Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la...

30
ECM - Collegamenti filettati 1 Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica Teresa Berruti Cristiana Delprete Massimo Rossetto ECM - Collegamenti filettati 1 COLLEGAMENTI FILETTATI - INDICE • Filettature - nomenclatura collegamenti filettati Analisi del collegamento - diagramma di inteferenza forza assiale e momento di serraggio Resistenza del fusto forza assiale limite - materiali per bulloneria Effetto dei carichi esterni fattori di ripartizione del carico - stima deformabilità viti e pezzi accorgimenti per diminuire il carico sulle viti e casi particolari Incertezze ed allentamenti • Calcolo collegamenti filettati verifica statica verifica del carico minimo di serraggio verifica a fatica • Dispositivi antisvitamento Viti con carichi trasversali ECM - Collegamenti filettati 2 FILETTATURE • Viti di manovra Viti di collegamento (smontabile) Filettature metriche ISO Profilo triangolare - UNI 4536 (1964) Profilo trapezio - UNI ISO 2901÷2904 (1978) Filettature Whitworth - UNI 2709 (1945) (pollici - 55°) Filettature ‘gas’ a tenuta stagna sul filetto - UNI ISO 7-1 (1984) a tenuta non stagna - UNI ISO 228 (1983) Filettature a ‘dente di sega’ UNI 127-128 (1928)

Transcript of Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la...

Page 1: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati1

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 1

COLLEGAMENTI FILETTATI - INDICE

• Filettature - nomenclatura collegamenti filettati• Analisi del collegamento - diagramma di inteferenza

forza assiale e momento di serraggio• Resistenza del fusto

forza assiale limite - materiali per bulloneria• Effetto dei carichi esterni

fattori di ripartizione del carico - stima deformabilità viti e pezziaccorgimenti per diminuire il carico sulle viti e casi particolari

• Incertezze ed allentamenti• Calcolo collegamenti filettati

verifica staticaverifica del carico minimo di serraggioverifica a fatica

• Dispositivi antisvitamento• Viti con carichi trasversali

ECM - Collegamenti filettati 2

FILETTATURE

• Viti di manovra• Viti di collegamento (smontabile)

Filettature metriche ISOProfilo triangolare - UNI 4536 (1964)Profilo trapezio - UNI ISO 2901÷2904 (1978)

Filettature Whitworth - UNI 2709 (1945) (pollici - 55°)

Filettature ‘gas’a tenuta stagna sul filetto - UNI ISO 7-1 (1984) a tenuta non stagna - UNI ISO 228 (1983)

Filettature a ‘dente di sega’ UNI 127-128 (1928)

Page 2: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati2

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 3

Nomenclatura collegamenti filettati

Bullone (vite+dado)

Viti (mordenti)

Prigionieri

montaggio con leggerainterferenza…a volte avvitamento finoalla fine della filettatura…possibili problemi dovutiall’aria intrappolata...

ECM - Collegamenti filettati 4

I collegamenti filettati applicano una forzaassiale che tende ad unire le parti.

Le azioni trasversali devono essere contrastatedall’attrito che si genera fra le superfici.

Le viti non devono lavorare a taglio !!!!

ANALISI DEL COLLEGAMENTO

Page 3: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati3

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 5

I pezzi collegati sono compressi dal bullone (si accorciano)La vite viene caricata dal pezzo (si allunga).⇒ collegamento forzato dato dall’interferenza i fra bullone e pezzo:

Pezzi primadel serraggio

Riferimento i = p ·ngiri

(n° giri dopo il primo contatto)

Fp = Forza che agisce sul pezzo (risultante)

Fp

Fv

Fv=Forza che agisce sulla vite (risultante)

i

Fp

ECM - Collegamenti filettati 6

Fv

uv

v

vv u

FK =

Fp

up

p

pp u

FK =

FP Fv

up, uv

Ki = rigidezza δv = deformabilità ui = spostamento

vite

pezzi

vite+pezzi

v

v

vv F

u

K==δ

1

p

p

pp F

u

K==δ

1

Page 4: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati4

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 7

Diagramma interferenza

FP Fv

iup uv

i

Punto di funzionamento

ECM - Collegamenti filettati 8

La forza viene applicata al collegamento mediante serraggioeffettuato con opportune chiavi che forniscono un momento.

