Quaderni di progettazione: connessioni tra alberi mediante i giunti

In questo articolo viene spiegato il funzionamento delle principali tipologie di giunti, i loro possibili utilizzi ed i loro limiti. Vengono mostrati, per i tipo più comuni, i metodi di calcolo per il loro dimensionamento ed i criteri di scelta.

Un giunto è un organo di macchina che viene impiegato per connettere tra loro due alberi. La scelta di una particolare tipologia di giunto dipende da molti fattori tra cui la coppia da trasmettere, la velocità di rotazione e il posizionamento relativo tra i due alberi.

Si immagini, ad esempio, di voler connettere due alberi che, per errori di montaggio, deformazioni del sistema o altre cause, possano essere disassati di una quantità molto piccola δ. Se il giunto scelto risulta schematizzabile come un vincolo “cerniera”, a causa del disassamento i due alberi potrebbero (a seconda di come sono vincolati) risultare caricati pur in assenza di un carico esterno.

Sarebbe invece opportuno che il giunto, grazie ad una sua flessibilità, compensasse, almeno in parte, il disallineamento. Sarà quindi importante scegliere un giunto in funzione dei massimi spostamenti relativi consentiti e di come gli alberi da connettere sono vincolati a terra.

Tipologie

I giunti hanno molteplici funzioni e vengono impiegati per collegare alberi con posizione relativa variabile, per connettere più semialberi (costruzioni legate a problemi di assemblaggio), per contenere il valore della coppia trasmessa (giunti di sicurezza) ecc.

I giunti possono essere classificati in varie tipologie. I giunti rigidi non ammettono disallineamento tra gli alberi. I giunti articolati sono costituiti da elementi rigidi connessi tra loro mediante coppie cinematiche. Questa configurazione permette movimenti relativi senza problemi di sovraccarico indesiderato. I cosiddetti giunti elastici sono realizzati appunto mediante elementi elastici. Anch’essi sono pensati per tollerare movimenti relativi tra gli alberi, seppure di minore entità rispetto a quelli ammessi dai giunti articolati. La presenza di elementi elastici, però, può portare anche a sfasamenti torsionali relativi. Il giunto non sempre è quindi omocinetico. L’elemento elastico può essere una molla oppure un tassello in elastomero. La differenza è principalmente legata alla coppia da trasmettere. Vi sono infine i giunti cosiddetti di sicurezza, il cui compito è quello di proteggere il sistema svincolando i due alberi nel caso in cui la coppia superasse un valore fissato.

Giunti rigidi

I giunti rigidi garantiscono un collegamento solidale tra i due alberi. Per un buon funzionamento, è richiesto un ottimo allineamento tra gli assi. Tra i giunti rigidi più comuni è possibile annoverare il giunto a manicotto, il giunto a gusci, il giunto a dischi ed il giunto Hirth.

Giunto a manicotto

Il giunto è manicotto è probabilmente la tipologia più semplice di giunto. Consta in un albero cavo all’interno del quale vengono inserite le estremità degli alberi da connettere. La trasmissione della coppia avviene grazie ad un collegamento di forma come una chiavetta.

Giunto a gusci

Il giunto a gusci è simile al giunto a manicotto. L’albero cavo è sostituito da due calotte di lunghezza assiale limitata che vengono serrate tramite bullonature. La trasmissione della coppia avviene dunque per attrito. Solo nel caso di coppia particolarmente elevata si ricorre ad una linguetta.

Giunto a dischi

Il giunto a dischi o flange prevede appunto il montaggio di flange su le estremità degli alberi da connettere. Questo avviene solitamente mediante chiavetta. Le flange vengono connesse tra loro con bullonature assiali. In alcuni casi tra i dischi viene interposto un anello. Anche in questo caso la trasmissione della coppia avviene mediante attrito tra facce piane a contatto.

Giunti Hirth

I giunti Hirth, come i giunti a dischi, sono una tipologia di collegamento frontale. In questo caso però, il collegamento non avviene per attrito bensì grazie alla presenza di denti frontali che realizzano un accoppiamento di forma. Hanno il grande pregio di permettere un facile smontaggio. Inoltre, il giunto è autocentrante. Sono spesso utilizzati nelle turbomacchine.

Giunti articolati

A differenza dei giunti rigidi, i giunti articolati hanno geometrie spesso complesse ma permettono spostamenti arbitrati tra gli alberi. Tra le tipologie più diffuse vi sono i giunti Oldham, i giunti cardanici ed i giunti a tripoide.

Giunti Oldham

I giunti Oldham sono appositamente pensati per la trasmissione del moto tra assi paralleli ma non coincidenti. Un disco centrale viene montato tra due flange. Questo disco presenza risalti rettangolari che gli permettono di scorrere nelle scanalature realizzate sulle due flange. Sebbene questa architettura garantisca la trasmissione del moto, qualora l’eccentricità del disco risulti non trascurabile, bisogna stare attenti alle vibrazioni che si possono generare a causa delle forze centrifughe.

