Teste di avvitatura: caratteristiche e progettazione

Nella produzione industriale in serie, molto spesso, è necessario eseguire serraggi di viti posizionate in punti difficilmente raggiungibili. Queste avvitature diventano critiche nel momento in cui si volesse utilizzare un sistema di avvitatura moderno (in cui viene eseguito in controllo ci coppia e/o posizione, con relativo controllo di qualità), essenzialmente perché se pur molto compatti questi dispositivi hanno ingombri non paragonabili agli utensili manuali. Occorre quindi utilizzare opportuni accessori (teste di avvitatura) da montare sull’avvitatore, che vengono appositamente progettate per la specifica applicazione.

Teste di avvitatura: caratteristiche costruttive e progettazione assistita

Nella pratica industriale esistono diverse applicazioni in cui risulta difficile eseguire avvitature mediante i normali avvitatori, per cui è necessario utilizzare in aggiunta un’opportuna testa di avvitatura. I principali casi in cui si pone questo problema sono:

  • Spazi ridotti: la giunzione è caratterizzata da uno spazio sopra-testa insufficiente per ospitare l’avvitatore ed eseguire l’avvicinamento assiale o in generale si trova in una posizione difficile da raggiungere.
  • Viti forate: nell’avvitatura delle viti forate utilizzate per il bloccaggio dei tubi, l’avvicinamento non può avvenire assialmente ed un classico avvitatore con bussola non può essere utilizzato.
  • Avvitature multiple: giunzioni bullonate composte da più bulloni che è preferibile serrare contemporaneamente.

In tutti questi casi, se non si vuole rinunciare ai molti benefici degli avvitatori elettronici è necessario interporre un componente di rinvio del moto tra l’avvitatore ed il bullone che ci permetta di sopperire alle difficoltà sopracitate. Questo componente prende il nome di testa di avvitatura e nella quasi totalità dei casi è costituito da un rinvio ad ingranaggi opportunamente progettato per le diverse esigenze. Le teste di avvitatura, o geared offset attachment, sono dei dispositivi aggiuntivi dei sistemi di avvitatura.

Vengono progettate con lo scopo di utilizzare gli avvitatori, principalmente elettrici, anche nelle condizioni particolari descritte in precedenza.

Spesso le problematiche di ingombro nell’assieme di destinazione sono specifiche di ogni singolo caso, la progettazione deve quindi partire dai limiti di ingombro del caso specifico e cercare una soluzione in accordo con il carico che il componente deve trasferire cioè la coppia di serraggio del bullone. La testa viene così progettata per la specifica applicazione e prodotta in serie limitata, soprattutto in quei casi in cui gli ingombri sono molto restrittivi (o particolari) e/o la coppia da trasferire è elevata.

In molti altri casi le specifiche sugli ingombri permettono l’utilizzo di componenti standard prodotti in serie e dal costo più accessibile. Alcune aziende, che hanno fatto di questi dispositivi uno dei loro business principali, forniscono cataloghi con moltissimi prodotti di serie con ingombri assai diversi e coppie trasferibili dai 5 ai 500 Nm.

Testa di avvitatura, esempio di applicazione

Questo può darci un’idea della dimensione di mercato per questi dispositivi, esiste una certa richiesta dai settori della produzione, e ancora una volta, quelli maggiormente interessati sono il settore automobilistico ed aeronautico in cui a dare origine alla richiesta sono gli assiemi complessi e le necessità di utilizzare avvitatori moderni.

Le testine sono costituite generalmente dagli stessi quattro elementi principali:

  1. Ruote. La trasmissione del moto è affidata ad un treno di ruote dentate con rapporto di trasmissione totale unitario. La ruota di ingresso ospita assialmente un quadro per agganciarsi all’avvitatore mentre quella di uscita presenta un foro opportunamente sagomato per impegnarsi con il dado esagonale da serrare.
  2. Rullini. Spesso non si dispone di sufficiente spazio per adoperare dei cuscinetti di serie così per le ruote oziose (quelle intermedie) si ricorre all’utilizzo di rullini interposti tra il raggio interno della ruota ed il perno centrale.
  3. Perni. Supportano le spinte generate sulle ruote e trasferite ad essi tramite i rullini.
  4. Piastre. Superiore e inferiore, tipicamente simmetriche, insieme costituiscono l’involucro esterno della testina. Si impegnano con tutti i perni, devono sostenere la rotazione delle ruote di ingresso ed uscita e devono accoppiarsi rigidamente con l’avvitatore.

