Giunti, innesti e freni

ITIS “G. Marconi” – Bari
Corso di Meccanica Applic. e Macchine a Fluido
prof. Ing. Nazzareno Corigliano
Giunti-Innesti-Fizioni-Freni 5a serale
PAG.
1
GIUNTI, INNESTI, FRIZIONI, FRENI
GENERALITÀ
Il collegamento e quindi la trasmissione del moto tra due alberi può essere realizzato in modo
permanente con i GIUNTI o in modo disattivabile rapidamente con INNESTI e FRIZIONI.
Con i FRENI, invece, mediante il collegamento tra l’organo rotante e un organo fisso, si riduce
o si annulla la velocità.
GIUNTI
Secondo le caratteristiche costruttive si hanno tre tipi di giunti: GIUNTI RIGIDI, GIUNTI
FLESSIBILI o ELASTICI e GIUNTI ARTICOLATI.
GIUNTI RIGIDI
Adatti al collegamento di alberi perfettamente allineati e che ruotino in modo regolare con urti e
vibrazioni limitati. Tra i tipi più comuni il GIUNTO A GUSCI (Fig. 1) costituito da due
semigiunti in ghisa che vengono stretti
contro le estremità dei due alberi mediante
bulloni. L’attrito provocato con il serraggio
garantisce la trasmissione della coppia. Per
alberi di diametro superiore a 60 mm si fa
Fig. 1 – Giunto a gusci
ricorso anche all’impiego di linguette.
Per la scelta si ricorre ai cataloghi delle
case costruttrici in cui, come nella seguente Tab. 1, sono riportate dimensioni e caratteristiche in
Tab. 1 – Giunto a gusci (G. Tagliabue)
funzione del diametro
dell’albero.
Si
può
verificare la resistenza
dei bulloni in base allo
sforzo
normale
devono
sopportare
seguito
al
che
in
serraggio
necessario a garantire la
ITIS “G. Marconi” – Bari
Corso di Meccanica Applic. e Macchine a Fluido
prof. Ing. Nazzareno Corigliano
Giunti-Innesti-Fizioni-Freni 5a serale
PAG.
2
forza d’attrito per la trasmissione della coppia.
Il GIUNTO A DISCHI (Fig. 2) costituito da due dischi (semigiunti) dotati di mozzo ed uniti da
una corona di bulloni. Il tipo a), in
fig. 2, affida il centraggio ad un
risalto su uno dei due dischi, che,
pertanto, sono diversi. Il tipo b) è
costituito, invece, da due dischi
perfettamente
Fig. 2 – Giunto a dischi
vengono
identici
centrati
che
tramite
l’interposizione di un anello. La trasmissione della coppia è garantita dall’attrito che si
manifesta tra le corone di contatto dei due dischi a causa del serraggio dei bulloni. Sono adatti
alla trasmissione di momenti elevati anche in presenza di vibrazioni. Per la scelta si ricorre ai
cataloghi delle case costruttrici in cui, come nella seguente Tab. 2, sono riportate dimensioni e
caratteristiche in funzione del diametro dell’albero. Si possono poi verificare gli n bulloni
Tab. 2 – Giunto a dischi (G. Tagliabue)
impiegati in due modi
possibili:
1) Se
sono
bulloni
calibrati la verifica
è a taglio e, in tal
caso,
la
sezione
resistente
del
bullone deve essere
Sr =
2 ⋅ Mt
Dv ⋅ n ⋅ τ am
dove M t è il momento
torcente da trasmettere, Dv ( Dv ≈ 2,2 ⋅ d + 50 ) è il diametro della circonferenza su cui sono
montati i bulloni e τ am la tensione ammissibile in base alla classe di resistenza dei bulloni usati;
2) nel caso i bulloni non siano calibrati la verifica va eseguita a trazione e, in tal caso, la
sezione resistente del bullone deve essere
Sr =
2 ⋅ Mt
f ⋅ n ⋅ Dm ⋅ σ am
ITIS “G. Marconi” – Bari
Corso di Meccanica Applic. e Macchine a Fluido
prof. Ing. Nazzareno Corigliano
Giunti-Innesti-Fizioni-Freni 5a serale
PAG.
