Giunti ed Innesti Corso di Modellazione geometrica delle Macchine Prof. Elio Lombardo Università degli Studi di Palermo – Facoltà di Ingegneria a.a. 2010-11

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Giunti e innesti sono organi meccanici, che realizzando il collegamento fra le estremità di due alberi, trasmettono fra di essi moto rotatorio e coppia. Gli alberi da collegare in generale devono presentare coassialità ed in questo modo, nel passare dall’albero motore a quello condotto, rimangono costanti sia il verso di rotazione, sia la velocità angolare. Pertanto il rapporto di trasmissione (rapporto tra la velocità angolare dell’albero condotto rispetto alla velocità di quello motore) è uguale ad 1. Per alcune particolari applicazioni e per esigenze specifiche di montaggio gli alberi possono presen-tare disallineamenti di vario tipo.

Innesti a frizione Innesti a denti Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Innesti   Gli innesti sono organi meccanici destinati a collegare le estremità di due alberi in maniera non permanente, cioè essi permettono, in qualunque momento, di collegare o di scollegare i due alberi, rendendoli solidali o totalmente liberi. Gli innesti si suddividono in Innesti a frizione Innesti a denti

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Gli innesti a frizione si utilizzano per collegare due alberi in rotazione ed in moto relativo angolare fra di loro, prima del loro accoppiamento. Cioè, prima che i due alberi divengano solidali, possiedono velocità angolari differenti. L’innesto del giunto pertanto, in un primo momento, attraverso lo strisciamento delle superfici di contatto, alcune delle quali provviste di apposito rivestimento di materiale di frizione, provvede all’uniformazione delle velocità dei due alberi. Successivamente, utilizzando la spinta esercitata da appositi organi elastici (molle), le due parti principali di cui è costituito il giunto, per aderenza, determineranno lo stabile collegamento dei due alberi e la trasmissione della coppia motrice.

Piani Conici Cilindrici Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Il massimo momento trasmissibile dall’innesto dipende dalla geometria dell’innesto e dalla forza complessiva generata dalle molle che spingono l’uno contro l’altro i due elementi principali dell’innesto. Gli alberi da collegare devono essere assolutamente coassiali. Gli innesti a frizione hanno anche la funzione di giunto di sicurezza nel senso che un eccessivo ed improvviso incremento della coppia resistente, superiore al valore massimo consentito dall’aderenza degli elementi accoppiati del giunto, determina lo slittamento degli stessi elementi. Gli innesti a frizione possono essere Piani Conici Cilindrici

Quelli così realizzati vengono definiti “monodisco”. Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Gli innesti piani sono in maniera schematica costituiti da due dischi, uno motore, solidale all’albero motore, l’altro condotto, solidale all’albero condotto. Quelli così realizzati vengono definiti “monodisco”. Esistono però versioni “a dischi multipli” i quali, attraverso l’uso di più coppie di dischi di frizione aumentano l’entità della coppia motrice trasmissibile. Fra i tre tipi di innesti a frizione, quello che, a parità di condizioni, può trasmettere il maggiore momento torcente è quello conico, che può sfruttare il fattore di moltiplicazione degli sforzi fra la forza complessiva generata dalle molle e la forza normale totale che si viene a generare fra le superfici coniche di contatto. Per contro, mentre l’innesto piano può essere abbastanza dolce, quello conico è piuttosto brusco.

Esso è un innesto a frizione piano monodisco. Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Quello mostrato nella figura è un gruppo frizione di tipo automobilistico. Esso è un innesto a frizione piano monodisco. Si distinguono, da sinistra verso destra: Il volano, calettato sull’albero motore; Il disco frizione, calettato sull’albero condotto; lo “spingidisco” le molle di compressione; il cuscinetto “reggispinta”

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Il disegno mostra un innesto a frizione multidisco, con tre dischi condotti. La coppia che un tale dispositivo può trasmettere è direttamente proporzionale al numero dei dischi impiegati.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Quello illustrato nel disegno è un innesto a frizione di tipo conico in cui l’elemento scorrevole assialmente è quello di destra, collegato all’albero mediante linguetta diritta.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Un innesto a frizione di tipo cilindrico è essenzialmente costituito da un elemento cilindrico cavo detto “campana”, collegato ad uno degli alberi, e da un insieme di elementi esternamente cilindrici, collegati all’altro albero, disposti all’interno della cavità cilindrica. Con l’espansione, manovrata oppure automatica, degli elementi cilindrici di cui sopra avviene dapprima lo strisciamento fra le parti cilindriche venute a contatto e dopo, aumentando opportuna-mente la mutua spinta fra tali superfici, avviene il trascinamento e quindi la trasmissione della coppia fra l’albero motore e quello condotto. Un innesto a frizione cilindrica di tipo automatico viene utilizzata nella trasmissione degli scooter, dove le ganasce ricoperte da materiale di frizione, con superficie esterna cilindrica, sono collegate all’albero motore e sono incernierate in maniera da essere sottoposte all’azione delle forze centrifughe.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Con l’aumento del numero dei giri dell’albero motore, la forza centrifuga agente sulle ganasce cresce, determinando l’espansione delle ganasce medesime, che andranno a far presa sulla parte cilindrica interna del tamburo calettato sull’albero condotto, trasmettendo a questo la voluta coppia motrice. L’immagine a fianco mostra la parte interna di un innesto a frizione centrifuga della trasmissione di uno scooter, dotata di due ganasce. Queste, ruotando intorno ai due perni sotto l’effetto della forza centrifuga, permettono il trascinamento del tamburo collegato all’albero condotto

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Le immagini in basso mostrano, a sinistra: la “campana” , elemento condotto di una frizione cilindrica; a destra: il gruppo, recante tre ganasce, destinato a trasmettere la coppia motrice mediante azione centrifuga.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Gli innesti a denti radiali, i quali possono trasmettere coppie anche elevate pur con piccole dimensioni, possono determinare il collegamento o la separazione di due alberi in generale solo quando questi non siano in rotazione. Nel disegno è raffigurato un innesto a dentatura radiale. L’elemento scorrevole assialmente è quello di destra, calettato sull’albero mediante linguetta incastrata fissata con viti.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Questo è un altro tipo di innesto con denti radiali e manicotto scorrevole a dentatura interna con cuffia di protezione. Il disegno a fianco mostra un innesto a dentatura frontale. La parte mobile è quella di sinistra, dove è rappresentata anche la leva per l’aziona-mento dell’innesto.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine In verità esiste anche la possibilità di avere degli innesti a denti radiali che permettano il collegamento fra alberi in rotazione e con velocità angolari diverse (prima dell’azionamento dell’innesto). In questo caso gli innesti sono più complessi in quanto prevedono, oltre al vero innesto dentato, anche un innesto a frizione (conica) che intervenga prima di quello dentato. Cioè, quando si aziona l’innesto, in un primo momento entra in contatto la frizione che provvede a sincronizzare le due velocità angolari degli alberi; successivamente, entreranno a contatto le parti dentate che consentiranno la trasmissione della coppia motrice. Un simile innesto dentato, a causa del suo funzionamento, viene detto “sincronizzato”.

Giunti rigidi Giunti elastici Giunti articolati Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Giunti   A differenza degli innesti, i giunti servono a collegare in maniera continuativa due alberi, trasmettendo, dall’uno all’altro, moto e coppia motrice. Essi si suddividono in: Giunti rigidi Giunti elastici Giunti articolati

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine I giunti rigidi sono adatti a rendere solidali due alberi perfettamente coassiali. Pertanto non consentono nessun movimento relativo fra gli alberi e nessun disallineamento fra di essi. I giunti elastici possono consentire piccoli disallineamenti assiali ed angolari fra gli alberi, dovuti al montaggio od al funzionamento, assorbendo anche gli eventuali urti angolari 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. I giunti articolati sono costruiti in maniera da consentire la trasmissione del moto e della coppia motrice fra alberi ad assi fra loro paralleli oppure incidenti.

I giunti articolati possono essere “omocinetici” oppure no. Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine I giunti articolati possono essere “omocinetici” oppure no. Sono omocinetici quelli che consentono un perfetto sincronismo fra il moto rotatorio dell’albero motore e dell’albero condotto. Cioè nei giunti omocinetici i due alberi, istante per istante, avranno la stessa velocità angolare.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Giunto rigido a dischi Esso è costituito essenzialmente da due dischi con mozzi calettati sui due rispettivi alberi e bloccati a mezzo di chiavette. I dischi sono poi collegati fra loro mediante dei bulloni. La centratura dei due dischi nella maniera più semplice viene realizzata attraverso un aggiustaggio cilindrico, fra una sporgenza cilindrica realizzata in un disco ed una cavità, anch’essa cilindrica, praticata sull’altro disco.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine In realizzazioni più elaborate, la centratura viene realizzata con un elemento a forma di anello in due pezzi, interposto fra i dischi, il quale anello consente con il suo smontaggio di disconnettere completamente i due dischi e quindi i due alberi, senza dovere scollegare i dischi dagli alberi.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Il disegno sottostante illustra i particolari di uno dei dischi costituenti il giunto e di metà dell’anello di centratura.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine In un giunto a dischi la trasmissione della coppia avviene per aderenza, su una corona circolare, distante dall’asse di rotazione al fine di incrementare il momento trasmissibile, per effetto della mutua pressione dei dischi dovuta al serraggio dei bulloni. Questi saranno sollecitati a trazione semplice. Si troveranno a lavorare a taglio esclusivamente a causa di uno scarso serraggio in fase di montaggio o per un improvviso incremento della coppia resistente che superi il momento massimo trasmissibile generato dalla forza complessiva di aderenza indotta fra i dischi. Giunto rigido a flange Questo si differenzia dal precedente esclusivamente per il fatto che i due dischi sono sostituiti da flange realizzate per fucinatura, con la deformazione plastica delle estremità degli alberi.

I due anelli vengono fatti scivolare sulla superficie conica esterna. Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Giunto ad anelli Uno dei giunti rigidi più semplici è il giunto ad anelli, chiamato anche giunto a “ manicotto ed anelli ”. Esso è costituito da un manicotto diviso in due gusci, semicilindrici all’interno e tronco-conici all’esterno, con conicità tra 1:40 e 1:25 . I due anelli vengono fatti scivolare sulla superficie conica esterna. A causa della conicità i due semigusci vengono fortemente spinti uno contro l’altro e pertanto esercitano una forte pressione sui due alberi, che sono collocati fra le superfici cilindriche interne.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine È evidente che le superfici piane dei due semigusci non dovranno mai venire a contatto in quanto, viceversa, la forza di serraggio provocata dagli anelli si tradurrebbe in una pressione mutua fra tali facce piane e non fra le superfici cilindriche interne e gli alberi. Questi, quindi, resterebbero disconnessi o sottoposti ad una pressione insufficiente a creare la necessaria forza tangenziale di aderenza che è quella che determina la trasmissione della coppia motrice. Per ragioni di sicurezza, vengono utilizzate delle linguette nei collegamenti alberi-manicotto, che sono deputate ad evitare lo slittamento del collegamento nel caso di difetto di montaggio o di sovraccarichi.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Giunto a gusci   Il giunto a gusci concettualmente non si discosta dal precedente giunto ad anelli. Esso, infatti, è costituito da un manicotto cilindrico sia all’interno che all’esterno, realizzato in due gusci che vengono premuti contro i due alberi mediante sei bulloni, inseriti in appositi fori praticati trasversalmente.

Il collegamento è completato con l’uso di linguette. Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Per ragioni di sicurezza, sia le teste dei bulloni, che sono quadrate, sia i dadi (esagonali) sono ospitati dentro apposite cave praticate nella parte cilindrica esterna dei manicotti, in maniera che risultino a scomparsa rispetto alla superficie esterna stessa. Per problemi di equilibratura, i bulloni sono disposti ai vertici di due triangoli ed hanno le teste posizionate tre in un semiguscio e tre nell’altro. Anche in questo caso la trasmissione della coppia è affidata alla forza tangenziale di aderenza che si sviluppa nell’aggiustaggio cilindrico albero-manicotto. Il collegamento è completato con l’uso di linguette.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Per motivi di sicurezza di quanti possano venire a contatto con le parti sporgenti rotanti (teste o dadi) sia pure incassati, a montaggio avvenuto, tutto il manicotto viene racchiuso da un cilindro in lamiera, che rende omogenea la superficie esterna in rotazione. Giunto Sellers   Esso è costituito da un manicotto cilindrico all’esterno con due superfici tronco-coniche, a vertici contrapposti, all’interno, con angolo di semiapertura di 12°. Dentro queste cavità tronco-coniche vengono inserite due bussole coniche con intaglio, fra loro contrapposte, che vengono spinte all’interno delle cavità mediante tre tiranti. Il funzionamento è analogo a quello delle bussole coniche di compressione.

