una frequenza propria relativamente alta. Anche i servoazionamenti della serie CanisDrive® di Harmonic Drive AG sono dotati di un ampio albero cavo centrale, che contribuisce in misura determinante ad ampliare la gamma di applicazioni della serie di prodotti.
Il processo di produzione dell’albero cavo è decisamente più costoso della produzione di un albero pieno normale. Misure quali diametro e lunghezza, così come spessore della parete, materiale e la sollecitazione a cui è sottoposto o la coppia agente influiscono notevolmente sulla stabilità dell’albero cavo. Ad esempio, se spessore delle pareti e diametro non presentano tra loro un rapporto conforme alle regole della fisica, questo può determinare eventualmente una struttura precaria. Se si confrontano tra loro albero cavo e albero pieno con lo stesso diametro, la coppia trasmissibile dell’albero cavo è solo leggermente più piccola.
L’albero cavo rappresenta un elemento essenziale dell’azionamento ad albero cavo, utilizzato in veicoli a trazione elettrica come tra l’altro nelle ferrovie. Gli alberi cavi sono inoltre adatti per la costruzione di dispositivi meccanici e distributori automatici.
Differenze tra albero e asse
Mentre i termini albero e asse sono spesso utilizzati come sinonimi, in quanto elementi meccanici possiedono caratteristiche diverse, anche per quanto riguarda la loro funzionalità. Contrariamente all’albero l’asse non trasmette alcuna coppia, bensì funge unicamente da supporto per gli elementi rotanti o oscillanti. Il compito principale di tutti gli assi è quindi di sostenere gli elementi meccanici rotanti. Di norma sono collocati nel telaio della macchina e talvolta sono fortemente sollecitati da forze trasversali e momenti flettenti.
In linea di principio, per un determinato aspetto della loro funzionalità asse e albero si sovrappongono – entrambi sono in grado di sostenere altri componenti. In compenso, solo alberi pieni e forme costruttive affini, come l’albero cavo, sono in grado di trasmettere coppie. Un altro motivo di confusione è costituito dalle similitudini per quanto riguarda l’aspetto. Sia l’asse che l’albero nella loro forma base presentano una struttura allungata e sezione circolare.
Altre forme costruttive speciali dell’albero
Oltre all’albero cavo esistono altre forme costruttive dell’albero pieno tradizionale. Queste sono utilizzate di norma in settori di applicazione specifici e soddisfano i requisiti del rispettivo settore grazie a forme costruttive particolari. Tra le forme costruttive speciali rientrano ad esempio i cosiddetti alberi flessibili. Per quanto riguarda la loro funzione principale non si differenziano dall’albero pieno o cavo, poiché anche gli alberi flessibili sono preposti alla trasmissione di forza elettromeccanica. Vi è tuttavia una differenza significativa nella struttura dell’albero. Gli alberi flessibili sono costituiti sostanzialmente da un filo centrale intorno al quale vengono avvolti altri fili, ad esempio fili di acciaio per molle. I suddetti fili formano un cavo rotante (chiamato nel gergo tecnico “anima”) che è avvolto da una guaina protettiva. Il particolare tipo di costruzione pieghevole degli alberi flessibili rappresenta tra l’altro un vantaggio quando non è possibile applicare una trasmissione di forza lineare o quando azionamento e presa di forza non sono sufficientemente allineati. A ricorrere frequentemente agli alberi flessibili sono i mezzi d’esercizio mobili, quali trapani e rettificatrici, poiché altrimenti il loro impiego risulterebbe limitato.
Nel gruppo delle forme costruttive speciali rientra anche l’albero a gomiti. Quale parte del manovellismo l’albero a gomiti trasmette il movimento ascendente e discendente dei pistoni, ovvero lo converte in coppia. Mentre oggigiorno gli alberi a gomiti trovano ampio uso come componente del motore a combustione, la loro storia risale a molti secoli fa. La segheria di Hierapolis del III sec. d.C. è considerata la prima macchina in cui il movimento rotatorio veniva convertito in moto lineare con l’ausilio di un albero a gomiti o biella.
Dopo l’albero cavo, l’albero flessibile e l’albero a gomiti è l’albero snodato ad essersi affermato in determinati settori di applicazione grazie alla sua struttura specifica. Esso si basa sostanzialmente su un’asta, variabile in lunghezza a seconda del modello, alle cui estremità sono applicati degli snodi oppure flange di raccordo, che realizzano un collegamento dinamico. Gli alberi snodati si contraddistinguono per la trasmissione precisa della coppia tra macchina motrice e condotta sfalsate nello spazio, servono a compensare la lunghezza e costituiscono raccordi alternativi particolarmente resistenti alle sollecitazioni. Tra le forme costruttive di alberi snodati più utilizzate rientrano l’albero cardanico, l’albero sincrono e l’albero a doppio snodo.
Panoramica delle forme costruttive di alberi: