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Politecnico di Torino Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale

GIUNTI DI COLLEGAMENTO TRA ALBERI Elementi di Costruzione di Macchine

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Elementi di Costruzione di Macchine

www.directindustry.it

Riferimenti bibliografici: [1] A. De Paulis, E. Manfredi., Costruzione di Macchine, Pearson Milano – 2012 [2] G. Curti, Appunti del corso di Costruzione di Macchine, 2009-2010, Giunti, Innesti, Cuscinetti . [3]G. Bongiovanni, G. Roccati, Giunti, fissi, articolati, elastici e di sicurezza- Levrotto & Bella, 1986. [4]G. Bongiovanni, G. Roccati, Giunti, articolati - Levrotto & Bella, 1988. [5] Niemann G., Elementi di Macchine, ETS Milano - Springer Berlino, 1983 ECM - Giunti

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Giunti di collegamento fra alberi Si definisce giunto un elemento che, in configurazione smontabile ma stabile, realizza il collegamento torsionale fra due alberi rotanti disposti in sequenza uno rispetto all’altro e con le rispettive estremità adiacenti fra loro. Di fatto esso permette il collegamento delle varie parti della linea di trasmissione.

giunto

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Funzioni di un giunto di collegamento fra alberi 1) Trasmettere moto e coppia torcente da un albero a un altro (allineati in sequenza). 2) Consentire di suddividere l’albero in più elementi più corti, in modo da agevolare il montaggio e lo smontaggio dei componenti. 3) Consentire uno spostamento relativo (di traslazione e/o rotazione) tra gli alberi connessi, che può risultare da errori di posizionamento, tolleranze, deformazioni (anche termiche), senza conseguenze dannose per gli elementi stessi. 4) Ridurre la trasmissione delle vibrazioni. 5) Limitare il valore massimo del momento trasmesso (giunti di sicurezza).

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Tipi di giunti (I) - Giunti rigidi (o fissi) - Collegano due alberi perfettamente coassiali, non consentono nessun movimento relativo fra gli alberi e nessun disallineamento fra di essi. - Giunti elastici - Possono consentire piccoli disallineamenti assiali e/o angolari fra gli alberi, dovuti al montaggio o al funzionamento. Assorbono gli eventuali urti dovuti a brusche variazioni della coppia motrice o della coppia resistente mediante l’uso di appositi organi elastici deformabili interposti fra la parte motrice del giunto e quella condotta.

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Tipi di giunti (II) - Giunti articolati: permettono la compensazione di errori e/o il movimento relativo di ampiezza cospicua. Possono essere omocinetici oppure no. Sono omocinetici quelli che consentono all’albero motore e all’albero condotto di avere istante per istante la stessa velocità angolare. giunti assiali

giunti trasversali

giunti angolari

giunti misti compensano errori o consentono movimenti ti tipo misto

- Giunti di sicurezza : collegano sempre due alberi allineati in sequenza, ma hanno la funzione di limitare la coppia trasmissibile da un albero all’altro, superata la quale essi consentono la libera rotazione relativa tra gli alberi collegati.

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Momento torcente applicato al giunto Il valore della coppia trasmessa utile per scegliere a catalogo o progettare un giunto deve tenere conto anche dei transitori che si verificano all’avviamento delle macchine. Esempio di motore elettrico: Mn coppia nominale, Mt, max coppia di spunto, Im momento di inerzia di massa del motore e del semigiunto. Iu momento di inerzia di massa dell’ultilizzatore e dell’altro semigiunto.   M t max /( I m  Iu )

accelerazione angolare all’avviamento

Il momento a cui è sottoposto il giunto all’avviamento è: Iu 1  M t max  con m Im / Iu M G  I u    M t max  m 1 Im  Iu MG 

Mt max Mn Mt max Mn     K0 M n m 1 Mn Mn m1

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K0 è un fattore d’urto o di servizio che quando si può si calcola con i momenti di inerzia, altrimenti si stima e può indicativamente variare da 1.2 a 2.5 (valori suggeriti dall’esperienza).

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Principali giunti Volendo proporre una panoramica d’insieme della moltitudine di soluzioni costruttive in commercio, si consideri questo schema.

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Giunto rigido a manicotto chiavette con nasello con superficie superiore leggermente obliqua

cilindro cavo, generalmente in ghisa

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Il giunto a manicotto è costituito da un manicotto cilindrico che unisce i due alberi tramite chiavette. Si impiegano chiavette con nasello per rendere possibile l’operazione di smontaggio. E’ necessario rivestire il giunto con un astuccio cilindrico in lamiera di acciaio fissato sul manicotto con viti mordenti per protezione. Dimensioni consigliate, dato il diametro degli alberi d : L = 3d e D =1.7 d. Inconveniente: il baricentro del giunto è al di fuori dall’asse di rotazione degli alberi, tale eccentricità produce forze centrifughe e vibrazioni in esercizio. ECM – Giunti

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Giunto rigido a gusci (I)

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gioco per il serraggio

Il giunto a gusci è costituito da un manicotto cilindrico sia all’interno che all’esterno, realizzato in due gusci che vengono premuti contro i due alberi mediante bulloni, inseriti in appositi fori praticati trasversalmente. Si noti il gioco per consentire il serraggio del giunto sull’albero.

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Giunto rigido a gusci (II) involucro di protezione in lamierino di acciao

linguetta (usata in caso di coppie elevate)

Per ragioni di sicurezza, le teste dei bulloni (quadrate) e i dadi (esagonali) sono ospitati dentro apposite cave praticate nella parte cilindrica esterna dei manicotti, cioè sono a scomparsa rispetto alla superficie esterna. Per problemi di equilibratura, teste e dadi sono alternati. La trasmissione della coppia avviene grazie all’attrito sulle superfici di albero e manicotto. Il collegamento può essere completato con l’uso di linguette. Impiego soprattutto in alberi di trasmissione (d >55 mm) con linguetta incastrata. ECM – Giunti

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Giunto rigido a gusci - calcolo Schema del guscio superiore N

Si può assumere una distribuzione di pressione pari a: p  p0  cos2 

(1)

Il momento trasmissibile da un albero all’altro è legato alla pressione dalla relazione:   L M   f  p  r  d  l  r  f  p0  r2    cos2   d  2   

L 1 L   x  senx  cos x     f  p 0  r 2  2 2 2  Il tiro complessivo N che serra i due gusci di estremità è pari alla risultante delle forze verticali:  f  p0 r 2 

 /2

N 

 p

 /2

0





 /2

cos 2  r d  L cos   p 0 r L 

(2)

2 1 4 3 3  cos  d   p 0  r  L  senx  3  sen x   3 p0  r  L 2  /2

Da (2) e (3) si ricava, sostituendo il valore del termine p0rL da (2), Posto n il numero dei bulloni, il tiro Tb su ogni bullone è pari a:

N 

(3)

8 M 16  M       3 f r 3  f d

Tb 

N 16 M  n 3 n    f  d

Il valore del tiro Tb si utilizza per calcolare la coppia di serraggio richiesta per i bulloni e per eseguire il calcolo di verifica dei bulloni. ECM – Giunti

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Giunto rigido a dischi (I)

E’ costituito da due dischi con mozzi calettati sui due rispettivi alberi e bloccati tramite chiavette o linguette. I dischi sono collegati fra loro mediante bulloni disposti su una corona circolare. Il contatto fra le facce dei dischi è limitato a una corona circolare Se non sono presenti i mozzi e i dischi sono fucinati o saldati alle estremità dell’albero il giunto è detto giunto a flange. ECM – Giunti

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Giunto rigido a dischi (II) Giunto a dischi con collare di centratura

La centratura dei dischi è realizzata grazie a un collare di centratura cioè una lavorazione sui due dischi (sporgenza cilindrica realizzata in un disco e una cavità, sull’altro disco). Allo smontaggio il collare previsto per la centratura richiede un ridotto spostamento assiale di uno dei due alberi.

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Giunto rigido a dischi (III) Giunto a dischi con anello di centratura

La centratura dei dischi può essere realizzata grazie ad un anello di centraggio. L’anello consente durante la fase di smontaggio di disconnettere completamente i due dischi e, quindi, i due alberi, senza dovere scollegare i dischi dagli alberi o distanziare assialmente almeno uno dei due alberi. ECM – Giunti

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Giunto rigido a dischi – calcolo della coppia trasmessa La trasmissione della coppia avviene per attrito su una corona circolare grazie alla pressione tra i dischi dovuta al serraggio dei bulloni. La forza minima di serraggio richiesta per trasmettere la coppia per attrito senza che le viti lavorino a taglio è: d*

d 2  MT Fv  f  n d* 2 momento torcente da trasmettere

M T  n  f  Fv  MT f n d

coeff.di attrito (0.25 per superficisgrossate) numero di bulloni diametrocirconferenza fori

Se il gambo delle viti è calibrato e i fori sono alesati, la coppia è trasmessa dalle forze di taglio nei bulloni. Tale soluzione è più costosa ma la coppia trasmessa è più elevata. F In questo caso occorre verificare a taglio i bulloni. T

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FT

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Giunti elastici metallici Nei giunti elastici metallici l’elemento elastico che collega le due parti del giunto è in materiale metallico. I giunti elastici consentono piccoli disallineamenti assiali e angolari fra gli alberi, dovuti al montaggio o al funzionamento. Nei giunti torsionalmente elastici l’elasticità torsionale viene sfruttata per evitare la trasmissione di vibrazioni torsionali indesiderate tra gli alberi della stessa linea. Con la loro elasticità questi giunti introducono problemi di natura dinamica, associati allo smorzamento da questi applicato all’albero in rotazione. Possono dar luogo principalmente a oscillazioni torsionali e nei transitori (avviamento o in funzionamento intermittente) danno origine a sovraccarichi. I giunti elastici metallici rispetto a quelli con elementi elastomerici, sopportano temperature maggiori, ma richiedono lubrificazione e forniscono smorzamento minore alle vibrazioni.

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Giunto elastico metallico BIBBY (I)

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- La trasmissione della coppia avviene tramite un nastro di acciaio avvolto a serpentina su due mozzi solidali agli alberi da collegare - L’involucro esterno contiene grasso o lubrificante ad alta viscosità a seconda della velocità di rotazione - il giunto permette correzioni di piccoli spostamenti assiali (3-5mm), radiali (0.5-1.5 mm) e angolari (1-2°). ECM – Giunti

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Giunto elastico metallico BIBBY (II)

http://www.brighthubengineering.com/

- La coppia si trasmette per deformazione a flessione e a torsione del nastro di acciaio. A coppie elevate il nastro si appoggia sulle sedi e la rigidezza aumenta. Una volta che il nastro è a contatto con tutto il dente l’elasticità del giunto è data solo dal breve tratto di nastro compreso tra i due semigiunti. - Lo smorzamento delle vibrazioni avviene anche per attrito tra nastro e sedi.

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Giunto elastico metallico Arpex

http://www.usinenouvelle.com/industry

Lo schema di base del giunto Arpex (a biellette) è costituito da lamine flessibili collegate tra loro e, alternativamente e tramite bulloni da un lato a una flangia collegata all’albero conduttore e dall’altro a una flangia solidale all’albero condotto. Il giunto è torsionalmente rigido, ma consente leggere inflessioni degli alberi correggendo errori di tipo angolare e radiale. Si può aumentare la flessibilità del giunto introducendo un elemento intermedio tubolare, come nelle figure, che può trasmettere momento torcente con bassa rigidezza flessionale. da A. De Paulis, E. Manfredi, C. di Macchine

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Giunti elastici ad elastomeri L’elemento elastico che collega le due parti del giunto è in materiale elastomerico Questi giunti presentano due flange calettate sulle estremità degli alberi da collegare. Le flange sono collegate fra loro da elementi interposti che in questo caso sono ottenuti con materiali polimerici. Si hanno giunti torsionalmente rigidi e giunti torsionalmente elastici. Le caratteristiche meccaniche del giunto non possono essere determinate con formule analitiche ma devono essere determinate sperimentalmente Questi giunti con la loro elasticità possono innescare fenomeni dinamici di vibrazione, però contrariamente a quelli metallici, i materiali usati forniscono uno smorzamento interno maggiore.