delle estremità dei due alberi, che quindi vengono serrati. Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine La trazione sul gambo dei tiranti provoca lo scorrimento delle bus-sole all’interno delle cavità coniche e quindi la loro potenziale chiusura, che è impedita dalla presenza al loro interno delle estremità dei due alberi, che quindi vengono serrati. Anche in questo giunto la trasmissione di coppia avviene per aderenza. In questo caso viene usata una unica linguette di sicurezza impegnata sui due alberi.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Giunti elastici   I giunti elastici, a differenza di quelli rigidi, possono consentire piccoli disassamenti, anche angolari, agli alberi da collegare. Inoltre possono assorbire urti e brusche variazioni di velocità angolari dovuti ad improvvise variazioni della coppia motrice o resistente. Giunto a pioli   Questo è un giunto che somiglia a quello a dischi. In questo caso i dischi non sono combacianti e non sono serrati dai bulloni.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Al posto dei bulloni sono presenti dei pioli sporgenti da un disco e penetranti in fori dell’altro disco entro i quali sono posti degli elementi elastici. Sono in sostanza questi che consentono i piccoli disassamenti e l’assorbimento degli urti circonferenziali. Il giunto raffigurato a fianco è sostanzial-mente analogo al precedente.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Giunto Periflex Esso è costituito da due mozzi flangiati collegati fra loro da una “cuffia” di gomma con anima tessile, con sezione ad “Omega”, fissata ai due dischi mediante anelli e viti mordenti. Esso consente sensibili disallineamenti degli alberi ed assorbimento delle brusche variazione di coppia.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Giunto Giubo Il giunto Giubo è costituito fondamentalmente da un anello in gomma a forma poligonale. Ai vertici del poligono, sei oppure otto, sono incorporate nella gomma apposite parti metalliche forate destinate a consentire il passaggio dei gambi delle viti che serviranno a collegare l’anello con le restanti parti metalliche del giunto.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Queste sono costituite fa due flange o forcelle metalliche a tre o quattro bracci calettate, solitamente mediante collegamenti scanalati, alle estremità degli alberi. Le forcelle devono essere montate in maniera sfalsata affinché i bulloni che dovranno collegare queste all’anello in gomma siano alternativamente serrati all’una ed all’altra forcella.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Questo tipo di giunto elastico consente disallineamenti degli alberi sia angolari, sia longitudinali. Ha un ottimo effetto smorzante e funziona anche da parastrappi, assorbendo vibrazioni e brusche variazioni di coppia fra albero motore ed albero condotto.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Giunti ad elastomeri Questo tipo di giunti è costituito da due mozzi presentanti delle dentature frontali, calettati in varia maniera sulle estremità degli alberi. Nel montaggio, fra i denti dei due mozzi viene inserito un elemento in elastomero detto “stella”.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine La trasmissione di coppia avviene per ostacolo, per la pressione esercitata dai fianchi dei denti con l’interposizione dell’elemento elastico, il quale svolge le funzioni di smorzatore, minimizza le oscillazioni torsionali, assicura l’isolamento delle vibrazioni e l’isolamento elettrico fra le parti della macchina.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Giunti articolati I giunti articolati sono costruiti in maniera da consentire la trasmissione del moto e della coppia motrice fra alberi ad assi fra loro paralleli oppure incidenti. Giunto cardanico Il giunto cardanico è costituito da due forcelle calettate sulle due estremità degli alberi disposte su piani fra loro ortogonali e collegate da una “crociera”, elemento a forma di croce greca con quattro perni alle estremità.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine In giunti cardanici di grandi dimensioni, le articolazioni fra i perni della crociera e le forcelle sono provvisti di cuscinetti a rullini. Il giunto cardanico, pur avendo il vantaggio di consentire anche notevoli angoli di incidenza fra gli alberi, presenta il non trascurabile inconveniente di non essere “omocinetico” .