3
dove M t è il momento torcente da trasmettere, Dm è il diametro della circonferenza media
dell’area d’attrito, f è il coefficiente d’attrito tra i dischi e σ am la tensione ammissibile in base
alla classe di resistenza dei bulloni usati;
GIUNTI FLESSIBILI o ELASTICI
Adatti al collegamento di alberi anche non perfettamente allineati, con lievi disassamenti,
inclinazioni, giochi e in presenza di urti e vibrazioni. Ne esistono di vari tipi e realizzano la
flessibilità mediante l’uso di mezzi elastici interposti quali molle,
lamelle e tasselli o elementi in gomma. Tra i tipi più comuni il
GIUNTO A PIOLI (Fig. 3) costituito da due dischi da ciascuno
dei quali sporge una corona di pioli filettati ad una estremità
mentre l’altra è inserita in una boccola in gomma che si impegna
in un apposito foro.
Fig. 3 – Giunto a pioli
Nella Tab. 3 abbiamo le dimensioni di massima per questo tipo di
giunti.
Tab. 3 – Giunto a pioli (G. Tagliabue)
Il GIUNTO A TASSELLI DI GOMMA (Fig. 4) costituito da due dischi con mozzo, in uno dei
quali è fissata una serie di tasselli in gomma.
Dal disco coniugato sporgono mensolette che
impegnano i tasselli a flessione. Presenta
elevata
deformabilità
angolare
e
viene
impiegato nelle trasmissioni per autovetture.
Nella Tab. 4 abbiamo le dimensioni di
Fig. 4 – Giunto a tasselli di gomma
massima per questo tipo di giunti.
ITIS “G. Marconi” – Bari
Corso di Meccanica Applic. e Macchine a Fluido
prof. Ing. Nazzareno Corigliano
Giunti-Innesti-Fizioni-Freni 5a serale
PAG.
4
Tab. 4 – Giunto a tasselli di gomma (UNIO)
Il GIUNTO “PERIFLEX” A COLLARE ELASTICO (Fig. 5)
presenta un collare in gomma con anima tessile, appositamente
sagomato, i cui bordi sono fissati ai due mozzi d’accoppiamento
mediante dischi serrati da viti.
Per la scelta vedasi la Tab. 5.
Tab. 5 – Giunto elastico a collare PERIFLEX (STROMAG)
Fig. 5 – Giunto Periflex
GIUNTI ARTICOLATI
Adatti al collegamento di alberi anche che presentano notevole disassamento e angoli di
incidenza superiori a 2°. Tra questi giunti il più comune è il GIUNTO DI CARDANO (Fig. 6)
che serve a trasmettere il moto tra due alberi i cui assi possono formare un angolo β abbastanza
grande (normalmente 10° ÷ 15°). Il tipo più comune è costituito da una crociera le cui estremità,
ITIS “G. Marconi” – Bari
Corso di Meccanica Applic. e Macchine a Fluido
prof. Ing. Nazzareno Corigliano
Giunti-Innesti-Fizioni-Freni 5a serale
PAG.
5
foggiate a perno, si impegnano nei cuscinetti portati dalle forcelle fissate alle estremità dei due
alberi da accoppiare.
Con questo tipo di giunti il problema è l’irregolarità
del moto dell’albero condotto che è tanto più grande
quanto maggiore è l’angolo β . Se ω1 è la velocità
angolare uniforme dell’albero motore e ω2 quella
dell’albero condotto che oscillerà tra ω2 min e ω2 max si
può calcolare l’irregolarità percentuale δ % con
δ % = 100 ⋅
ω2 max − ω2 min
ω1
e dipenderà da β secondo la seguente tabella
Fig. 6 – Giunto Cardanico
β
δ%
5°
10°
20°
30°
40°
0,8
3,1
12,5
20
54
Per avere uguali velocità angolari dei due alberi occorre collegarli,
mediante albero intermedio, per mezzo di una coppia di giunti
cardanici (Fig. 7) formanti uguali angoli.
Nella Tab. 6 un esempio di caratteristiche dimensionali per questo
tipo di giunti.
Tab. 6 – Giunto Cardanico (ELBE E SOHN)
Fig. 7 – Doppio Giunto
Cardanico con braccio
telescopico
ITIS “G. Marconi” – Bari
Corso di Meccanica Applic. e Macchine a Fluido
prof. Ing. Nazzareno Corigliano
Giunti-Innesti-Fizioni-Freni 5a serale
PAG.
6
INNESTI E FRIZIONI
Anche gli innesti servono a trasmettere il moto tra due alberi ma la loro caratteristica e quella di
consentire l’impegno e il disimpegno del collegamento a piacimento con azionamenti comandati
dall’esterno o automatici.
Esistono vari tipi di innesti: INNESTO A
DENTI FRONTALI (Fig. 8), l’INNESTO
CENTRIFUGO A SFERE I.C.S. (Fig. 9).
