ORGANI DI MACCHINE

Collegamenti a vite

La vite filettata è una delle maggiori invenzioni in ambito meccanico. Essa permette di trasferire grandi forze trasformando una coppia applicata con un moto rotatorio in una forza assiale.
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La vite filettata è senza dubbio una tra le maggiori invenzioni in ambito meccanico. Tale elemento, infatti, permette di trasferire grandi forze trasformando una coppia applicata con un moto rotatorio in una forza assiale. Un’altra proprietà fondamentale dei collegamenti a vite è la smontabilità.

Benché il trend attuale sia quello di ridurre quanto più possibile le componenti di collegamento, la necessità di avere parti smontabili non permetterà mai una loro completa eliminazione a vantaggio di quelli permanenti e più vantaggiosi dal punto di visto dell’assemblaggio

Nella realizzazione di un collegamento filettato sono fondamentali un progetto geometrico accurato e l’utilizzo di componenti morfologicamente corretti. In questo primo articolo vengono quindi affrontati la descrizione dei componenti e del giunto e lo studio delle forze agenti nel collegamento, presupposto fondamentale per il dimensionamento e la verifica, che saranno affrontati in un successivo intervento.

Unioni bullonate

I collegamenti a vite si distinguono principalmente in due gruppi: viti di serraggio e viti di manovra. Le viti di serraggio, si usano per collegare tra loro due parti, conservando la possibilità di un facile smontaggio. La loro funzione principale è quella di trasmettere la forza. Tale tipo di collegamento ha indubbi vantaggi dato che consente l’unione in modo fisso di materiali anche differenti tra loro (pur essendo completamente smontabile). Inoltre, per il montaggio e lo smontaggio delle unioni bullonate non sono richiesti utensili speciali ma solo attrezzi adeguati per il serraggio e lo sbloccaggio. Tutti i componenti dei giunti bullonati, cioè viti, dadi e accessori, sono largamente standardizzati e di facile reperibilità. Per contro tale tipo di giunzione risulta meno economica di altri tipi di collegamento, come per esempio, le unioni rivettate o i giunti saldati.

Esistono molteplici tipologie di collegamento bullonato.

Fig.1 - Giunti a flangia: a) vite passante; b) prigioniero: c) vite mordente; d) vite passante con gambo scaricato e distanziale; e) vite con gambo scaricato e doppio dado; f) vite a esagono incassato.
Fig.1 – Giunti a flangia: a) vite passante; b) prigioniero: c) vite mordente; d) vite passante con gambo scaricato e distanziale; e) vite con gambo scaricato e doppio dado; f) vite a esagono incassato.

La figura 1 mostra, per esempio, alcuni tipi di collegamento: vite passante, prigioniero, vite mordente, vite passante con gambo scaricato e distanziale, vite con gambo scaricato e doppio dado, vite a esagono incassato.

Inoltre, una classificazione può essere fatta in base al modo in cui la vite viene caricata: si parlerà pertanto di vite soggette a carico assiale, viti precaricate soggette a carico assiale e viti soggette a carico radiale.

Il montaggio con precarico si rende utile qualora, per esempio, il collegamento debba garantire una tenuta sufficiente in qualsiasi condizione di esercizio. In un recipiente che verrà messo in pressione, per esempio, il precarico risulterà necessario per evitare distacchi tra le parti e conseguenti fuoriuscite del fluido pressurizzato. Le viti caricate radialmente si trovano, invece, in presenza di componenti che trasferiscono, per esempio, in momento torcente a un albero. In questo caso il collegamento potrà essere per attrito se il carico viene trasferito grazie all’attrito tra i due componenti o ad accoppiamento di forma se il carico tra i due componenti viene trasferito dalla sollecitazione di taglio e dal contatto tra i fianchi delle viti e le pareti interne dei fori.

Un collegamento a vite è solitamente composto da una vite con filettatura esterna, dadi con filettatura interna ed, eventualmente, rondelle e dispositivi di sicurezza. Le viti e i dadi relativi possono avere differenti forme costruttive a seconda del tipo di impiego. La figura 2 mostra alcuni esempi.

Fig. 2 - a) viti normalizzate.
Fig. 2 – a) viti normalizzate.
Fig. 2 -  b) dadi normalizzati.
Fig. 2 – b) dadi normalizzati.

Come per la forma delle viti, anche il filetto delle viti è normato. Le filettature più utilizzate in Europa sono sicuramente quelle normate ISO. La normativa prevede che a ogni diametro sia associato un dato passo.

Fig. 3 - Filettatura metrica ISO (DIN 13).
Fig. 3 – Filettatura metrica ISO (DIN 13).

Le filettature metriche a profilo triangolare sono distinte in filettature a passo grosso (indicate con il simbolo M seguito dal diametro nominale) e filettature a passo fine (indicate con il simbolo M seguito dal diametro x il passo). In questo modo è, quindi, implicitamente o esplicitamente fissato anche il passo corrispondente e, pertanto, la vite è completamente caratterizzata.

Esempi possono essere M 8 (passo grosso, diametro esterno 8 mm e passo 1.25 mm); M 10 x 1.25 (passo fine, diametro esterno 10mm e passo 1.25 mm).