Giunti cardanici

I giunti cardanici permettono la trasmissione del moto tra assi non concorrenti. La geometria specifica del giunto può essere molto diversa da produttore a produttore, ma la cinematica alla base è sempre quella rappresentata in figura. I due alberi da connettere presentano delle forcelle collegate tra loro da una crociera di collegamento a bracci ortogonali. Questi restano perpendicolari agli alberi da connettere.

Nel caso di sfasamento angolare  tra gli alberi, il rapporto di trasmissione “i” non è costante ma mostra una irregolarità periodica che, nel caso di elevate velocità di rotazione, può portare a fenomeni dinamici non trascurabili.

in cui rappresentano le velocità dei due alberi, il loro sfasamento angolare e la posizione angolare.

Di conseguenza anche la coppia trasmessa sarà potenzialmente soggetta a fluttuazioni periodiche.

Questo “difetto” può essere eliminato prevedendo due giunti cardanici in serie. Nel caso in cui i due alberi siano complanari, infatti, il doppio giunto cardanico garantisce l’omocineticità.

Nei giunti cardanici è anche importante andare a calcolare le deflessioni della crociera che, solitamente, è il componente più cedevole. Considerando che la coppia M1 generi due forze F1 uguali e contrarie alle estremità dei bracci della crociera, e ammettendo che l’angolo  non sia nullo, sulle estremità degli altri due bracci (del ramo perpendicolare al secondo albero) si avranno, per garantire l’equilibrio, delle forze P scomponibili nelle componenti F2 e Q. Il legame tra le forze vale

in cui i e J dipendono dall’angolo . Questo approccio, seppur semplificato, permette un primo dimensionamento del giunto.

Giunti a tripoide

I giunti a tripoide vengono impiegati quando l’angolo tra gli assi è diverso da zero ma assume valori molto bassi. Sono costituiti da perni radiali solidali al primo albero che sostengono elementi volventi sferici a contatto con scanalature interne solidali al secondo albero. I punti di contatto tra le tre sfere e le scanalature dell’albero cavo giacciono su un piano a formare un’ellisse. Per angoli molti piccoli, la coppia è ripartita in modo omogeneo sui tre perni

dove Li è la distanza media tra il centro dell’ellisse ed i punti di contatto e risulta pari alla media del valore dei semiassi a e b dell’ellisse.

La forza P nel contatto sfera-scanalatura dipende dalla posizione della sfera e, quindi, dall’angolo .

in cui R è il raggio interno dell’albero cavo in cui sono realizzate le scanalature. Per una corretta progettazione di questa tipologia di giunto è quindi importante verificare, note le forze P di contatto, anche le pressioni Hertziane.

Giunti elastici

Nei giunti elastici, come dice il nome, è sempre presente un elemento elastico la cui natura può però essere molto variabile. Si hanno giunti rigidi torsionalmente (in cui gli elementi medi possono essere lamelle, denti, catene o eliche) e giungi elastici anche torsionalmente (in cui si hanno molle, barre di torsione o elementi in materiale elastomerico).

Giunti lamellari

I giunti a lamelle prevedono un disco flessibile fissato ai due alberi mediante flange. La connessione avviene mediante bullonature sempre solo tra la lamella ed una singola flangia. La flessione della lamella garantisce la compensazione dei disallineamenti.

Giunti a catena

I giunti a catena prevedono una catena doppia che ingrana con due ruote dentate solidali rispettivamente al primo ed al secondo albero. Il sistema necessita di lubrificazione. Errori di disallineamento o disassamento vengono compensati dai giochi che si hanno tra catena e denti delle ruote. Siffatti sistemi sono adatti alla connessione di alberi che operano a velocità medio-basse e che trasmettono coppie costanti.

Giunti a molle

I giunti a molle vengono adoperati nel caso si debbano trasmettere grandi potenze. L’elemento elastico è solitamente costituito da molle elicoidali.

Giunti ad elastomero

I giunti ad elastomeri sono disponibili in svariate misure e geometrie. Il funzionamento prevede sempre la deformazione dell’elemento elastomerico.

Conclusioni

Il settore dei giunti è molto vasto e comprende differenti soluzioni che si differenziano per principio di funzionamento, per tipologia di impiego, per coppie da trasmettere e costo. La scelta del giunto ottimale è fortemente legata al tipo di applicazione.

La sola coppia da trasmettere non risulta essere un elemento sufficiente per una buona scelta. Altri fattori come disallineamenti e velocità di rotazione sono aspetti determinanti per la scelta della soluzione ottimale.

Bibliografia

Tutte le immagini da “A. De Paulis et al, Costruzione di macchine, criteri di base e applicazioni principali”