Vi sono poi gli innesti a frizione che affidano
Fig. 8 – Innesto a denti frontali
la trasmissione del moto all’attrito sviluppato
Fig. 9 – Innesto centrifugo a sfere I.C.S.
Fig. 10 – Innesto a lamelle
tra le facce di un certo numero di lamelle, come nel caso dell’INNESTO A LAMELLE (Fig.
10), o di un certo numero di dischi in ferodo come nel caso delle FRIZIONI A DISCO di tipo
automobilistico (Fig. 11). In questo caso il momento trasmissibile è dato da:
M t = n ⋅ f ⋅η ⋅ P ⋅
De + Di
4
in cui:
n = numero delle coppie di
superfici di frizione (2 per
frizioni monodisco);
f = coefficiente d’attrito,
variabile con la temperatura
Fig. 11 – Frizione a disco di tipo automobilistico
e la pressione specifica ( f =0,2÷0,5
per ps = 0,1÷0,2 N mm 2 );
η = rendimento complessivo degli accoppiamenti dei dischi (η = 0,8 per monodisco);
P = carico assiale esercitato dalle molle sui dischi;
ITIS “G. Marconi” – Bari
Corso di Meccanica Applic. e Macchine a Fluido
prof. Ing. Nazzareno Corigliano
Giunti-Innesti-Fizioni-Freni 5a serale
PAG.
7
De , Di = Diametro esterno ed interno delle superfici d’attrito.
Nel caso di INNESTI A FRIZIONE CONICA (Fig. 12), si ha che la forza normale alle
superfici
Pn =
F
f
di
contatto
è
mentre la forza
assiale sarà P = Pn ⋅ sen α .
Avremo perciò il seguente
momento trasmissibile:
Mt =
f ⋅ P ⋅ Rm
sen α
Si deve poi verificare che la
pressione specifica risulti:
Fig. 12 – Frizione conica
ps =
Pn
≤ pam
2 ⋅ π ⋅ Rm ⋅ b
Nella Tab. 7 si trova il valore della pressione ammissibile pam che, inserito nella precedente
formula permette di calcolare il valore della larghezza b della generatrice di contatto.
Tab. 7 – Coefficiente di attrito e pressione ammissibile per diversi materiali in contatto
ITIS “G. Marconi” – Bari
Corso di Meccanica Applic. e Macchine a Fluido
prof. Ing. Nazzareno Corigliano
Giunti-Innesti-Fizioni-Freni 5a serale
PAG.
8
FRENI
Esistono essenzialmente tre tipi di freni: A TAMBURO o A CEPPI, A DISCO e A NASTRO.
I fattori più importanti da considerare per un corretto dimensionamento dei freni sono la coppia
frenante massima e la quantità di calore da smaltire per evitare eccessivi surriscaldamenti.
Pertanto, per ogni coppia di materiali a contatto, nel freno, esiste un limite di pressione di
contatto e una temperatura massima da non superare.
Si rende perciò necessaria la seguente verifica:
p⋅v ≤
k Ad
⋅
f Af
Dove:
p = valore medio della pressione di contatto (normalmente 0,1÷0,6 N mm 2 );
v = valore medio della velocità durante l’azione frenante;
Ad = superficie disperdente;
A f = superficie frenante;
f = coefficiente d’attrito (normalmente 0,15÷0,3);
k = coefficiente di dissipazione del freno (per ferodo su acciaio k ≈ 85000 W m 2 );
FRENO A CEPPI
I ceppi, che nel caso dei freni di tipo
automobilistico si chiamano ganasce, sono gli
organi, provvisti di guarnizioni d’attrito, che
vengono premuti contro la superficie periferica
del tamburo. I ceppi possono essere interni o
esterni al tamburo, inoltre, se il senso di
rotazione del tamburo va verso la cerniera del
ceppo, il ceppo si dice avvolgente altrimenti si
dice svolgente. A parità di spinta si hanno
Fig. 13 – Freno a ceppi automobilistico
comportamente frenanti diversi, se il ceppo è
esterno è più efficace se svolgente mentre, se il
ceppo è interno è più efficace se avvolgente. Per equilibrare l’efficacia della frenatura ed avere
ITIS “G. Marconi” – Bari
Corso di Meccanica Applic. e Macchine a Fluido
prof. Ing. Nazzareno Corigliano
Giunti-Innesti-Fizioni-Freni 5a serale
PAG.
9
lo stesso consumo dei ferodi, in alcuni casi, si fa in modo che i due ceppi siano entrambi
svolgenti o avvolgenti montadone le cerniere in posizione diametralmente opposta.