Il momento resistente è dato da:• attrito fra filetti di vite e madrevite;• attrito fra la sup. del pezzo e quella del dado e del sottotesta.Le forze di attrito dipendono dalla forza assiale che subisce la vite

È quindi possibile trovare una relazione fra momento di serraggio(e di svitamento) e forza assiale sulla vite (v. Meccanica applicata)

Forza assiale e momento di serraggio

Page 5: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati5

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 9

[ ]stmmv

T ddF

M ϕ⋅+ϕ+α⋅= tan)'tan(2

MT = momento di serraggioMsvit = momento necessario per lo svitamentodm = diametro medio del filettodt = diametro ‘efficace’ su cui agisce la forza fra testa e sottotestatanϕs = fs = coefficiente di attrito (sottotesta-pezzi)tanϕ = f = coefficiente di attrito (vite-madrevite)tanϕ’= coeff. di attrito apparente:

metriche) re(filettatucostan

'tan °=ααϕ

=ϕ 30

passotan =⋅π

=α pdp

mm

[ ]stmmv

svit ddF

M ϕ⋅+ϕ−α⋅= tan)'tan(2

αm = angolo dell’elica:

ECM - Collegamenti filettati 10

Assumendo 'tantan)'tan( ϕ+α≈ϕ+α mm

Il momento di serraggio risulta:

( )

ϕ⋅+

αϕ

⋅+π

=

=ϕ⋅+ϕ⋅+α⋅=

stmv

stmmmv

T

ddpF

dddF

M

tancostan

2

tan'tantan2

Page 6: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati6

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 11

RESISTENZA DEL FUSTO

Dato un momento di serraggio la vite (nel tratto fra i sottotesta)sopporta:• un carico assiale Fv

• il momento torcente dovuto all’attrito sui filetti (la quota dimomento dovuta all’attrito nel sottotesta non vienesopportata dal fusto della vite)

( )

αϕ

⋅+π

=ϕ⋅+α⋅=costan

'tantan*m

vmmm

vT d

pFdd

FM

22

ECM - Collegamenti filettati 12

Per il calcolo delle sollecitazioni si fa riferimento alla sezioneminore, che normalmente è quella di nocciolo(non si tiene conto dell’effetto di rinforzo dei filetti)

(tabelle) nocciolo di diametro =π

= nn

n dd

A4

2

32

164

n

t

n

va

d

M

d

F

⋅π

⋅=τ

⋅π

⋅=σ

*

222 313

στ

⋅+⋅σ=τ⋅+σ=σa

aaid

Page 7: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati7

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 13

αϕ

⋅+π

=

αϕ

⋅+π

⋅⋅

=⋅⋅π

⋅⋅π

⋅=

στ

costan

costan*

mn

mv

vnv

n

n

T

a

dp

d

dpF

FdF

d

d

M

2

24

4

16 2

3

Da cui

22

312

31 kdp

d amn

aid ⋅+⋅σ=

αϕ

⋅+π

⋅+⋅σ=σcostan

231 k

ida

⋅+

σ=σ

k dipende solo da fattori geometrici e dall’attrito

αϕ

⋅+π

=costan

mn

dp

dk

2

ECM - Collegamenti filettati 14

Si suppone di poter sollecitare la vite al montaggio fino ad una frazioneX del limite elastico del materiale della vite (tipicamente X = 0.9).Si pone quindi:

2.0lim, pid RX ⋅=σ2

2.0lim,

31 k

RX pa

⋅+

⋅=σ

Si determina quindi la forza assiale limite sulla vite:

431

2

2

2.0lim,lim,

npnav

d

k

RXAF

⋅π⋅

⋅+

⋅=⋅σ=

E quindi il momento di serraggio:

ϕ⋅+

αϕ

⋅+π

= stmv

T ddpF

M tancostan

2lim,

Forza assiale limite

Page 8: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati8

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 15

Valori da assumere per i calcoli

Ddt ⋅≈ 31. D = diametro nominale vite

Coefficiente di attrito f=tanϕϕ (acciaio-acciaio): in tutti i casiconviene assumere il coefficiente di attrito minimo fra quellirilevati sperimentalmente:

Viti brunite o fosfatate:lubr. olio: 0.12 ÷ 0.18 lubr. MoS2: 0.10 ÷ 0.12

Viti con zincatura galvanica: 0.12 ÷ 0.18

Viti con cadmiatura galvanica 0.08 ÷ 0.12

( per bulloneria normale, in altri casi valutare dt secondo il disegnodella vite)

