Trazione a catena
Le trasmissioni a catena possono essere suddivise in due categorie.
a) Catene lente per sollevamento e trasporto.
b) Catene veloci per trasmissione di potenza.
Catene per sollevamento e trasporto
Vengono usate negli apparecchi di sollevamento e lavorano a basse velocità, non superiori a 0,5 m/s. Le maglie di questo tipo di catene possono essere ad anelli chiusi normali oppure ad anelli chiusi con traversino. Il diametro d del tondino di ferro può variare da 2 a 3 mm per catene piccole di comando per le gru, a parecchi centimetri per le catene delle ancore delle navi.
I materiali di fabbricazione sono in genere a basso tenore di carbonio
come
C8 (R>32 daN/mm2)
C12 (R>40 daN/mm2)
oppure in acciaio al manganese
20 Mn 4 (R>49 daN/mm2)
20 MnSi 5 (R>54 daN/mm2)
20 MnCr 4 (R>59 daN/mm2)
Il carico di sicurezza si assume in genere σ=50 N/mm2
per per catene normali e σ=100 N/mm2 per le catene
ad anelli con traversino.
Ogni anello ha sue sezioni S sollecitate a trazione dal carico F dunque deve essere almeno
Il diametro minimo delle ruote deve essere di 20×d per catene calibrate e di 25×d per catene ad argano a mano.
Catene per trasmissione di potenza
Vengono impiegate quando le distanze tra gli assi sono troppo grandi
per usare ingranaggi oppure troppo piccole per trasmissioni a cinghia;
rispetto a queste hanno il vantaggio di mantenere rigorosamente costante
il rapporto di trasmissione, perché non ci sono slittamenti e la catena
è ovviamente insensibile all'umidità ed al calore.
Bisogna dire, inoltre, che nelle trasmissioni con catena, il rapporto
di trasmissione tra la velocità angolare ω1 dell'albero
motore e la velocità angolare ω2 dell'albero mosso
è dato dal rapporto z2 del numero di denti della ruota mossa
ed il numero dei denti z1 della ruota motrice.
Rispetto alle ruote dentate, le catene, presentano più leggerezza, meno ingombro e un migliore rendimento, per via del minor carico sui denti; inoltre le ruote dentate per questo tipo di catene sono di minor costo rispetto agli ingranaggi ordinari.
Si costruiscono diversi tipi di catene: per moderate velocità (v≤0,5 m/s) e trasmissioni di forza si impiega la catena Galle a spina; per medie velocità il tipo a bussole Zobel; per le alte velocità il tipo Renold a rulli o il tipo silenzioso a lamelle Renold-Morse.
Il passo (p) di una catena è la distanza tra gli assi dei perni che sostengono le maglie. Queste catene vengono chiamate catene articolate e si usano con apposite ruote dentate a profilo speciale. La tipica catena della bicicletta o del motorino è di tipo Galle leggero.
Le catene Galle hanno l'inconveniente di presentare una elevata usura dei perni e delle piastrine in corrispondenza della zona di reciproco contatto. L'usura di questi componenti produce poi un progressivo aumento del passo della catena fino a renderla inservibile (perchè poi la catena non riesce più ad ingranare).
Nelle catene Zobel questo inconveniente risulta
praticamente eliminato dato che le piastrine che collegano un perno
ai perni contigui sono suddivise in due gruppi: un gruppo di piastrine
più esterne risulta collegato ( e non articolato) con i perni del rullo
e con (ad es.) il perno del rullo che lo precede, mentre un gruppo di
piastrine più interne risulta fissato ad un estremo ad una bussola montata
folle sul perno considerato e l'altro estremo ad una bussola montata
folle sul rullo che (ad es.) segue quello considerato.
Si nota come le piastrine più esterne (p') sono fissate ai perni mentre le piastrine più esterne (p") sono fissate alle bussole montate folli sui perni.
Il vantaggio rispetto alle catene Galle è che la superficie di contatto bussola perno è molto estesa quindi facilmente lubrificabile, con delle pressioni ridotte tra i vari componenti .
Nelle catene Galle e Zobel, quando una maglia si avvolge su una ruota dentata, si verifica uno strisciamento dell'elemento della catena contro il fianco del dente. Nelle catene a rulli questo inconveniente viene eliminato, infatti queste catene portano sulla bussola b, dove sono fissate le piastrine interne, un'altra bussola b' cava, folle sulla prima in modo che quando una maglia si impegna con un dente della ruota, si verifica un contatto per rotolamento e non di strisciamento.
Le catene a rulli rappresentano il tipo più diffuso per le trasmissioni
di potenza ad elevata velocità
(v=4÷12 m/s).
Per le piastrine si usa acciaio da bonifica; per i perni, le bussole e rulli, acciai al CrNi da cementazione. Le catene a rulli sono normalizzate dalla tabella UNI 7484. La designazione unificata si fa indicando il passo (p) ; il tipo di catena A (americano) , B (europeo) ; il numero di file affiancate di rulli.
Esempio: catena 16B-2 UNI 7484
vuol dire passo 1pollice (16"/16) tipo europeo con due file di rulli affiancati ( catena doppia).
La lubrificazione delle catene si fa a gocce d'olio fino a 6m/s di
velocità; per velocità superiori le catene devono funzionare in bagno
d'olio.
Il rendimento delle catene articolate è mediamente del 99%. La spinta
sui sopporti è 1,5×F (F=sforzo periferico).
In generale il calcolo della resistenza a trazione di una catena non
è necessario percé le case costruttrici già indicano nel catalogo sia
la potenza che la catena può trasmettere che la sua resistenza alla
rottura.
Si può, comunque dire, che lo sforzo a trazione della catena si traduce
in sollecitazione al taglio nei perni e nelle testate delle piastrine,
a questa si deve aggiungere l'effetto della forza centrifuga, non trascurabile
ru un rocchetto di piccolo raggio.
Per un calcolo di massima si può usare la seguente formula empirica.
F=sforzo periferico [N]
b=larghezza delle piastrine [mm]
d=diametro dei perni [mm]
s=spessore delle piastrine [mm]
np=numero di piastrine per ogni maglia
σ=carico di sicurezza [N/mm2] del materiale
L'espressione (b-d)·s·np che compare è la
sezione netta delle piastrine che resiste allo sforzo periferico.
Il diametro d dei perni può essere calcolato con l'equazione di stabilità
al taglio:
con 
dove σ è il carico di sicurezza a trazione.
Il carico di sicurezza per catene è variabile a seconda del funzionamento e della velocità. Considerando che le catene articolate sono fabbricate in acciaio al carbonio da bonifica ed in acciaio legato da cementazione (C20, C30, C40, 16 CrNi 4) si può assumere σ=60÷90 N/mm2.
Le catene, sono in genere soggette a sovraccarico
durante il loro funzionamento, la potenza nominale da trasmettere va
moltiplicata per un coefficiente di maggiorazione
che varia da
1,1 per un sovraccarico del 15% a
1,6 per un sovraccarico del 100%.