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Oren Eliott
 

SELEZIONE E CARATTERISTICHE DEI GIUNTI D’ACCOPPIAMENTO

L’equilibrio tra requisiti e prestazioni dei giunti disponibili
ichiede l’esamedi un grande numero di fattori

Nella scelta di un giunto d’accoppiamento, vi è un numero quasi sconcertante di fattori da considerare; e molti di questi fattori interagiscono tra loro, complicando ulteriormente il compito. Per esempio,un ingegnere può esigere che il giunto sia in grado di assorbire la vibrazione torsionale; ma ciò inevitabilmente implicherà che il giunto abbia una rigidità torsionale più bassa, ed i giunti con elementi in elastoemero capaci di smorzarzamento torsionale tipicamente esercitano forze reattive elevate sui cuscinetti di supporto se sono forzati a compensare disallineamenti radiali elevati. L’ingegnere dovrà assegnare una certa priorità a ciascuno di tali fattori nella sua applicazione, e potrebbe essere costretto a cercare un compromesso per alcune o tutte le caratteristiche esaminate.

In generale, l’ingegnere dovrà effettuare le seguenti scelte nell’individuare un giunto di accoppiamento:

Tipo di giunto: L’ingegnere dovrà scegliere il tipo generico di giunto in base ai vantaggi e gli svantaggi, ed in base ad i requisiti generali del suo sistema in ordine di priorità;

Dimensione del giunto: Questa è determinata in primo luogo dalla dimensioni dell’albero e dai requisiti di coppia del sistema, ma incide anche sulla compensazione del disallineamento, sull’inerzia rotazionale, e sul costo.

Materiali: I materiali influiscono sul valore di coppia nominale del giunto, la sua massa, e sul costo, tra altri fattori.

Tipi di alesaggio e opzioni di attacco per l’albero: la selezione del’alesaggio è determinata di solito dal tipo di albero usato; e per le opzioni di attacco l’ingegnere dovrà soppesare costo e funzionalità.

Altri fattori che possono essere specifici per un dato sistema, quali l’equilibrio dinamico del giunto ad elevati giri/min (rpm).

In ogni caso, l’ingegnere deve trovare un compromesso tra costo del giunto, rendimento e ciclo di vita del prodotto, e le priorità assegnate a ciascun criterio di prestazione per la sua applicazione.

Tipo di giunto:

In alcune situazioni, risulterà ovvio il tipo di giunto necessario; per esempio, se non vi è un disallineamento significativo, un giunto rigido sarà la scelta più economica ed affidabile. Se lo smorzamento torsionale è chiaramente la priorità più importante, sarà un giunto a ganasce la scelta più ovvia. Ma nella maggior parte dei casi, l’ingegnere avrà un insieme di requisiti per il sistema che gli imporranno di bilanciare molti fattori differenti ed effettuare delle scelte che diano la priorità a quelli considerati più importanti, trovando un compromesso con gli altri fattori. Queste considerazioni includono:

Requisiti di coppia del sistema: i requisiti di coppia si possono calcolare in base alla coppia della componente condotta o in base alla potenza e numero di giri/min (rpm) della parte motrice. Tuttavia, bisogna anche considerare i fattori di servizio legati alla natura dell’applicazione, e l’accoppiamento dovrebbe essere ridotto (derated) in quanto ad indice di temperatura e disallineamento, se uno o entrambi si avvicinano ai limiti funzionali del giunto.

Il fattore di servizio totale è la somma del fattore di servizio della componente condotta più quello della componente motrice, e ciascuno è una misura della gravosità dell’applicazione. Fattori di servizio specifici per varie applicazioni sono elencati nel nostro Strumento di Selezione del Numero del Pezzo della OEP Coupling.. Tale strumento riduce anche l’indice del giunto per quanto riguarda la temperatura ed il disallineamento: Anche quando un giunto sia valutato per 180 gradi F (circa 82 Celsius), ciò non significa che la prestazione a 170 gradi F (circa 77 C) sarà la stessa che a temperatura ambiente.

Smorzamento di vibrazione torsionale contro rigidezza torsionale: Quando l’uno aumenta, l’altra diminuisce.

Disallineamento del sistema: Radiale, angolare e assiale, in seguito ad un’eventuale espansione termica durante il funzionamento.

Forze reattive esercitate dal giunto: durante disallineamento, tutti i giunti flessibili esercitano forze reattive sui cuscinetti di supporto nelle componenti motrici e condotte; il valore di tali forze varia con il grado di disallineamento, il valore della coppia, e il tipo di giunto.

Rendimento del giunto contro costo del giunto: In alcune situazioni, il pregio o la fragilità delle componenti guidate o condotte costringeranno il programmatore a specificare, per esempio, un giunto più caro che eserciti forze reattive minori.

Durata del giunto contro costo del ricambio: In certi casi, quando il periodo di inattività del dispositivo è particolarmente oneroso, o quando il tipo di componenti rende la manutenzione del giunto difficile, l’ingegnere sceglierà un giunto che abbia minori probabilità di richiedere sostituzioni o riparazioni.

Diversi tipi di giunti offrono diversi vantaggi e svantaggi:

I giunti rigidi
non possono compensare disallineamenti quasi per niente; se si verificasse qualche disallineamento, sia dovuto ad un inaccurato assemblaggio che all’espansione termica durante il funzionamento, l’uso di giunti rigidi può risultare in elevate forze reattive sui cuscinetti di supporto. Tuttavia, quando tali disallineamenti sono modesti e i cuscinetti sono robusti, i giunti rigidi saranno preferiti, sia per il costo minore che per la maggiore durata.


I giunti tipo Oldham possono compensare un elevato disallineamento radiale, un modesto disallineamento angolare ed uno assiale moderato; offrono buona resistenza a sbalzi di coppia e buona rigidezza torsionale, trasmissione omocinetica (la parte condotta muove sempre alla stessa velocità della parte motrice), forze reattive molto basse, e basso costo, e sono una buona scelta sotto ogni aspetto come giunti flessibili nella maggior parte delle applicazioni.

I giunti tipo Oldham/Universal offrono tutti i vantaggi dei giunti Oldham, ma possono compensare sino a 6 gradi di disallineamento angolare.

I giunti a blocco sono una variante più antica di giunto Oldham, che non offre il ‘fusibile meccanico’ della parte centrale che si trova negli Oldham: Sotto coppia torcente eccessiva, la parte centrale del giunto tipo Oldham si spezza, ma il mozzo rimane intatto, quindi la parte mediana economica si può sostituire. Un giunto a blocco non si spezza finché i mozzi stessi si rompono. (La parte centrale del blocco si può comunque sostituire dopo logoramento). Tale caratteristica di sicurezza intrinseca può essere considerata vantaggiosa in alcuni casi. Il giunto a blocco può includere un serbatoio interno per lubrificante, ed è adatto per ambienti severi o sporchi.

I giunti a ganasce offrono il vantaggio di smorzare la vibrazione torsionale. Compensano valori di coppia elevati e piccoli disallineamenti ad un costo basso. Tuttavia, non hanno buona rigidezza torsionale, poiché risulterà sempre una qualche distorsione.

I giunti universali o cardanici sono usati in applicazioni con disallineamento angolare elevato - sino a 45 gradi con un’unica articolazione. Radialmente ed assialmente, comunque, sono praticamente inflessibili.

I giunti magnetici sono usati per trasmettere la rotazione attraverso una barriera. Compensano grandi disallineamenti, e servono come una sorta di innesto di sicurezza, ma sono classificati per valori di coppia molto bassi, hanno rigidezza torsionale bassa, e costo elevato.

I giunti a elica sono giunti metallici flessibili in pezzo unico di costo moderato, hanno forze reattive elevate in disallineamento e una certa distorsione (sino a sette gradi); benché non abbiano parti mobili scorrevoli, raggiungono ad un certo punto il limite di fatica e si arrestano, e non esiste un elemento di ricambio logorabile e poco costoso.

I giunti a soffietto hanno un elemento metallico flessibile a pareti sottili, e possono compensare disallineamenti elevati con forze reattive basse, ma sono utili solo per valori di coppia bassi ed hanno rigidezza torsionale modesta se si misura a valori di coppia vicini al massimo. Come i giunti a elica, sono pezzi di costo modesto che eventualmente si logorano.

I giunti a ingranaggi, a griglia e a catena sono modelli molto robusti adatti per grossi alberi (più di due pollici, o cinque cm, in diametro), valori di coppia molto elevati, e applicazioni difficili.

I giunti a perno e boccola (pin-and-bushing) sono apparati a grande diametro che compensano piccoli disallineamenti ed offrono smorzamento torsionale modesto.

Dimensione del Giunto:

La dimensione del giunto deve essere grande abbastanza da ricevere entrambi gli alberi; un giunto può anche essere troppo grande per una data misura dell’albero -- per esempio, pochi fabbricanti producono un giunto di 2 pollici (5 cm) di diametro che possa ricevere un albero di 0,125 pollici (0,3cm) di diametro.

Con l’aumento del diametro del giunto, aumentano sia la coppia massima che la compensazione del disallineamento radiale, quindi aumentare la dimensione per un dato modello è il modo più naturale per selezionare un giunto che soddisfi questi due requisiti. Tuttavia, l’ingegnere non dovrà esagerare qui nel compensare scegliendo un giunto che sia più grande del necessario, poiché ciò aumenterebbe futilmente l’inerzia rotazionale e il costo.

Materiali per il Giunto:

La giusta selezione dei materiali assicura che il giunto possa sopportare la temperatura e la coppia necessarie, contenendo al tempo stesso i costi.

I giunti rigidi, e i mozzi dei giunti flessibili, sono generalmente disponibili in alluminio, acciaio inossidabile, acciaio legato, ottone, e materiali termoplastici avanzati. Ciscuno ha dei vantaggi:

L’alluminio offre un costo basso e basso momento d’inerzia. Se è rivestito adeguatamente, vanta anche un basso coefficiente di attrito, buone caratteristiche di usura, e buona resistenza all corrosione. In giunti che non hanno una sezione centrale sacrificabile, e dove quindi la resistenza del mozzo è critica, l’uso di leghe appropriate (come la 7075) può rendere i mozzi in alluminio resistenti quanto l’acciaio legato e quasi quanto l’acciaio inossidabile. Per la maggior parte dellae applicazioni, l’alluminio è la scelta di default migliore per le componenti metalliche del giunto.

L’acciaio inossidabileoffre buona resistenza alla corrosione ed elevata tenuta ad un ampio spettro di temperature, ma aumenta il costo.

L’acciaio legato e l’ottone meritano considerazione quando abbia la priorità un basso costo.

Ultem© può essere usato per giunti rigidi,, conferendo proprietà di isolamento elettrico, con buona tenuta ad un ampio spettro di temperature e buona stabilità dimensionale.

Vi sono anche alcune opzioni disponibili per le sezioni centrali dei giunti:

Delrin©è l’opzione più comune per giunti flessibili in materiali non elastomeri quali il giunto tipo Oldham. Offre un basso costo, buona resistenza all’usura, coppia e rigidezza torsionale relativamente alte. C’è tuttavia una differenza importante nel rendimento delle sezioni centrali in Delrin fabbricate a macchina, le quali offrono valori più alti di coppia frenante statica e rigidezza torsionale, se comparate alle economiche sezioni centrali in Delrin fabbricate a stampo.

Il nylon è offerto a volte nei giunti Oldham come altrenativa ancora più economica al Delrin; inoltre è talvolta pubblicizzato per il maggiore smorzamento torsionale rispetto al Delrin, benché la differenza tra i due in questo aspetto non sia significativa.

Le termoplasticeh ad alta temperature vengono offerte talora come un’alternativa al Delrin; superano il Delrin non solo per la temperatura massima di servizio, ma di solito anche per coppia e rigidezza.

L’Uretanoè una opzione comune per le sezioni centrali dei giunti flessibili in elastomero quali il giunto a ganasce, con un buon rendimento complessivo in termini di ‘compression set’ (deformazione permanente a compressione), resistenza all’usura, temperatura di servizio, e resistenza chimica. La OEP Couplings offre anche i suoi giunti tipo Oldham con sezioni centrali in Uretano, con rivestimento a basso attrito; ciò fornisce al cliente un giunto ibrido con l’alta compensazione del disallineamento radiale e le basse forze reattive del giunto Oldham, ma con eccellenti capacità di smorzamento torsionale.

Gomme stampate ad alta temperature si offrono talvolta come alternative all’Uretano per le sezioni centrali del giunto a ganasce.

Tipi di Alesaggio e Opzioni per Attacco Albero:


Le forature possono essere poligonali, per adattarsi ad alberi poligonali, ma le più comuni sono le cilindriche. Ci sono tre tipi di forature cilindriche:

Le forature passanti sono le più comuni; hanno il grande vantaggio di essere montate facilmente perchè si può far scorrere il mozzo sull’albero e rimuoverlo per inserire la sezione centrale, per poi rimetterlo in posizione e bloccarlo, quindi il giunto si può installare senza spostare né la componente motrice, né la condotta.

Le forature cieche (fori che non attraversano completamente il mozzo) offrono il potenziale vantaggio di fornire all’albero un fondo su cui spingere, aiutando a situare assialmente il mozzo in relazione all’albero.

