Perché un giunto bullonato serrato alla coppia giusta si allenta lo stesso?

Una vite serrata bene, ma il giunto si allenta comunque

Capita spesso in un banco prova o in un impianto in esercizio: un collegamento bullonato serrato con la chiave dinamometrica al valore prescritto, e dopo qualche settimana di vibrazioni la vite risulta lenta. Il tecnico rifà il giro di serraggio, il problema si ripresenta qualche settimana dopo. La causa quasi mai è un errore di lettura della chiave: è che la coppia di serraggio non è la grandezza che tiene insieme il giunto.

A tenere il giunto è il precarico, cioè la forza di trazione generata nel gambo della vite quando viene serrata. La coppia è solo il mezzo con cui quella forza viene applicata, e il rapporto tra le due grandezze dipende da variabili che in officina cambiano da un serraggio all'altro.

Coppia e precarico non sono la stessa cosa

La relazione approssimata è T = K × F × d, dove T è la coppia, F il precarico, d il diametro nominale della vite e K un coefficiente che racchiude l'attrito sotto la testa e nel filetto. Il problema è che K non è una costante: varia con la finitura superficiale, la presenza di lubrificante, lo sporco, persino con quante volte quella vite è già stata serrata e allentata.

Su un lotto di viti nominalmente identiche, K può oscillare del 25-30% tra un pezzo e l'altro anche con lo stesso valore di coppia applicato. Significa che due viti serrate alla stessa coppia possono avere precarichi molto diversi: una sottodimensionata rispetto al carico di esercizio, l'altra vicina allo snervamento. Per giunti critici — mozzi ruota, attacchi motore, staffe soggette a vibrazione continua — affidarsi solo alla coppia è un rischio che vale la pena eliminare già in fase di progetto.

Cosa succede se il precarico è quello sbagliato

Un precarico insufficiente e uno eccessivo portano a guasti diversi, ma entrambi finiscono in rilavorazione o, peggio, in un cedimento in campo.

• Precarico basso: il giunto si separa sotto carico dinamico, la vite lavora a fatica invece che a trazione statica e si rompe anche se il materiale è di classe adeguata
• Precarico basso con vibrazioni trasversali: si innesca l'autoallentamento (fenomeno di Junker), la vite ruota di pochi gradi a ogni ciclo finché perde tenuta
• Precarico eccessivo: la vite lavora vicino al carico di snervamento, basta un piccolo sovraccarico in esercizio per superare il limite elastico
• Assestamento (embedding): nelle prime ore di esercizio le microasperità tra le superfici si schiacciano, il precarico cala anche del 10% senza che nessuno abbia toccato la vite

Come si progetta un giunto che non richiede manutenzione ogni mese

Il dimensionamento serio parte dal carico di esercizio, non dal diametro che "si è sempre usato" su quel tipo di staffa.

• Calcolo del precarico target in funzione del carico esterno e del fattore di sicurezza richiesto dall'applicazione, non da una tabella generica
• Scelta della classe di resistenza della vite (8.8, 10.9, 12.9) in base al precarico necessario, evitando di sovradimensionare il diametro quando basterebbe una classe superiore
• Verifica della lunghezza di impegno del filetto: in un foro filettato su alluminio serve un impegno di almeno 1,5-2 volte il diametro della vite, altrimenti si strappa il filetto prima di raggiungere il precarico
• Per giunti critici, serraggio a controllo d'angolo (torque-to-yield o torque+angle) invece del solo valore di coppia, oppure misura diretta dell'allungamento della vite
• Rondelle Nord-Lock o frenafiletti strutturale dove le vibrazioni sono continue: una rosetta elastica normale non impedisce l'autoallentamento, nonostante la convinzione diffusa in officina

Un calcolo da fare al tavolo da disegno, non in campo

Su una staffa custom o un'attrezzatura di bloccaggio destinata a lavorare in vibrazione continua, questo calcolo non è un dettaglio da lasciare all'esperienza del montatore: è una verifica che va fatta prima di tagliare il primo pezzo. È il tipo di controllo che in CPPrototype entra nella fase di progettazione di staffe e attrezzature custom, insieme alla scelta di materiali e trattamenti — perché un giunto che tiene al banco prova ma si allenta dopo tre mesi in campo costa molto più di un calcolo fatto bene all'inizio.