ECM - Collegamenti filettati 16

Materiali per bulloneria

I materiali sono suddivisi per classi di resistenza,individuate da due numeri separati da un punto: x.ydove x = Rm/100, y =10·Rp0.2 /Rm

Esempio: classe 8.8 indica Rm= 800 MPa, Rp0.2 = 640 MPa

Classi: 3.6 - 4.6 - 4.8 - 5.6 - 5.8 - 6.6 - 8.8 - 10.9 - 12.9

Per i lavori di carpenteria (costruzioni) classe minima 8.8diametro minimo M 12

Page 9: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati9

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 17

Verifica filetti

Le filettature unificate hanno dimensioni tali per cui la resistenzadel filetto è superiore alla resistenza del fusto

I FILETTI NON DEVONO ESSERE VERIFICATI

Il carico si distribuisce sulle spire in modo decrescente:le prime 5-6 spire sostengono il 90% del carico

Non servono quindi lunghezze della madrevite elevate persostenere carichi maggiori.

ECM - Collegamenti filettati 18

AZIONE DI CARICHI ASSIALI ESTERNI

In assenza di carichi assiali esterni la forza sulla vite e sulpezzo sono in equilibrio: Fv = FpSe si suppone di applicare un carico C nel sottostesta del dadoche tende ad allungare la vite, si ha una nuova situazione diequilibrio : F’p + C = F’v

.. l’interferenza rimane immutata...

Fv

Fp

Fv

Fp

F’v

F’p C

F’v

F’p C

F’v

F’p C

F’v

F’p C

F’v

F’p C

F’v

F’p C

F’v

F’p C

F’v

F’p C

Page 10: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati10

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 19

Fp Fv

iup uv

i

C∆Cp

∆Cv

∆u

F’v

F’p

Fp = Fv

F’v= Fv + ∆Cv

F’p= Fp - ∆Cp

C=∆Cv+ ∆Cp

ECM - Collegamenti filettati 20

)(

:teanalogamen e

)(

)()(

pv

vp

pv

pv

pv

p

pv

vp

v

v

vp

pv

vpvp

CC

CC

uu

CC

uuu

CCC

δ+δδ

=∆

δ+δ

δ=∆

δ+δ

δ=

δ+δ⋅∆

δ⋅δ⋅

δ∆

=∆

δ⋅δ

δ+δ∆=

δ∆

+δ∆

=∆+∆=

Fattori di ripartizione dal carico

Page 11: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati11

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 21

Stima della deformabilità della vite

l1,A1 l2,A2l3,A3

Lp

+++

+=

⋅=

⋅==δ ∑

3

3

2

2

1

1, 4.04.01A

Dl

Al

ADl

EAE

l

AE

L

F

u

viv

efficacei

vv

v

v

vv

Vite di diametro nominale D, materiale con modulo elastico Ev

I termini 0.4D tengono conto che la vite non finisce al sottotesta…L’area del tratto filettato è calcolata con il diametro medio (dm).La formula deve essere adattata ai vari casi.

(area ‘media’)

ECM - Collegamenti filettati 22

Stima deformabilità dei pezzi serrati

diversi serrati pezzi dei materiali

uguali serrati pezzi dei materiali

∑=δ

==δ

pi

pi

pp

pp

p

p

pp

E

L

A

AE

L

F

u

1

Il calcolo esatto richiede la conoscenza della distribuzione delletensioni e delle deformazioni dovute allo schiacciamento.Come prima stima ci si riconduce al caso di un cilindro equivalentecon area Ap tale da generare la stessa contrazione del caso reale aparità di carico imposto.La deformabilità si calcola quindi come:

Per la stima di Ap si individuano tre casi

Page 12: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati12

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 23

Caso a) Dp/det ≤ 1

( )22

4 fpp dDA −π

=

det

df

Dp

D

Lpdf

Dp

Lpdf

Dp

Lp

ECM - Collegamenti filettati 24

Caso b) Dp/det = 1 ÷ 3

( )

