Se si considera il montaggio dei bulloni attraverso una chiave dinamometrica a scatto, per esempio, bisogna considerare che la variazione dell'attrito o un calcolo poco preciso di esso possono portare a variazioni nel precarico applicato effettivo sotto gli standard progettuali.

La progettazione del giunto sulla base del precarico minimo reale generato dal bullone eliminerebbe qualsiasi rischio di allentamento; la progettazione utilizzando il valore ideale del precarico comporterebbe il potenziale allentamento di un certo numero di bulloni se non fosse applicato alcun "fattore di sicurezza". Occorre anche tener conto della perdita di precarico dovuta all'assestamento delle increspature sulle superfici del giunto.

Precarico ideale vs precarico reale

Valore di precarico ideale: rappresenta il precarico minimo che deve essere fornito dal bullone. È la somma della perdita di precarico per assestamento delle superfici a contatto, del precarico necessario per impedire lo slittamento del giunto a causa di un carico a taglio e del precarico per cui quel preciso bullone è stato progettato. Non tiene conto della precisione del metodo di serraggio e della ripetibilità del suddetto metodo oltre che delle condizioni al contorno.

Valore di precarico realmente applicato: in un mondo ideale il precarico fornito dal bullone sarebbe noto con un valore esatto e sarebbe lo stesso per ogni bullone serrato. Sfortunatamente non esiste un mezzo a basso costo per serrare un bullone e conoscere, con precisione, il valore del precarico.

Tecniche come il serraggio del bullone a un valore di coppia specifico comportano una variazione del precarico tra bulloni apparentemente identici. Ciò è dovuto all'impossibilità di applicare ogni volta la coppia allo stesso valore esatto, alla variazione delle tolleranze del foro e del bullone ma, soprattutto, alla variazione del coefficiente di attrito presente nelle filettature e sotto la faccia del dado/bullone.

Per progettare con successo un giunto è necessario tenere conto di questa dispersione nel precarico. Questo può essere fatto in diversi modi, ma di solito determinando i precarichi minimo/massimo dalla conoscenza della variazione di attrito o mediante l'uso di un fattore di sicurezza da assegnare al metodo di serraggio utilizzato.

Esempio: analisi sul precarico ideale e reale di un bullone M14 di classe 8.8

Una applicazione in ambito industriale in cui una serie di bulloni M14 di classe 8.8 vengono serrati utilizzando una chiave dinamometrica manuale a scatto. I valori assegnati in fase di progettazione sono i seguenti:

Coppia di serraggio: 140 Nm
Precarico teorico da progetto: 43.656 N

Tuttavia, attraverso i dati raccolti nel post vendita si riscontra che una percentuale dei bulloni montati risulta essersi allentato e, in alcune circostanze, rotto. Ciò significa che su alcuni giunti il precarico risulta insufficiente per resistere alle forze applicate.

Implementando nel calcolo del precarico maggiori informazioni si è arrivati a scoprire che il precarico reale minimo applicato era al di sotto di quello ideale stabilito da progetto:

Precarico teorico da progetto: 43.656 N
Precarico reale applicato: 36.678 N

La soluzione

In generale, è possibile apportare modifiche per aumentare il valore minimo di precarico reale (usando un bullone di grado maggiore o più grande o cambiando il metodo di serraggio) o riducendo le forze applicate (usando più bulloni nel giunto o aumentando l'attrito tra l'interfaccia del giunto, riducendo così il requisito della forza di taglio, ecc.)

Modificando in questo caso il metodo di serraggio da solo coppia a coppia + angolo si è potuto creare un gap tra i due valori (precarico ideale e reale) fornendo così una maggiore ripetibilità e diminuendo il rischio di serraggi sotto soglia minima:

Precarico teorico da progetto: 43.656 N
Precarico reale ricalcolato: 57.674 N

Se applicato correttamente il metodo di serraggio coppia + angolo fornirà costantemente un più elevato valore di precarico, sicuramente maggiore di quello teorico da progetto, diminuendo drasticamente gli allentamenti e le rotture post vendita.

Conclusioni finali

Una domanda che ci si pone spesso è quanto divario dovrebbe esserci tra il requisito di precarico ideale e il valore di precarico minimo reale.

Nell'ingegneria meccanica, in cui generalmente non ci sono codici di progettazione per stabilire il fattore di sicurezza, questo dipende essenzialmente dal giudizio ingegneristico.

Se le forze applicate sono note con precisione, se i test sul prodotto sono molto severi, il divario può essere minimo. Se le forze non sono note con precisione e le conseguenze del fallimento del giunto possono essere disastrose, allora sarebbe sensato un divario maggiore.

Le soluzioni per avere un maggiore fattore di sicurezza sono le seguenti:

  • utilizzare un bullone di dimensioni maggiori;
  • utilizzare un bullone più resistente;
  • utilizzare un metodo di serraggio più accurato.

È vero anche che una delle precedenti soluzioni può comportare un aumento del prezzo finale del prodotto, rendendolo meno competitivo. I fattori che è possibile inserire nel calcolo del precarico reale minimo possono essere diversi rispetto a quelli visti fino ad ora: per situazioni più delicate è per esempio possibile considerare nel calcolo anche l'effetto dell'espansione termica dei materiali.

La lunghezza del bullone conta

I bulloni che presentano una lunghezza maggiore sono intrinsecamente più resistenti all'allentamento rispetto ai bulloni corti. Sotto piccoli movimenti trasversali del giunto, il bullone tenderà a piegarsi invece di subire lo slittamento della testa o delle superfici portanti del filetto.

La quantità di movimento del giunto necessaria per iniziare lo scorrimento della superficie di appoggio del bullone è indicata come "distanza di scorrimento critica". Un bullone più corto può avere una distanza di scorrimento critica inferiore a 0,1 mm, mentre per un bullone con lunghezza maggiore può essere di 0,5 mm o più.

Se per esempio il movimento del giunto è limitato a 0,2 mm, il bullone più corto si allenterebbe mentre il bullone più lungo no. Se nelle sezioni non filettate si utilizzano fori con un gioco molto limitato rispetto al diametro del corpo del bullone, si riesce a limitare la distanza di scorrimento critica e quindi a rendere la giunzione meno vulnerabile alle sollecitazioni trasversali, di conseguenza tenderà ad auto allentarsi meno facilmente.

A causa della sua bassa rigidezza un bullone più lungo sarà soggetto a minore stress durante le sollecitazioni trasversali che portano al piegamento dello stelo: è quindi possibile sfruttare alcuni vantaggi di progettazione considerando l'utilizzo di bulloni di lunghezza maggiore in tutte quelle situazioni in cui le sollecitazioni trasversali sono presenti in maniera sostanziale e poco contrastabile.