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Jan 31, 2024

Analisi dei giunti bullonati per il carico di serraggio e la sollecitazione del giunto

Figure 1. This screen capture shows FEA analysis of an automotive differential

Figura 1. Questa schermata mostra l'analisi FEA di un alloggiamento differenziale automobilistico sotto carico previsto. Come spesso accade, la sollecitazione maggiore è dovuta alla tensione dei bulloni (in questo caso agendo sui due fori filettati). Foto per gentile concessione del Centro ricerche Keweenaw

Questo grafico mette a confronto la pressione di contatto con la resistenza allo snervamento a compressione per una vite a testa esagonale e una vite a testa flangiata. Le regioni di pressione di contatto si basano sul presupposto di un carico uniforme pari al 75% del carico di prova minimo su aree di contatto di 0,18 e 0,52 pollici quadrati. Il bordo superiore e inferiore di ciascuna regione rappresenta la pressione esercitata rispettivamente da una vite di Grado 8 e di Grado 5. Fonte: Ingegneria di Peak Innovations

Queste scansioni di pellicola sensibile alla pressione mostrano la distribuzione della pressione sotto la testa di un bullone da ½ pollice tensionato a 5.000 libbre. Foto per gentile concessione di Peak Innovations Engineering

Queste foto di pellicole autoadesive mostrano la distribuzione della pressione sulla superficie del cuscinetto di un dado flangiato esagonale (in alto) e di viti a testa cilindrica flangiata esagonale di due diversi fornitori (al centro e in basso). Questo studio è stato intrapreso quando la vite flangiata esagonale utilizzata nella Figura 3 ha mostrato inaspettatamente una pressione concentrata sul bordo del foro passante anziché sul diametro esterno della flangia. Foto per gentile concessione di Peak Innovations Engineering

Questo grafico illustra il problema del carico di serraggio irregolare mostrando la distribuzione della pressione su due cilindri (2,25 pollici di diametro e 2 pollici di lunghezza) bloccati da una vite e un dado da ½ pollice-13. Anche a questo spessore, la pressione di picco è ancora maggiore del 40% rispetto a quanto previsto dividendo la tensione del bullone per l'area di contatto sulle facce del giunto. Grafico per gentile concessione di Peak Innovations Engineering

Questa analisi FEA mostra lo stress nelle filettature delle viti accoppiate. Fonte: "Analisi delle sollecitazioni dei giunti bullonati", László Molnár, et. al.

Figura 7. Questo grafico riassume l'impegno stimato della filettatura rispetto al diametro nominale del dispositivo di fissaggio per una serie di materiali comuni per gli elementi del dado. Foto per gentile concessione di Peak Innovations Engineering

Molte considerazioni importanti nello sviluppo dei giunti bullonati vengono spesso trascurate. Sebbene la stima della tensione del bullone ottenuta per una determinata strategia di serraggio sia certamente un obiettivo comune, l’effetto del carico sui componenti del giunto è discusso e compreso meno completamente.

Uno dei motivi per cui gli elementi di fissaggio filettati sono così ampiamente utilizzati è che possono generare un'enorme quantità di carico di serraggio in una piccola area. Il carico di serraggio è centrale perché è il meccanismo mediante il quale i componenti del giunto sono tenuti insieme senza spostarsi l'uno rispetto all'altro, probabilmente il requisito principale di un giunto strutturale. Tuttavia, posizionare un carico elevato su una piccola area crea un elevato livello di stress che, a sua volta, può portare a problemi. Ad esempio, un bullone da ½ - 20 di grado 8 può fornire quasi 20.000 libbre di carico di serraggio. Una testa esagonale standard che poggia su un foro di gioco standard da 9/16 pollici significa che tutto quel carico agirebbe su un'area grande solo la metà di una monetina. Lo stress risultante supera la resistenza allo snervamento della maggior parte dei materiali. Un'analogia è l'effetto che i tacchi a spillo possono avere sui pavimenti in legno.

Questo articolo esaminerà l'impatto della tensione del bullone sulle due aree opposte su cui è distribuito il carico: sotto la testa o il dado e nelle filettature accoppiate. Ad esempio, la Figura 1 mostra un'analisi agli elementi finiti (FEA) di un alloggiamento del differenziale automobilistico. Come spesso accade, le sollecitazioni maggiori agiscono sui fori filettati.

Ad eccezione del mancato test per determinare la tensione del bullone e il conseguente carico di serraggio, il superamento della resistenza allo snervamento a compressione del materiale sotto la testa del bullone o il dado è la deviazione più comune dalla pratica di progettazione consigliata. L'obiettivo più comune per il serraggio dei bulloni è raggiungere il 75% del carico di prova del bullone. Utilizzando una vite a testa esagonale da ½-13 a scopo illustrativo, la Figura 2 riassume la pressione che verrebbe generata dalla tensione del bullone sul materiale di accoppiamento, presupponendo un foro con spazio standard da 9/16 pollici. Quindi confronta tale pressione con la resistenza allo snervamento a compressione stimata dei comuni elementi di bloccaggio in acciaio con un intervallo di durezza.