Introduzione
Un vantaggio chiave degli elementi di fissaggio filettati rispetto alla maggior parte degli altri metodi di giunzione è che possono essere smontati e riutilizzati. Questa caratteristica è spesso il motivo per cui i dispositivi di fissaggio filettati vengono preferiti rispetto ad altri metodi di giunzione e spesso svolgono un ruolo fondamentale nel mantenimento dell'integrità strutturale di un prodotto. Tuttavia, sono anche una fonte significativa di problemi nei macchinari e in generale nelle strutture in cui svolgono un ruolo critico, principalmente a causa del loro allentamento involontario.
L'allentamento dei bulloni è stato un problema sin dall'inizio della rivoluzione industriale e negli ultimi 150 anni i progettisti hanno escogitato diversi modi per prevenirlo. Molti di questi metodi di prevenzione sono stati inventati oltre 100 anni fa, tuttavia è solo di recente che si è compreso il meccanismo principale che si ritiene causi l'allentamento.
Allentamento rotazionale e allentamento non rotazionale
L'allentamento può essere definito come una successiva perdita di precarico dopo il completamento del processo di serraggio. Ciò può avvenire in due modi:
- L'allentamento rotazionale, più comunemente indicato come auto-allentamento, si verifica quando l'elemento di fissaggio ruota sotto l'azione di un carico esterno.
- L'allentamento non rotazionale si verifica quando non si verifica alcun movimento relativo tra le filettature interne ed esterne ma si verifica una perdita di precarico (lo vedremo in dettaglio nel prossimo articolo).
La scoperta di Gerhard Junker
Gerhard Junker nel 1969 pubblicò un documento tecnico ("Nuovi criteri per l'allentamento automatico degli elementi di fissaggio sotto vibrazione", SAE Paper 690055, 1969) che forniva i risultati del lavoro di prova che aveva completato per supportare la sua teoria sul motivo per cui gli elementi di fissaggio filettati si allentano automaticamente.
La sua scoperta chiave è stata che gli elementi di fissaggio precaricati si allentano (per svitamento del dado) non appena si verifica un movimento relativo tra le filettature di accoppiamento e tra le superfici di appoggio dell'elemento di fissaggio e il materiale contrapposto.
Junker ha scoperto che i carichi dinamici trasversali generano una condizione molto più grave rispetto ai carichi assiali dinamici.
Tale movimento relativo si verificherà quando la forza trasversale che agisce sul giunto è maggiore della forza resistente all'attrito generata dal precarico del bullone.
Come si sviluppa il meccanismo
Per piccoli spostamenti trasversali, può verificarsi un movimento relativo tra i fianchi della filettatura e la superficie di contatto sotto la testa del bullone.
Una volta superati i giochi della filettatura, il bullone sarà soggetto a forze di flessione e, se lo scorrimento trasversale continua, si verificherà lo scorrimento della superficie di appoggio della testa del bullone.
Una volta avviato questo meccanismo, la filettatura e la testa del bullone saranno momentaneamente libere dall'attrito. Lo svitamento interno, presente per effetto del precarico agente sull'angolo d'elica del filetto, genera una rotazione correlata tra dado e bullone.
Sotto ripetuti movimenti trasversali questo meccanismo può allentare completamente gli elementi di fissaggio.
La macchina di Junker
Per indagare sulle cause dell'allentamento, Junker sviluppò una macchina di prova, la cosiddetta "macchina Junker", per quantificare l'efficacia della resistenza all'allentamento di un sistema di fissaggio filettato.
La struttura della macchina di Junker è abbastanza semplice e intuitiva. Dei cuscinetti a rulli vengono utilizzati per eliminare gli effetti di attrito tra piastre mobili e fisse. Una cella di carico consente il monitoraggio continuo del carico del bullone mentre il movimento trasversale viene applicato da una piastra mobile su cui è fissato il dado.
Questo è un grande vantaggio rispetto allo standard del test d'urto, in quanto la perdita di precarico può essere misurata durante il test e viene tracciato un grafico dei cicli rispetto al precarico.
L'idea alla base della macchina Junker è che uno spostamento trasversale generato da una camma si traduce in un'azione oscillante nel dispositivo di fissaggio. Il superamento della forza di attrito del dispositivo di fissaggio crea un'azione di allentamento nel dispositivo sotto test.
Le curve di allentamento
Un test come quello di Junker consente di confrontare le prestazioni di vari tipi di dispositivi di fissaggio in termini di resistenza all'allentamento. Negli ultimi vent'anni è stata completata una notevole quantità di lavoro studiando i dispositivi di fissaggio esistenti per essere in grado di effettuare confronti in merito alla loro resistenza all'allentamento dovuto alle vibrazioni.
Per effettuare un confronto valido è fondamentale utilizzare la stessa ampiezza di vibrazione, poiché ciò ha una grande influenza sui risultati.
Test condotti da NordLock su diverse soluzioni (dado non fissato, rondella semplice, rondella elastica, controdado, dado con inserto in nylon, doppio dado) mostrano in modo intuitivo che esistono dispositivi antisvitamento più performanti di altri.
Alla base di tutti i concetti appena espressi però è evidente anche che la chiave per prevenire l'auto-allentamento di un dispositivo di fissaggio è fornirgli un precarico sufficiente in grado di generare forze di attrito capaci di contrastare il movimento laterale tra le superfici a contatto di una giunzione bullonata.