Forze trasmessa dalla vite e serraggio

Le viti per fissaggio hanno tipicamente, come detto, una filettatura con profilo triangolare in cui φ rappresenta l’inclinazione dell’elica e α l’angolo del filetto (tipicamente 60°). Questo perché tale geometria massimizza l’attrito (rispetto a un profilo quadrato). Data una forza Fs sulla vite, la forza trasmessa per attrito sarà data dalla proiezione della forza Fs in direzione perpendicolare al fianco del filetto moltiplicata per il coefficiente d’attrito μ.

Fig. 4 - Andamento delle forze sul filetto.
Fig. 4 – Andamento delle forze sul filetto.

I coefficienti di attrito dipenderanno da diversi fattori quali il metodo di costruzione della vite, i trattamenti superficiali subiti, l’eventuale presenza di lubrificante o fattori ambientali quali ossidazioni ecc… Per una stima di tali coefficienti si rimanda alla normativa VDI 2230.

Introducendo valori realistici per tali coefficienti si arriva a concludere che il momento di sbloccaggio è maggiore di quello di serraggio, tuttavia va precisato che ciò vale solo in campo statico e che in presenza di sollecitazioni dinamiche è opportuno prevenire l’allentamento mediante opportuni dispositivi di sicurezza.

Oltre alla coppia trasmessa per attrito dai filetti, durante il serraggio/sbloccaggio di una vite bisogna vincere anche la coppia data dall’attrito dovuto al contatto di dado e testa con i componenti serrati.

Effetto guarnizione

Nei collegamenti bullonati che si utilizzano nella costruzione delle macchine le viti vengono di solito serrate con un precarico, al cui effetto si aggiunge in esercizio quello determinato dalle forze esterne applicate alla giunzione. È molto importante determinare in quale modo le forze esterne si combinano con il precarico e, conseguentemente, il carico complessivo presente nella vite in condizioni di esercizio.

Il regime di carico si determina tenendo conto del cosiddetto effetto guarnizione, la cui denominazione deriva dall’applicazione dei recipienti in pressione, caratterizzati dalla presenza di una guarnizione molto più cedevole delle parti soggette a compressione, ma che si manifesta in tutti i collegamenti bullonati nei quali vi siano elementi tesi (le viti) ed elementi compressi (gli elementi collegati o la porzione di essi effettivamente soggetta a compressione)

Lo studio dell’effetto guarnizione è fondamentale per determinare, tenuto conto delle rigidezze in gioco, in quale proporzione le forze applicate al giunto determinano rispettivamente un ulteriore carico degli elementi tesi e uno scarico di quelli compressi.

Quando si serrano le viti fino a una forza FM di precarico, queste si tendono ad allungarsi di una quantità fSM. I componenti avvitati vengono al contempo accorciati di una quantità fPM Ciò è rappresentabile in un diagramma forza deformazione. Nel campo elastico, tale legame è rappresentato da una retta.

Fig. 5 (a-b-c-d) - Effetto guarnizione.
Fig. 5 (a-b-c-d) – Effetto guarnizione.

Le figure 5a e 5b rappresentano le leggi forza deformazione di bullone (deformazione positiva – trazione) e componente (deformazione negativa – compressione). Le rette rappresentanti il comportamento di bullone e componente avranno un’inclinazione data dalla loro rigidezza. In figura 5c, la curva caratteristica del componente è stata traslata dalla parte degli allungamenti positivi in modo da intersecare la caratteristica del bullone in corrispondenza del carico di serraggio (FM).

Allungamento del collegamento bullonato

Fig. 6 - Elementi della vite utilizzati per il calcolo dell'allungamento elastico.
Fig. 6 – Elementi della vite utilizzati per il calcolo dell’allungamento elastico.

L’allungamento elastico del componente è di difficile determinazione.

Forze

Come per il precarico, anche forze esterne FA di trazione agenti sulla vite tendono ad allungare la stessa di fAM e rilassare i componenti avvitati di fPM Per l’equilibrio fAM = fPM.

Da ciò, note le cedevolezze, è possibile calcolare l’aumento della forza sulla vite come

FSA = fSAS e la diminuzione di forza sulle piastre come FPA = fPA/ δP.

Poiché la forza di bloccaggio dei «piatti» serrati diminuisce con l’applicazione di una forza di trazione esterna FA, quella sulla vite aumenta solamente di FA − FPA.

In condizioni di esercizio, quindi, nella superficie di separazione agisce la sola forza residua FKR = FS − /FSA + FPA

ed è questa che deve garantire l’eventuale tenuta.

Deformazioni

In condizioni di montaggio, la deformazione totale della vite e dei componenti serrati varrà

fMtot = fSM + fPM e, dopo l’eventuale affievolimento dovuto a fenomeni di assestamento fvtot = fsv +fPV.

La deformazione totale, quindi, rimane sempre costante finché la forza di bloccaggio FKR rimante maggiore di zero.

Dal punto di vista progettuale, tenendo conto dell’effetto guarnizione è fondamentale, soprattutto nelle giunzione soggette a carichi variabili e quindi a fatica, un proporzionamento e un dimensionamento dei componenti che si riveli al tempo stesso vantaggioso per le forze di giunzione e per il cimento a fatica delle viti.

Conclusioni

La scelta del giusto metodo di collegamento è sicuramente una parte importante della progettazione di un sistema meccanico. L’utilizzo di giunzioni bullonate ha l’indubbio vantaggio di un accoppiamento semplice, resistente e smontabile ma che necessita di un accurato dimensionamento.

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