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Giunto elastico NORTON o giunto a pioli

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I pioli sporgenti da un disco portano alcuni manicotti di materiale polimerico e penetrano nei fori dell’altro disco. Il giunto è particolarmente adatto a compensare errori di posizionamento assiale. La bombatura dei manicotti elastici consente di compensare piccoli errori di posizionamento angolare.

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Giunto elastico Steckflex

http://www.directindustry.it/

Le flange sono collegate tra loro tramite un elemento polimerico lobato. La trasmissione di coppia avviene, per la pressione esercitata dai fianchi dei denti con l’interposizione dell’elemento elastico, che svolge le funzioni di smorzatore e smorza le oscillazioni torsionali. Consente di correggere errori angolari.

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Giunto elastico Periflex In questo caso l’elemento elastico diventa un componente intermedio collegato a componenti meccanici http://www.directindustry.it/

Si compone di un collare di gomma, tela o materiale equivalente, con sezione ad , tagliato radialmente per consentire agevolmente montaggio e sostituzione. Il collegamento agli alberi avviene attraverso mozzi flangiati. Il serraggio del collare sulle flange si realizza con controflange anulari. La coppia viene trasmessa per taglio. Si ha una deformazione torsionale molto elevata con una rotazione relativa di circa 15°. L’elemento elastico permette correzioni di grande entità con spostamenti assiali ( fino a 8 mm) che consente di compensare le dilatazioni termiche degli alberi, radiali (fino a 4 mm) e angolari (5-12°) ECM – Giunti

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Giunti articolati I giunti articolati sono costituiti da componenti rigidi accoppiati tra loro cinematicamente. I giunti articolati consentono: - spostamenti paralleli tra gli assi - spostamenti angolari - spostamenti arbitrari Si possono distinguere come non omocinetici (giunto cardanico) e omocinetici.

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Giunto di Oldham

www.electroyou.it/asdf/wiki/

Si usa per trasmissione del moto tra assi paralleli non coincidenti. Il disco centrale spostandosi lungo le scanalature crea un’eccentricità ed è quindi sottoposto a forza centrifuga che si scarica sui supporti degli alberi ed è causa di vibrazioni. Non può quindi essere usato per alte velocità di rotazione.

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Giunto di Cardano o di Hooke

da A. De Paulis, E. Manfredi, C. di Macchine

Si usa per trasmissione del moto tra assi concorrenti consentendo tra essi uno spostamento angolare . Il giunto non è omocinetico, si dimostra che: cos  2  1 1  sen2   sen 21 M 2 M1

1  sen2   sen2 1 1  M 1 2 cos 

Con1 e 2 velocità angolari dei due alberi 1 rotazione albero 1 attorno a y rispetto alla posizione di zero assunta come braccio forcella orizzontale Anche se il momento M1 sull’albero 1 è costante durante la rotazione il momento M2 sull’albero 2 varia.

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Doppio giunto di cardanico

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1 da A. De Paulis, E. Manfredi, C. di Macchine

Due giunti cardanici collegati da un albero rendono il giunto omocinetico se gli assi dei due alberi sono complanari con 2= ± 1 Variante: due giunti cardanici collegati da un albero telescopico per un più facile montaggio e per compensare errori assiali o dilatazioni di origine termica

da A. De Paulis, E. Manfredi, C. di Macchine

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Giunto di Cardano – calcolo delle forze 

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da A. De Paulis, E. Manfredi, C. di Macchine

Dalle equazioni di equilibrio si calcolano le forze: P  h  F1  h F2  P  cos  Q  P  sen

P  F1 equilibrio alla rotazione della crociera (con h altezza e larghezza della crociera) Scomposizione di P secondo  (con  angolo tra i due assi 1 e 2 degli alberi)

M 2  F2  h  P  h  cos  M 1  F1  h M P  F1  1 h

ECM

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equilibrio alla rotazione della forcella 2 equilibrio alla rotazione della forcella 1

Da cui si ricavano le forze che agiscono sui bracci delle forcelle: M M cos  M F1  1 F 2  P  cos   1 Q  P  sen  1  sen – Giunti h

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