( )DLL

LLd

d

DddA

pp

ppet

et

pfetp

8;min

1002.01

84

*

2**22

=

+⋅⋅

π+−

π=

dfdet

D

Lpdet

D

Dp

Page 13: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati13

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 25

Caso c) Dp/det ≥ 3

( ) ( )DLLdLdA ppfpetp 8104

22;min. ** =

−⋅+

π=

df

det

D

Lp

ECM - Collegamenti filettati 26

A parità di carico C∆Cv diminuisce all’aumentare di δv )( pv

pv CC

δ+δ

δ=∆

Per aumentare δv si può aumentare la lunghezza della vite, adesempio utilizzando un distanziale (ed un gambo completamentefilettato)

Aumentando la lunghezza del pezzoaumenta anche la sua deformabilità δp,ma, scegliendo opportunamente ledimensioni del distanziale, si può farein modo che essa aumenti in misuraminore rispetto alla deformabilità dellavite.

NB: se ∆Cv diminuisce, ∆Cp aumenta

Accorgimenti per diminuire il carico sulle viti

e casi particolari

Page 14: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati14

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 27

Fp Fv

Fv,lim rimane uguale perché dipende daldiametro di nocciolo

∆Cv∆Cv

C C

i

Fv,lim

Vite ‘allungata’

ECM - Collegamenti filettati 28

Viti con fusto alleggerito

dg

αϕ

⋅+π

=costan

mg

dp

dk

2

431

2

2

2.0lim,lim,

gpgav

d

k

RXAF

⋅π⋅

⋅+

⋅=⋅σ=

ϕ⋅+

αϕ

⋅+π

= tancostanlim,

tmv

T ddpF

M2

.. la Fv,lim deve essere calcolata in base ad Ag

Page 15: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati15

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 29

Fp Fv

∆Cv

∆Cv

C

C

i

Fv,lim

Fv,lim

(alleggerita)

Fv,lim , calcolata in base ad Ag, è inferiore,la deformabilità del pezzo è invariata

ECM - Collegamenti filettati 30

Carico applicato non sottotesta

modello...

iprima del montaggio dopo il montaggio

A

i

B

apδ

bpδ

cpδ

apδ

bpδcpδ

vδpδ pδvδ vδ vδ

cp

bp

app δ+δ+δ=δ

A B

p

ca

p

b

L

LLn

L

Ln

+=−<= )1(1

LpLpLbA B

La

Lc

LpLpLbA B

La

Lc

Page 16: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati16

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 31

pp

pp

vv

vv AE

L

AE

L

⋅=δ

⋅=δ ;

Con il carico sottotesta...

Lp = Lv

C

C

Con il carico non sottotesta la deformabilità del pezzotra i punti di applicazione del carico diminuisce e risulta:

vpvpp

c

pp

a

vv

vv n

AE

L

AE

L

AE

Lδ>δ−+δ=

⋅+

⋅+

⋅=δ )1(*

apδ

bpδcpδ

C

CAlla deformabilità della vite bisogna invecesommare quella del pezzo esterno ai carichi:

ppp

p

pp

bbpp AE

Ln

AE

Lδ<

⋅=

⋅=δ≡δ*

ECM - Collegamenti filettati 32

Per il carico è come se la vite fosse più deformabilee il pezzo più rigido.

Per la vite risulta quindi cautelativo assumere sempre ilcarico come se fosse sottotesta.

Fp Fv

i

Fv,lim

pezzo A

pezzo B

vite A vite B

Page 17: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati17

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 33

In questo caso potrebbero insorgere problemi sul carico minimoFp,lim perché è maggiore la possibilità di distacco; in questo casotutto il carico graverà sulla vite (situazione da evitare).

Fp Fv

i

A: pezzoB: pezzo

A: vite B: vite

Fv

C

Carico applicato non sottotesta

NB: Fv può essere inferiore a Fv,lim (vedi nel seguito)

ECM - Collegamenti filettati 34

Elemento elastico tra i pezzi

L’inserimento di un elemento elastico fra i pezzi, ad esempio unaguarnizione, comporta un’aumento molto elevato delladeformabilità δp, quindi il carico sarà sopportato quasi interamentedalla vite:

Fp Fv

i

Fv,lim

∆Cv ≈ C

Page 18: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati18

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 35

Possibile rimedio:

Fp Fv

i

Fv,lim

Fe

Fp

ECM - Collegamenti filettati 36

Il carico iniziale sulla vite e quindi di compressione sui pezzi serrati,viene dato dal momento MT , calcolato in base alla forza Fv=Fp

In esercizio il carico di serraggio Fp può diminuire a causa di:

• Incertezze sulla forza Fv al montaggio e sul momento applicato

• Allentamento del collegamento (ad es. per assestamenti dovuti avibrazioni,…)

• Azione del carico esterno (∆Cp)

INCERTEZZE / ALLENTAMENTI

Page 19: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati19

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 37

Incertezze sulla forza Fv al montaggio e sul momento applicato

Le incertezze derivano da due cause:

• incertezza sul coefficiente di attritoAll’aumentare del coefficiente di attrito, a parità di momentoapplicato, diminuisce la forza sulla vite.

