L'applicazione di una coppia di serraggio inadeguata, e di conseguenza un precarico insufficiente, genererà un movimento trasversale delle sezioni e con buona probabilità un cedimento del giunto dovuto all'allentamento del bullone o alla sua rottura.

Il contesto

In questa case study analizziamo una problematica ancora molto diffusa all'interno dei processi di serraggio. Nel caso specifico analizziamo un'applicazione in cui dei bulloni M24 vengono montati per fissare i supporti del motore al telaio di un bus.

Il cliente, dopo che i bus venivano venduti e messi in servizio, ha iniziato a riscontrare una quantità anomala di segnalazioni in riferimento alla bulloneria in questione, dove si riscontravano frequenti allentamenti e, in alcuni casi, rotture dei bulloni M24.

Inizialmente, per prevenire l'allentamento e per eseguire alcuni test in grado di regalare maggiori informazioni, è stato introdotto un perno antisvitamento sulla parte filettata del bullone appena al di sotto del dado di fissaggio. Questa soluzione si è poi rivelata solo parzialmente utile, dimostrando invece che in alcuni casi il perno veniva letteralmente tranciato dal dado a causa di sollecitazioni assiali non previste.

L'analisi della rottura

Analizzando poi i bulloni in cui si era verificata la rottura (nello specifico nella parte iniziale della filettatura), si è potuto constatare con evidenza che il problema era dovuto a forze flessionali che portavano alla rottura a fatica. Questa conformazione è tipica nelle situazioni in cui non è presente nel giunto un precarico sufficiente a prevenire lo scorrimento o il parziale movimento delle varie superfici a contatto.

Le ragioni del fallimento del giunto

Analizzando i dati progettuali, l'ufficio tecnico aveva stabilito che per questa tipologia di giunto era necessario applicare una coppia di serraggio di 660 Nm.

Come a volte capita però, le problematiche teoriche sono solo una parte di quelle che poi durante il montaggio gli operatori si trovano ad affrontare: nel caso specifico la particolare conformazione del pezzo, di difficile accessibilità, e uno spazio minimo di lavoro non adeguato (oltre che attrezzature non ottimali per questa applicazione, come prolunghe ecc.) facevano in modo che la coppia di serraggio prestabilita fosse difficilmente applicabile nel concreto, come invece era stato possibile in fase prototipale.

Oltre al problema descritto sopra, sempre per causa della difficile accessibilità del pezzo, il controllo qualità avveniva in maniera più difficoltosa, portando l'operatore ad abbassare gli standard di ripetibilità del processo.

Un'osservazione importante: è di fondamentale importanza definire una connessione tra ufficio tecnico e produzione con lo scopo di implementare degli standard anche in relazione alle problematiche effettive del montaggio. In sintesi, lo spazio operativo per avvitare un bullone, soprattutto se di dimensioni per cui è necessaria una coppia di serraggio alta, deve essere considerato una priorità.

La giunzione consisteva in un assieme composto da più sezioni di materiali diversi (acciaio e alluminio); le forze agenti nel giunto erano sia assiali, dovute al peso del motore, sia trasversali, dovute alla dinamicità della situazione (frenata, accelerazione e forza centrifuga durante le curve).

Le conclusioni dell'analisi

Il risultato delle analisi sul giunto ha portato alle seguenti conclusioni:

  • la coppia di serraggio applicata realmente in fase di montaggio era di 400 Nm invece che 660 Nm: un precarico insufficiente consentiva alle varie sezioni del giunto di scorrere;
  • le varie sollecitazioni portavano inizialmente allo svitamento del dado, con conseguente amplificazione dei problemi causati dallo scorrimento delle sezioni;
  • la presenza di molte sezioni, oltre a portare il dado a svitarsi, induceva delle forze sul bullone che tendevano a fletterlo — infatti la conformazione della rottura era riferibile a questo tipo di sollecitazione;
  • i diversi materiali di cui era composto il giunto inducevano una perdita di precarico parzialmente dovuto alla deformazione plastica delle asperità superficiali delle varie sezioni;
  • un'ulteriore analisi sui giunti in cui era stata applicata la coppia di progetto di 660 Nm ha dimostrato che, considerando le sollecitazioni in gioco, il precarico applicato era troppo alto per questa particolare situazione: adeguato per evitare lo scorrimento delle sezioni ma non adatto se il bullone veniva sottoposto a ulteriori forze assiali;
  • gli spazi limitati e la tipologia di strumentazioni a disposizione degli operatori del montaggio (e anche di quelli dei vari service esterni, considerato che ogni veicolo di questo tipo è soggetto a frequenti manutenzioni post vendita) erano inadeguati.

Come è stato risolto il problema

In primo luogo, considerati gli spazi disponibili e le attrezzature a disposizione, si è deciso di rivalutare le specifiche del bullone installato diminuendone la dimensione, scegliendo una classe di resistenza più alta e di conseguenza abbassando la coppia di serraggio da applicare.

Si è quindi deciso di installare un dado M16 flangiato classe 12.9.

Il maggiore rapporto lunghezza su diametro di questo bullone riduce le perdite di precarico dovute alle forze flessionali; oltre a questo, la minore sezione dello stelo richiede l'applicazione di una coppia di serraggio più bassa per raggiungere il valore di precarico minimo necessario per permettere alle sezioni di non scorrere.

La coppia di serraggio specificata per il nuovo bullone M16 è di 380 Nm, in grado di generare un precarico compreso tra 86 kN e 137 kN. Il precarico minimo richiesto da questa applicazione era di 78 kN, necessario per evitare lo scorrimento tra le sezioni: questo valore è al di sotto del range specificato per la nuova conformazione, per questo motivo è stato possibile prevedere con certezza che non avvenissero in futuro allentamenti indesiderati.

Conclusioni

Il guasto del bullone descritto in questo articolo illustra due problemi che possono derivare da un precarico inadeguato. Il cedimento per fatica è una situazione comune nelle situazioni in cui viene applicato un precarico inadeguato, provocando sollecitazioni nel bullone che non è mai stato progettato per sostenere.

Queste stesse sollecitazioni, quando la resistenza a fatica del bullone è in grado di sostenere il carico generato dalle sollecitazioni, si tradurrà nella tendenza del dispositivo di fissaggio ad allentarsi.

L'importanza di raggiungere e mantenere un livello adeguato di precarico è spesso il fattore cruciale per garantire l'integrità della struttura del giunto bullonato nel tempo.