I riduttori hanno il compito di trasmettere le coppie e di cambiare la velocità o la coppia tra l'entrata e l’uscita. I riduttori planetari vengono utilizzati per incrementare la coppia soprattutto nell'industria automobilistica, ad esempio nei ripartitori di coppia della trazione integrale. Nei mozzi delle ruote condotte di camion, autobus, macchine edili e agricole si montano riduttori planetari per la riduzione della trasmissione. Già da molto tempo i riduttori planetari sono utilizzati nel mozzo a cambio interno delle biciclette: grazie alla loro struttura compatta, sono particolarmente adatti per aumentare la coppia del relativamente piccolo mozzo. Il design dei riduttori planetari è caratterizzato da un elevato grado di efficienza e offre una trasmissione della coppia elevata anche negli spazi più esigui. Sono quindi adatti per corsa destrorsa e sinistrorsa e per modalità di funzionamento alternata, costante e intermittente.
Struttura dei riduttori planetari
I riduttori planetari sono detti anche riduttori epicicloidali. L'albero di entrata e di uscita sono disposti coassialmente. Nei riduttori planetari, diversi ingranaggi periferici sono posizionati intorno a una ruota dentata centrale. Dal momento che la disposizione ricorda i pianeti che orbitano intorno al sole, la ruota centrale è detta anche ruota solare e gli ingranaggi circostanti ruote planetarie. La chiusura esterna del riduttore è formata da una ruota cava con dentatura interna. La ruota solare è azionata da un motore e trasmette il suo movimento alle ruote planetarie circostanti, che scorrono sulla corona dentata esterna e in tal modo ruotano in modo uniforme attorno alla ruota solare. Le ruote planetarie sono montate su un supporto comune che è collegato all'albero di uscita. La velocità dell'uscita è inferiore a quella dell'entrata e la coppia dell'uscita aumenta in modo inversamente proporzionale. Quante più ruote dentate si incastrano l'una nell'altra, tanto maggiore è la coppia. Generalmente un riduttore planetario contiene da tre a quattro ruote planetarie.
Spesso, a partire da questa struttura di base, i riduttori planetari vengono utilizzati combinando più ruote dentate azionate una dopo l'altra e una dentro l'altra. L'unione di più set di ruote planetarie semplici dà origine a un riduttore multiplo. Nel mozzo a cambio interno di una bicicletta ciò consente di avere un numero di marce superiore alle tre che si possono ottenere con un semplice set di ingranaggi.
Tipologie di funzionamento dei riduttori planetari
Di norma, un ingranaggio planetario è dotato di tre alberi (ruota solare, portapianeti, ruota cava). Spesso però uno degli alberi viene tenuto fisso ed entrata e uscita avvengono attraverso gli altri due alberi. Quale albero o quale ruota è tenuto fisso e quale funge da entrata o uscita dipende dal compito strutturale per cui sono stati progettati. In alcuni casi si ricorre anche a un sistema a tre alberi, laddove o vi sono due alberi conduttori e uno condotto (riduttori a somma), o viceversa (ripartitore di coppia). È possibile anche un funzionamento a tre alberi intermittente. In questo caso, il terzo albero viene fissato tramite un innesto a frizione; in tal modo il funzionamento a due alberi può essere interrotto e ripristinato, sotto carico, tramite sgancio e riaggancio.
Riduttori planetari con funzionamento a due alberi
In linea di principio, vi sono sei possibili combinazioni con cui scegliere due dei tre alberi, nonché per la conversione da albero conduttore ad albero condotto. Nel funzionamento a due alberi si distingue tra rapporto di trasmissione fisso e rapporto di trasmissione epicicloidale: nel rapporto di trasmissione fisso si muovono gli alberi della ruota solare e di quella cava. Il portapianeti o è fermo e saldamente fissato al telaio oppure è trattenuto tramite un freno. La ruota solare agisce su varie ruote planetarie che insieme trasmettono la loro forza alla ruota cava.
Nel rapporto di trasmissione epicicloidale la ruota cava è ferma e forma il telaio. Ruota solare e albero del portapianeti costituiscono entrata e uscita. Con questa modalità di funzionamento si riescono a ottenere rapporti di trasmissione più elevati rispetto a quelli con rapporto di trasmissione fissa e pertanto la maggior parte dei riduttori planetari per uso industriale sono realizzati in questo modo.
Riduttori planetari con funzionamento a tre alberi
Nella modalità a tre alberi i riduttori planetari funzionano come riduttori di somma o ripartitori di coppia. Nel ripartitore di coppia un albero è conduttore e due alberi sono condotti: è necessario stabilire il rapporto di velocità dei due alberi di uscita. Un esempio di impiego classico è la distribuzione della potenza su due ruote nell'asse motore delle automobili (riduttore differenziale nella trazione anteriore). Nelle trazioni integrali, i due differenziali assiali sono integrati da un differenziale centrale. Negli autoveicoli elettrici ibridi la potenza del motore viene ripartita sulle ruote e su un generatore elettrico. Anche i riduttori a somma sono utilizzati nei veicoli ibridi, per combinare la potenza del motore a combustione con quella del motore elettrico (ibrido parallelo).
Vantaggi dei riduttori planetari
I riduttori planetari sono caratterizzati da un elevato grado di rendimento e, grazie al loro design compatto, offrono un'alta densità di potenza rispetto ad altri tipi di riduttori. In particolare, l'utilizzo di una ruota cava riduce sia il volume, sia la massa di questo tipo di riduttori. Attraverso più coppie di denti paralleli con più ingranaggi epicicloidali si riesce ad ottenere un'elevata trasmissione di coppia in un minimo spazio. Dal momento che la coppia è distribuita su più ruote dentate, le forze in gioco sono minori rispetto ad altri tipi di riduttori. Inoltre, non è necessario eseguire alcuna sincronizzazione e pertanto gli ingranaggi possono essere commutati senza interruzione dell'accoppiamento dinamico. Dal momento che tutte le ruote dentate si muovono sempre l'una nell'altra, i riduttori planetari non producono rumore.
Svantaggi dei riduttori planetari
Gli svantaggi dei riduttori planetari sono la struttura costosa e la maggiore dissipazione di potenza rispetto ai riduttori coassiali. Dal momento che la potenza è trasmessa attraverso almeno due ingranamenti, la potenza dissipata è doppia rispetto a quella di una semplice precoppia. Inoltre, questi riduttori richiedono un costoso sistema di supporto, soprattutto quando sono utilizzati nella modalità a tre alberi.
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