• incertezza sulla misura del momento applicatoSpesso il momento non viene misurato; le attrezzature diofficina che permettono la misura sono tarate in modo daavere eventuali scostamenti che permettano solamente unmomento applicato minore di quello impostato.

ECM - Collegamenti filettati 38

Da apposite misure si è trovato il campo di incertezza

min,

lim,

min,

max,

v

v

v

v

F

F

F

FI ==

Serraggio con chiave dinamometrica: I = 1.6

Serraggio con avvitatore ad impulsicon taratura periodica : I = 2.5

Serraggio manuale o con avvitatura senza taratura periodica I = 4

Page 20: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati20

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 39

Allentamento del collegamento

Nel tempo sotto l’azione di forze esterne le superfici dei pezziserrati subiscono un assestamento con modifica della rugosità eperdita dell’interferenza ∆i e conseguente perdita dela forza sullavite ∆Fv

Valori di ∆i in µmForze assiali Forze tangenzialiN°

superfici Ra = 1.6 µm Ra = 0.8 µm Ra = 1.6 µm Ra = 0.8 µm2 13 10 20 133 16 12 28 164 20 14 35 205 25 16 42 256 30 18 50 30

N° sup = 3N° sup = 2

ECM - Collegamenti filettati 40

Fp Fv

i

i

∆i

∆Fv

Fp = Fv

( )

( )pvv

pvv

vvv

iF

F

F

i

F

i

F

δ+δ∆

=∆

δ+δ==

∆∆

Page 21: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati21

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 41

CALCOLO DEI COLLEGAMENTI FILETTATI

Scelta iniziali:• numero viti (C=Ftot/n°viti)• classe (materiale), tipo• dimensione

• Verifica statica• Verifica del carico minimo di serraggio• Verifica a fatica della vite

Fine

Si

No

2043

.pmin

max)(

zioneapprossima primain

RC

A ÷=

Cambiamenti….

Calcolo di k - Fv,lim - MT - δv - δp - ∆Fv - ∆Cv - ∆Cp

ECM - Collegamenti filettati 42

Verifica statica

Viene effettuata nelle condizioni peggiori:• supponendo applicata la Fv,lim calcolata• senza allentamenti• senza considerare incertezze al montaggio• con carico massimo applicato Cmax

In teoria si dovrebbe verificare che:

2.0p22 3 Rvvid ≤τ⋅+σ=σ

dove

3

*

2max,

2lim,

max,lim,

16

44

n

tv

n

v

n

vvav

d

M

d

C

d

F

⋅π

⋅=τ

⋅π

∆⋅+

⋅π

⋅=σ∆+σ=σ

Page 22: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati22

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 43

In pratica, in considerazione di tutte le incertezze presenti, è sufficiente verificare che:

Possibili cambiamenti:

• cambiare classe del materiale

• aumentare il numero di viti (diminuire C)

• diminuire la percentuale di utilizzo del materiale (es. 80%))

• utilizzare viti più lunghe (= più deformabili)

Aumentare il diametro della vite non sempre è efficace(diminuiscono le tensioni ma aumenta la rigidezza della vite

con la stessa legge)

2.0,pmax,2.0,p2.0,pmax,lim, )1( cioè RRXR vvid ≤σ∆+−≤σ∆+σ

2.0,pmax,

2.0,pmax,

)1(

)1(

FXC

RX

v

v

−≤∆

−≤σ∆

ECM - Collegamenti filettati 44

Attenzione: viti alleggeriteL’utilizzo di viti alleggerite diminiusce il carico sulla vite, mala sezione di riferimento per il calcolo è quella alleggerita(minore), dove le tensioni rimangono comunque alte.Nelle sezioni alleggerite la verifica deve essere effettuataconsiderando la tensione ideale:

2.0p22 3 Rggid ≤τ⋅+σ=σ

( )32

164

g

tg

g

vvg

d

M

d

CF

⋅π

⋅=τ

⋅π

∆+⋅=σ

*max,lim,

In pratica le viti alleggerite non hanno una resistenza staticamolto diversa da quella delle viti non alleggerite

Page 23: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati23

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 45

Sollecitazioni di flessione

Se le superfici di appoggio non sono perfettamente parallele lavite si incurva, subendo sollecitazioni di flessione:

MPa

rad;114.6

10.5 MPa;

max

87101

102

221

5

≈σ

==°=α⋅=

⋅α

⋅=⋅=σα

==

ottienesiLD

Eassumendo

DL

ED

JM

LEJM

R

Conviene utilizzare viti snelle… e imporre le tolleranze di planarità

ECM - Collegamenti filettati 46

Verifica del carico minimo di serraggioNormalmente si vuole un carico minimo di serraggio Fp,lim

(ad esempio per garantire la tenuta delle guarnizioni).

Fp , Fv

ii teorica

∆i

Fv,lim/I - ∆Fv

Fv,lim

Fv,lim/I

∆CpFp,min

Page 24: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati24

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 47

Deve essere: pv

vpp CF

I

FFF ∆−∆−=≤ lim,

min,lim,

Nota: se Fp,min = 0 (si ha cioè il distacco fra le parti serrate) tutto ilcarico C agisce sulla vite: si deve sempre evitare questa situazione.

Possibili cambiamenti:

• diminuire le incertezze utilizzando chiavi dinamometriche

• lavorare più accuratamente le superfici dei pezzi serrati

• cambiare classe del materiale (Fv,lim più alta)

• utilizzare viti meno deformabili

• aumentare il numero di viti (diminuire C)

• aumentare la deformabilità del pezzo (con attenzione)

ECM - Collegamenti filettati 48

Verifica a fatica della vite

Diagramma di Haigh per filettature classi 8.8 ÷ 12.9 (da VDI 2230)80

40

50

60

70

160

80

100

120

140M 4 ÷ M 8

M 10 ÷ M 16M 18 ÷ M 30

σD(MPa)

σD(MPa)

Viti nonrullate

Vitirullate

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

20.pRmσ

La vite è considera verificata se σa ≤ 0.9 σD

Page 25: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati25

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 49

Calcolo di σσa e σσmCaso a): 0 ≤ C(t) ≤ Cmax

Fp , Fv

i

∆Cmax,v

Cmax

∆Cv(t)

22v

avv

vmv

vvvvvC

FC

FF

FFCFF

max,,

max,lim,,

lim,min,max,lim,max,∆

=∆

+=

=∆+=

Fv,m

Fv,lim

n

mvm

n

ava

A

F

A

F

,

,

Fv,a

ECM - Collegamenti filettati 50

Caso b): Cmin ≤ C(t) ≤ Cmax

Fp , Fv

i

Fv,a

∆Cmax,v

Cmax

∆Cv(t)

22min,max,

,min,max,

,

min,lim,min,max,lim,max,

vvav

vvmv

vvvvvvFF

FFF

F

CFFCFF−

=+

=

∆+=∆+=

Fv,m

Fv,lim

n

mvm

n

ava

A

F

A

F

,

,

Cmin

∆Cmin,v

Page 26: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati26

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 51

Caso c): Cmin ≤ 0 ≤ Cmax

Fp Fv

i

∆Cmax,v

Cmax

22min,max,

,min,max,

,

min,lim,min,max,lim,max,

vvav

vvmv

vvvvvvFF

FFF

F

CFFCFF−

=+

=

∆+=∆+=

Fv,lim

n

mvm

n

ava

A

F

A

F

,

,

Cmin

∆Cmin,v

Fv,min

Fv,max

∆Cv(t)Fv,a

Fv,m

( )0<δ+δ

δ=∆

)(minmin,pv

pv CC

ECM - Collegamenti filettati 52

Possibili cambiamenti:

• utilizzare viti rullate

• utilizzare viti più deformabili (in particolare alleggerite)

• aumentare il numero di viti (diminuire C)

• cambiare classe del materiale (meno efficace rispetto al caso statico)