w2 = w1 ----------------- 1 - sen2 a cos2 f1 Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Infatti ad una velocità angolare w1 costante dell’albero motore, corrisponde una velocità angolare w2 dell’albero condotto variabile periodicamente, fra un valore massimo ed uno minimo, con periodo pari a p . Le due velocità risultano istantaneamente uguali quattro volte per ogni giro dell’albero motore. Chiamando a l’angolo formato fra gli assi dei due alberi, e f1 l’angolo di rotazione del primario, la velocità angolare w2 dell’albero condotto varia secondo la legge: cos a w2 = w1 ----------------- 1 - sen2 a cos2 f1

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Come mostra il grafico sottostante, l’ampiezza delle variazioni della velocità angolare dell’albero condotto rispetto a quella dell’albero motore è crescente con l’angolo a formato dagli alberi, che, nella pratica, si limita a 10° - 15° .

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Se si accoppiano due giunti cardanici in maniera che i due alberi e le due forcelle siano posizionati sullo stesso piano, formando inoltre con l’asse dell’albero intermedio angoli a1 e a2 uguali, le variazioni della velocità angolare si compensano istante per istante e pertanto l’albero motore e quello condotto risultano così omocinetici.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Se i due giunti cardanici sono disposti in maniera che i due alberi e le due forcelle siano posizionati sullo stesso piano, con gli assi geometrici dei due alberi paralleli, si verifica la medesima situazione di omocineticità. Giunto Oldhan Tale giunto consente di collegare due alberi ad assi paralleli, disassati anche di 20 mm, e si compone di tre elementi. Due di essi, a forma di mozzo flangiato, calettati solitamente con forzamento a freddo sulle estremità degli alberi, presentano scanalature frontali disposte a 90° fra di loro.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Il terzo elemento a forma di disco presenta due sporgenze frontali rettilinee sulle due facce, che vanno ad impegnarsi nelle scanalature realizzate sulle due flangette. Questo giunto può anche consentire disallineamenti an-golari di circa 0.5°, che possono arrivare in taluni casi fino a 3° . Il giunto Oldhan, che va utilizzato per basse velocità angolari ed è omocinetico, deve essere opportunamente lubrificato per ridurre gli attriti fra gli elementi coniugati in moto relativo fra di loro.

Giunto omocinetico Rzeppa Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Giunto omocinetico Rzeppa Il giunto omocinetico Rzeppa, realizzato da Alfred Rzeppa nel 1927, è composto da una campana, calettata su uno degli alberi da collegare, presentante una cavità sferica, all’interno della quale sono realizzate, su piani equatoriali, sei piste a sezio-ne semicircolare. L’altro albero presenta nella parte terminale un elemento anch’esso sferico, di diametro tale da essere contenuto all’interno della cavità sferica, ove va montato in posizione concentrica.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine Questo elemento sferico presenta sulla sua superficie uno stesso numero di piste a sezione semicircolare, disposte sui piani equatoriali, analoghe a quelle presenti all’interno della cavità sferica dell’altro pezzo. Fra le piste dei due elementi sferici sono collocate sei sfere di trasmissione tenute in posizione da una gabbia distanziatrice, conformata, sia all’interno, sia all’esterno, secondo superfici sferiche. Tutto il giunto è racchiuso da una cuffia in gomma per proteggere sia le piste sia le sfere e per contenere il grasso lubrificante necessario alla lubrificazione delle parti in moto relativo. Il meccanismo, che consente notevoli angoli di incidenza fra gli alberi, è idealmente riconducibile ad una coppia di ruote dentate coniche nelle quali i denti ingrananti siano sostituiti dalle sfere contemporaneamente inserite entro le piste semicircolari, della campana e dell’altro elemento sferico.

Corso di Modellazione Geometrica delle Macchine L’immagine animata, qui riprodotta da Wikipedia, illustra schematicamente il cinematismo del giunto Rzeppa e come, durante il funzionamento, le sfere rotolino mantenendosi sul piano bisettore degli assi dei due alberi, determinando l’omocineticità del giunto.