Gli alesaggi con sede chiavetta possono avere foratura passante o cieca. La sede chiavetta è scavata (brocciata) nell’alesaggio per accogliere chiavette standard in pollici o metriche che alloggiano anche in una sede sull’albero. Ciò aiuta a trasmettere coppia dall’albero al mozzo, previene lo slittamento dell’albero, anche a valori di coppia elevati. Questo aumenta il prezzo del mozzo, ed implica che l’angolazione del mozzo rispetto all’albero è conseguentemente predeterminata e non può essere regolata.

Le opzioni per l’attacco dell’albero includono:

Le viti di fermo sono il metodo più economico e versatile per l’attacco dell’albero; ma possono danneggiare l’albero, rendendo difficile la rimozione.

I meccanismi a morsetto non danneggiano l’albero, rendendo facile la sostituzione della sezione centrale, e forniscono un’alta coppia di bloccaggio albero, specialmente in combinazione ad alesaggio con sede chiavetta.

I perni possono essere inseririti in un foro che attraversa il mozzo ed un foro nell’albero. Questo rende la rimozione difficile, ma non impossibile, ed è un metodo comune di attacco con i giunti cardanici.

Altre considerazioni:

Un fattore che il progettista dovrebbe considerare in applicazioni con alti valori di rpm ( giri al minuto) è l’equilibrio del giunto. Ad alti rpm, un giunto sbilanciato può esercitare forze elevate sui cuscinetti di supporto, e può causare vibrazioni. La maggior parte dei giunti vengono forniti sbilanciati, e possono essere forniti bilanciati con un supplemento di prezzo. Molti giunti sono forniti con grande sbilanciamento, con viti di fermo o morsetti su un solo lato del mozzo, e nessun dispositivo per assicurare una distribuzione simmetrica del peso.

Tutti i modelli della OEP Couplings sono almeno teoricamente simmetrici nella distribuzione del peso, cosicché anche senza il costo addizionale della bilanciatura con macchina equilibratrice, saranno più vicini ad essere bilanciati senza questa fase addizionale, che non quelli di altri produttori.

Occasionalmente, forze reattive o vibrazioni originate da giunti flessibili causeranno l’amplificazione di altre forze presenti all’interno del sistema, o potranno creare un ciclo di feedback ed amplificare se stesse a certe frequenza critiche. Ciò è difficile da prevedere, ed è di solito necessario fare qualche prova per determinarne la probabilità. Spesso questa situazione si può alleviare usando per il mozzo diversi materiali con differenti masse.

Conclusioni:

Dopo aver scelto un tipo appropriato per una specifica applicazione, una misura che corrisponda agli alberi, e che abbia coppia adeguata, materiali adatti a tale applicazione,, e i migliori tipi di alesaggio e dispositivi di blocco albero per l’applicazione, il tecnico deve verificare che la sua scelta corrisponda a ciascun criterio che si consideri critico tra i seguenti:

L’indice di coppia del giunto eccede quello dell’applicazione, in base alla coppia della componente condotta, o in base alla potenza e rpm (giri al minuto) del motore, dopo aver considerato i fattori di servizio, e dopo che il valore del giunto sia stato ridotto per temperatura e disallineamento (se l’una o l’altro si avvicinano ai limiti funzionali del giunto);

Il giunto è classificato per gli rpm (giri al minuto) dell’applicazione o al di sopra di essi;

Il giunto è classificato al pari o al di sopra del previsto disallineamento dell’albero (radiale, angolare, e assiale), dopo aver considerato nel calcolo l’eventuale espansione termica durante il funzionamento;

Il giunto è classificato al di sopra della prevista temperature ambientale massima;

Il giunto può accogliere fisicamente entrambi gli alberi, e rientra fisicamente nella capacità operativa disponibile, cioè lunghezza del giunto, diametro esterno del giunto e profondità dell’alesaggio;

Il giunto rientra nei criteri di progettazione in termini di rigidezza torsionale, momento d’inerzia rotazionale, smorzamento torsionale, equilibrio dinamico, e stabilità armonica a tutte le frequenze cui potrà essere sottoposto;

Il costo del giunto rientra nel bilancio.

La maggior parte dei produttori di giunti hanno un personale tecnico capace di assistere i progettisti nella selezione dei giunti.

scritto da:
Steven Elliott
OEP Couplings,
una divisione della Oren Elliott Products, Inc.


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OEP Couplings
Una divisione di Oren Elliott Products, Inc.
128 W. Vine St.
Edgerton, OH 43517
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