Attenzione:Per la fatica l’utilizzo di viti alleggerite è conveniente perchédiminuiscono le tensioni nella zona filettata; le tensioni nellaparte alleggerita sono più elevate ma in questa zona, dove non visono gli intagli dovuti alla filettatura, la resistenza a fatica èmaggiore (il diagramma dato è valido per le filettature…)

Per esclusivo utilizzo in campo aeronautico sono previste vitiMJ - ISO 3161 (1977), con disegno del filetto modificato perridurre l’effetto di intaglio (solo rullate)

Page 27: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati27

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 53

DISPOSITIVI ANTISVITAMENTO

Esistono dispositivi unificati contro lo svitamento:• Rosette elastiche UNI 1751 (1988)• Rosette con nasello UNI 6599 (1969)• Rosette con linguetta UNI 6600 (1969)• Piastrine UNI 6601 (1969)• Dadi esagonali ad intagli UNI 5593-5594-5596• …...

Dadi esagonali autobloccanti (unificati in campo aerospaziale) UNI EN 3377 - UNI EN 3723 (1996)

E’ possibile l’applicazione di prodotti adesivi ‘frenafiletti’

Lo svitamento spontaneo della vite in condizioni statiche è impeditose αm<ϕ ; in pratica, sotto l’azione di sovraccarichi, vibrazioni,scosse si può avere lo svitamento spontaneo.

ECM - Collegamenti filettati 54

Sistema dado - controdadoSchema di funzionamento

Dado serrato, primo contatto dado-controdado

Controdado serrato

Il dado viene progressivamente scaricato; e poi si inverte ilcontatto con i filetti della vite e del dado; la parte di gambo fradado e controdado si comporta come una molla che impedisce ilmovimento (aumenta la forza d’attrito).

Page 28: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati28

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 55

Spesso si utilizzano dadi e controdadi di altezza diversa:poiché il carico è sopportato prevalentemente dal controdadoquesto deve essere di altezza maggiore.

NO SI

ECM - Collegamenti filettati 56

VITI CON CARICO TRASVERSALE

Le viti non devono lavorare a taglio, perché nel caso dimovimento relativo dei pezzi serrati, oltre alla sollecitazione ataglio si può avere una elevata sollecitazione di flessione.

Nel caso (frequente) in cui le viti siano utilizzate per preveniremovimenti reciproci trasversali si possono utilizzare 3 soluzioni:

• viti passanti: si deve garantire una forza di attrito fra le partisufficiente a impedire il movimento

• viti con gambo calibrato• inserzione di bussole che sopportano lo sforzo di taglio

Page 29: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati29

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 57

Viti passanti

FT

f·Fp,min

1) (es. pezzi i fra superfici

bulloni di numero

attrito di coeff.

1.6)(1.25 sicurezza di coeff.

totalele trasversaforza

min,

===

÷==

⋅⋅⋅

=

m

n

f

CS

F

mnfCSF

F

T

Tp

ECM - Collegamenti filettati 58

Viti calibrate

FT

FT

Sono calcolate come chiodi:

(molto costose)mamm

.pamm

amm

amm

..

..

:specifica Pressione

:Taglio

R

Rsd

F

dnm

F

Anm

F

T

TT

60750

6040

4

20

2

÷=σ

÷=τ

σ≤⋅

τ≤⋅π⋅⋅

⋅=

⋅⋅=τ

s

d

Page 30: Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica · PDF filecon area A p tale da generare la stessa contrazione del caso reale a parità di carico imposto. La deformabilità si calcola

ECM - Collegamenti filettati30

Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica

Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto

ECM - Collegamenti filettati 59

Bussole

FT

FT

mamm

.pamm

amm

amm

..

..

:specifica Pressione

)(

:Taglio

R

R

Ld

F

ddnm

FAnm

F

pe

T

ie

TT

60750

6040

4

20

2

÷=σ

÷=τ

σ≤⋅

τ≤−⋅π⋅⋅

⋅=

⋅⋅=τ

Anche la bussola viene calcolata come un chiodo(cavo)

(materiale della bussola)

Lp

de di

ECM - Collegamenti filettati 60

Bibliografia

Giovannozzi R., Costruzione di Macchine, vol. I, Patron Bologna,1965Niemann G., Elementi di Macchine, ETS Milano - Springer Berlino,1983Decker K.H., Maschinenelemente - Gestaltung und Berechnung,Carl Hanser Verlag, München (D), 1982