Le cinghie, al pari delle catene trattate nella scorsa puntata, sono Organi di Trasmissione, cioè elementi di macchine utilizzate per trasmettere la potenza tra due o più alberi, all’occorrenza variandone i fattori, cioè velocità angolare e coppia. Le cinghie sono flessibili e grazie questa proprietà possono avvolgersi su pulegge, collegate rispettivamente ad un albero conduttore e condotto, trasmettendo la potenza tra i due grazie alla forza di trazione alle quale sottoposte. Possono essere suddivise in due grandi categorie, a seconda che lo scambio tra la cinghia e la puleggia si basi sul principio di forza, cioè avvenga per attrito, ovvero sul principio di forma, cioè grazie alla spinta tra superfici di geometria opportuna. Appartengono alla prima famiglia le cinghie piane, trapezoidali, circolari e di altre forme, mentre la seconda è costituita dalle cinghie dentate, con le quali, a differenza delle prime, si possono realizzare trasmissioni sincrone1 . Le trasmissioni a cinghia possono collegare due o anche più alberi, più frequentemente ad assi paralleli, anche se non è esclusa la possibilità di realizzare configurazioni diverse.
Tra i principali vantaggi delle trasmissioni a cinghia vi sono la possibilità di realizzare interassi diversi in base alle esigenze, la silenziosità, l’assorbimento degli urti grazie alle proprietà elastiche, di smorzamento, e alla possibilità di tollerare brevi sovraccarichi con slittamento, la semplicità costruttiva, l’economicità, l’assenza di lubrificazione e la bassa manutenzione. Sono invece svantaggi il carico elevato sugli alberi, soprattutto per quelle con trasmissione per attrito, che per altro sono soggette ad un inevitabile slittamento continuo e il campo di temperature limitato.
Cinghia piana e cinghia trapezoidale
Le cinghie piane, o piatte, hanno una sezione trasversale rettangolare e sono realizzate in tele gommate, cuoio o in materie plastiche rinforzate con fibre di vetro o altro materiale. Visto che la trasmissione per attrito richiede l’applicazione di un precarico proporzionale alla massima coppia che si intende trasmettere, con le cinghie a sezione trapezoidale, grazie alla forma della gola a V sulla puleggia, si può trasmettere una coppia più elevata a parità di forza sull’albero e quindi sul supporto.
Come si vede nella figura 1, che mostra in sezione l’accoppiamento tra la cinghia e la puleggia, infatti, applicando una componente normale di valore R, si ottengono sulle facce laterali, cioè quelle deputate alla trasmissione per attrito, le componenti N, alle quali sarà proporzionale la forza massima allo slittamento.
Come mostrano le equazioni, l’azione tangenziale trasmissibile T, che nel caso di una cinghia piatta sarebbe proporzionale alla R tramite il coefficiente di attrito m, nel caso della forma trapezia risulta incrementata per effetto dell’angolo b, grazie al quale è come se si avesse, a parità delle proprietà delle superfici a contatto, un coefficiente di attrito fittizio m* più elevato e pertanto una forza trasmissibile più elevata a parità di forza radiale.
Le cinghie trapezoidali hanno una sezione in gomma con elementi di trazione in fibra tessile o metallica e con un rivestimento atto a conferire la resistenza all’usura. Sono standardizzate secondo norme ISO, DIN e BS, sia in versioni metriche che in pollici, e la taglia della sezione è generalmente identificata da una lettera che ne determina dimensioni, la cui scelta si basa in genere su diagrammi che, in funzione del numero di giri al minuto (della puleggia minore) e della potenza da trasmettere, corretta mediante opportuni coefficienti, individuano i campi di applicazione compatibili con le diverse grandezze (figura 3). La trasmissione può essere realizzata mediante una o più cinghie e, in quest’ultimo caso, si utilizzano pulegge con gole multiple.
Cinghia dentellata e con scanalature multiple
Oltre al tipo base, esistono numerose varianti delle cinghie trapezoidali, caratterizzate da specifiche proprietà, come ad esempio da materiali resistenti ad agenti aggressivi, o con sezioni particolari. Vi sono ad esempio le cinghie dentellate (figura 4), che all’intradosso presenta di denti, da non confondere con quelli delle cinghie sincrone, che rendono la cinghia più flessibile. Oppure le cinghie con scanalature multiple (Poly-V), le quali si presentano con proporzioni simili a quelle di una cinghia piatta, pur sfruttando il principio di funzionamento delle cinghie trapezoidali, cioè il contatto su superfici angolate.
Le sollecitazioni nella cinghia sono prodotte dal tensionamento applicato e dagli sforzi per effetto centrifugo e flessionale nell’avvolgimento, che complessivamente determinano cicli di fatica. Ciò premesso, una volta identificata la sezione idonea, il dimensionamento della trasmissione a cinghia si basa però in genere sui dati forniti dai costruttori, raccolti in opportuni diagrammi, basati sui risultati di prove sperimentali, che evidenziano l’effetto di parametri quali l’angolo di avvolgimento, il rapporto di trasmissione, lo sforzo di fatica derivante dall’avvolgimento sulle pulegge, che consentono di determinare il numero di cinghie necessarie.
Le cinghie sincrone, o dentate, si accoppiano invece con pulegge a loro volta dentate e si basano pertanto su un accoppiamento di forma. Conservano le prerogative delle cinghie trapezoidali, derivanti dalla costruzione con materiali flessibili, e possono però essere utilizzate per applicazioni che richiedano di garantire un rapporto di trasmissione esatto e/o la fasatura tra organi rotanti diversi. Richiedono una tensione minore delle cinghie trapezoidali e piane e ciò si traduce in una minore sollecitazione sugli alberi e sui supporti. Anch’esse presentano una sezione in mescola di gomma, con inserti di trazione e un tessuto di protezione in uno o più strati; sono disponibili con diversi profili di dentatura e in taglie diverse, identificate dal passo dei denti e sono fornite in larghezze diverse. Alle versioni base si affiancano varianti caratterizzate da proprietà particolari, quali ad esempio la silenziosità, o densità di coppia più elevate.
Anche le trasmissioni a cinghia dentata vengono dimensionate sulla base dei dati forniti dai costruttori, che forniscono la potenza trasmissibile in funzione del passo, del numero di denti e della velocità di rotazione della puleggia minore e della larghezza (figura 5).
Nota 1: si veda a questo proposito quanto esposto nella trattazione delle catene su Organi di Trasmissione, gennaio 2025, pag. 22 (N.d.R.)