Nella Fig. 14 abbiamo la
rappresentazione di due
freni a ceppi esterni in
cui,
nel
caso
a),
l’accostamento è rigido
mentre, nel caso b), il
ceppo,
essendo
incernierato alla leva ed
Fig. 14 – Freni a ceppi esterni:
a) ad accostamento rigido, b) ad accostamento libero
avendo
quindi
la
possibilità di adattarsi
liberamente alla superficie del tamburo, l’accostamento si dice libero.
Con riferimento alla Fig. 14 a), ipotizzando che la risultante delle forze scambiate passi per il
punto medio della zona di contatto, si ha, tra componente tangenziale e radiale, la relazione:
Ft = f ⋅ Fr
mentre dall’equilibrio intorno ad O si ottiene:
F ⋅ a − Fr ⋅ b − f ⋅ Fr ⋅ c = 0 ⇒ Fr =
F ⋅a
b + f ⋅c
quindi
Ft =
f ⋅F ⋅a
b + f ⋅c
Pertanto il momento frenante sarà:
M f = Ft ⋅
D
f ⋅F ⋅a⋅D
=
2 2 ⋅ (b + f ⋅ c)
E con ciò si può dimensionare il freno.
Nel caso dell’accostamento libero, la risultante delle forze scambiate la si considera passante per
la cerniera del ceppo e, per il seguito del calcolo, si procede in modo analogo.
ITIS “G. Marconi” – Bari
Corso di Meccanica Applic. e Macchine a Fluido
prof. Ing. Nazzareno Corigliano
Giunti-Innesti-Fizioni-Freni 5a serale
PAG.
10
FRENO A DISCO
Nei
freni
a
disco
un
pattino
con
guarnizione d’attrito, che nei freni di tipo
automobilistico
denominato
viene
pastiglia,
comunemente
viene
premuto
contro un disco solidale al sistema rotante
che si vuole frenare. Rispetto al freno a
ceppi,
questo
ha
lo
svantaggio
di
richiedere pressioni maggiori ma ha
indubbi vantaggi, sia per la maggiore
semplicità costruttiva, sia per l’azione
Fig. 15 – Freno a disco automobilistico
frenante più uniforme e, soprattutto, per
la maggiore facilità di smaltire il calore prodotto durante la frenatura che li rende insostituibili
nell’equipaggiamento di mezzi molto veloci.
Con le notazioni della Fig. 16, detti Re
ed Ri i raggi esterno ed interno del
pattino ed ipotizzando che la forza
d’attrito Ft = f ⋅ F agisca sul raggio
Fig. 16 – Schema di freno a disco
medio Rm =
Re + Ri
si ha il momento
2
frenante
M f = f ⋅ F ⋅ Rm
Con la quale si può dimensionare il pattino tenendo conto delle limitazioni per la pressione e la
temperatura.
ITIS “G. Marconi” – Bari
Corso di Meccanica Applic. e Macchine a Fluido
prof. Ing. Nazzareno Corigliano
Giunti-Innesti-Fizioni-Freni 5a serale
PAG.
11
FRENO A NASTRO
In questo tipo di freni si tende un nastro, guarnito in ferodo, lungo un certo arco di contatto del
tamburo per mezzo di una leva. Possono adottarsi
entrambi le soluzioni a) e b) della Fig. 17.
In entrambi i casi,
T
= e fα
t
e, se D è il diametro del tamburo, il momento frenante
sarà:
M f = (T − t ) ⋅
ma, nel caso a) t = F ⋅
D
D
= t ⋅ (e fα − 1) ⋅
2
2
l
e quindi
a
l D
M f = F ⋅ ⋅ ⋅ (e fα − 1)
a 2
se si inverte il moto T si scambia con t quindi diventa
T =F⋅
Fig. 17 – Schemi di freno a nastro
l
l 1
mentre t = F ⋅ ⋅ fα pertanto
a
a e
l D (e fα − 1)
Mf =F⋅ ⋅ ⋅
a 2
e fα
Nel caso b), invece, dalla
rapporto tra T e t, detto sopra, si ricava la relazione t = F ⋅
T ⋅ a + t ⋅ a = F ⋅ l e dal
l
1
⋅ fα
e quindi il momento
a e +1
frenante
l D (e fα − 1)
M f = F ⋅ ⋅ ⋅ fα
a 2 (e + 1)
In questo caso, se si inverte il moto, la formula per il calcolo del momento frenante non cambia
poiché T e t hanno lo stesso braccio e quindi pur scambiandosi, il loro momento non cambia.