La catena è un organo di macchina utilizzato per realizzare trasmissioni di potenza e rientra pertanto a pieno diritto tra gli Organi di Trasmissione, in compagnia degli ingranaggi e delle cinghie. La prima proprietà delle catene, che merita di essere segnalata, è che il loro principio di funzionamento si basa su di un accoppiamento di forma, cioè geometrico, grazie al quale possono essere utilizzate per ottenere trasmissioni sincrone, cioè capaci di ottenere il rapporto di trasmissione medio desiderato in modo esatto, come gli ingranaggi e le cinghie dentate, a differenza delle cinghie piane e trapezoidali o le ruote di frizione, che funzionano invece per attrito, cioè con un accoppiamento di forza, che non consente di ottenere il rapporto di trasmissione in modo rigorosamente esatto. Per questo motivo, le catene possono essere utilizzate in applicazioni per le quali, oltre a trasmettere una potenza meccanica, si devono garantire anche il sincronismo o il mantenimento di una fasatura, come avviene ad esempio nel comando della distribuzione di un motore a combustione interna, nel quale il rapporto di trasmissione tra l’albero motore e a camme deve essere rigorosamente pari ad 1:2.
La capacità di ottenere un rapporto di trasmissione esatto non implica però che esso sia rigorosamente costante nel tempo: nell’accoppiamento con la dentatura con la quale si impegnano, tenuto conto del numero finito di denti, gli assi dei rulli della catena sono infatti soggetti al cosiddetto effetto poligonale (figura 1), in conseguenza del quale il rapporto di trasmissione oscilla nel tempo intorno al valore medio, dando luogo ad un errore di trasmissione, oltre che ad una variazione delle forze. Tale effetto è tanto più sensibile quanto più il numero di denti è piccolo e questo ed uno dei motivi per cui i ciclisti nelle prove contro il tempo o nelle gare in pista utilizzano corone con molti denti più del normale, grazie alle quali possono ottenere un rapporto di trasmissione elevato, senza dover ricorrere a pignoni con numero di denti troppo piccolo, con i quali si avrebbero fastidiose variazioni di forza e velocità, oltre che rendimenti più bassi a causa di maggiori angoli di articolazione.
Altre importanti proprietà delle catene sono la possibilità di impiego ad alte temperature, la possibilità di coprire interassi elevati e di collegare più alberi, anche con versi di rotazione diversi. Inoltre, generano forze ridotte sugli alberi e sui supporti, perché necessitano solo di un lieve precarico, ai soli fini di un corretto tensionamento. Pertanto, la forza effettiva nella catena e le conseguenti reazioni sui supporti sono proporzionate al valore corrente della coppia trasmessa e non al suo valore massimo, come avviene invece per le trasmissioni per attrito, le quali necessitano di un precarico commisurato al valore della massima coppia che si vuole trasmettere.
Le trasmissioni a catena sono caratterizzate da rendimenti elevati e la principale fonte di perdita è costituita dagli attriti in fase di articolazione, cioè nei passaggi dalla configurazione rettilinea a quella curva e viceversa, in occasione dell’ingranamento con la ruota dentata. In generale, le catene devono essere lubrificate, mediante grasso o olio, in relazione all’applicazione. Il materiale preponderante è l’acciaio al carbonio, anche se esistono versioni per applicazioni particolari, che possono essere in acciaio inossidabile.
Il tipo più impiegato nelle trasmissioni è la catena a rulli, i cui componenti fondamentali sono i rulli, le bussole, i perni e le piastre interna ed esterna, come visibile in figura 2. Esse sono standardizzate e si citano in particolare le seguenti norme:
- ISO-606 (DIN 8187) catene a rulli serie “EUROPEA”;
- ISO-606 (DIN 8189) catene a rulli serie “AMERICANA”;
- ISO-1275 (DIN 8181) catene a rulli serie “A PASSO LUNGO”;
- ISO-487 (DIN 8189) catene a rulli serie “PER AGRICOLTURA”;
Dimensionamento delle catene
Le catene sono disponibili in diverse taglie, identificate dal passo, a una o più file (in genere fino a tre), così da potersi adattare alle prestazioni richieste e come anticipato sono standardizzate. Il dimensionamento della catena implica considerazioni relative alla geometria, in relazione agli interassi da ottenere e all’avvolgimento sulle ruote dentate, all’ottenimento del rapporto di trasmissione desiderato, oltre che, naturalmente, alla verifica della resistenza rispetto alle avarie.
Vi sono delle regole di buon progetto, che definiscono rapporti ottimali tra l’interasse e il passo (campo ideale tra 30 e 50), per l’angolo di avvolgimento sul pignone (non minore di 120°) e il tensionamento, che può essere garantito mediante tenditori e verificando il valore della freccia della catenaria.
La principale modalità di danneggiamento è rappresentata dall’usura, che si traduce in un allungamento della catena, del quale si può tenere conto applicando degli opportuni tenditori che la compensino. È infatti essenziale che la catena sia sufficientemente tensionata, in modo da garantire il corretto accoppiamento con le dentature, i corretti angoli di avvolgimento ed anche per prevenire oscillazioni e vibrazioni che compromettono il corretto funzionamento.
Dal punto di vista pratico, la scelta della catena, cioè della dimensione e del numero di file, parte da diagrammi standardizzati che danno i campi ammissibili di funzionamento per le diverse taglie, in funzione della potenza e del numero di giri del pignone e che guidano pertanto nella prima scelta. Tuttavia, tali diagrammi si riferiscono a condizioni di riferimento, e si devono introdurre dei fattori correttivi. In particolare, si introducono un fattore di applicazione che tiene conto della dolcezza del funzionamento, dipendente sia dalle caratteristiche sia della macchina conduttrice, ed un fattore di applicazione funzione del numero di denti del pignone, che tiene conto del fatto che, al diminuire del numero di denti, le condizioni di funzionamento divengono sempre più sfavorevoli e quindi è richiesta una capacità di potenza maggiore.
Altri tipi di catene
Oltre alle catene a rulli, vi sono altri tipi di catene come quelle a bussole (nelle quali la bussola collegata alle piastre si impegna direttamente con i denti, senza che vi sia un rullo rotante rispetto al perno), adatte solo per basse velocità, o le catene a denti. Va anche ricordato che le catene oltre che per la trasmissione sono utilizzate per le funzioni di trasporto o di trasporto e sollevamento, per le quali esistono catene corrispondenti a svariate tipologie e standard, ai quali si rimanda per approfondimenti.