Le testine hanno solitamente valori bassi del coefficiente di efficienza η inteso come rapporto tra la coppia in uscita COUT e quella in ingresso CIN. La ragione sta nella necessità di ridurre al minimo gli ingombri. Le perdite sono concentrate quasi totalmente sui cuscinetti ma altri fattori possono intervenire a modificarne il valore.

teste di avvitatura
Testa di avvitatura standard

Nell’ottica dell’accoppiamento con l’avvitatore è fondamentale definire il coefficiente di efficienza e calibrare di conseguenza la lettura del trasduttore di coppia: l’avvitatore esegue il controllo di coppia sulla base della coppia resiste letta dal trasduttore, se non forniamo l’informazione riguardo le resistenze aggiuntive introdotte dal rinvio il processo di avvitatura ne risulterà falsato e concluso ad una coppia di serraggio inferiore rispetto a quella nominale. Inoltre, per garantire anche la correttezza della lettura dell’angolo di rotazione è opportuno mantenere il rapporto di trasmissione totale unitario.

Le tipologie principali di teste di avvitatura rispecchiano le tre categorie di problema viste in precedenza. Possiamo quindi identificare tre modelli principali:

1. Standard

È la categoria più comune di testine composta da rinvii a sviluppo lineare. Vengono generalmente utilizzate per raggiungere bulloni che si trovano in posizioni scomode. Hanno l’efficienza migliore fra tutte e nelle versioni comuni non hanno più di sette ruote.

Se le dimensioni lo permettono spesso si utilizzano ruote oziose maggiorate in modo da poter avere perni più grossi ed un assieme più rigido. In questi casi le ruote di ingresso ed uscita sono comunque identiche per garantire il rapporto di trasmissione unitario.

teste di avvitatura
Testa di avvitatura aperta

2. Aperte

Vengono utilizzate per serrare le viti forate come quelle per il serraggio dei tubi freno. Hanno la particolarità di avere la ruota di uscita aperta, lo scopo è quello di permettere un primo avvicinamento radiale per posizionarsi assialmente al giunto senza interferire non il tubo.

Data la mancanza di un settore della dentatura nell’ultima ruota, per garantire il moto, è necessario che questa si accoppi con due oziose opportunamente posizionate. Inoltre, per permettere lo sfilamento a serraggio concluso è necessario predisporre un meccanismo di ritorno alla posizione iniziale della ruota.

3. Multiple

Permettono il serraggio contemporaneo di giunzioni multiple utilizzando un unico avvitatore. La loro geometria deve rispecchiare esattamente la posizione delle singole giunzioni e le perdite tra la ruota motrice e le singole ruote di uscite devono essere bilanciate.

Specifiche di progetto delle teste di avvitatura

Le specifiche progettuali di una testa standard riguardano essenzialmente tre aspetti:

1. Caratteristiche geometriche

Alcune grandezze geometriche bastano a caratterizzare gli ingombri utili del componente. Se lo scopo è quello di raggiungere posizioni con spazi ridotti ad interessare sono principalmente gli ingombri della parte estrema cioè raggio di testa e spessore.

A queste si aggiungono: interasse tra la prima e l’ultima ruota, larghezza e spessore massimi del corpo e dimensione della chiave esagonale. Tutte le altre grandezze non sono soggette a particolari vincoli e saranno derivate dagli ingombri del treno di ruote che verrà progettato come primo elemento.

2. Capacità di carico

Per capacità di carico si intente la massima coppia trasferibile al bullone.

La trasmissione dentata deve essere al più in grado di trasferire la coppia di serraggio richiesta per la specifica giunzione bullonata. Dunque, sulla base di questa coppia nominale viene dimensionata la ruota di uscita con un dato coefficiente di sicurezza statica. A causa dei fenomeni di attrito la coppia richiesta all’avvitatore è sensibilmente maggiore di quella nominale, così è necessario identificare i carichi agenti sulle singole ruote e dimensionarle di conseguenza.

3. Prestazioni

Le prestazioni del componente si possono sintetizzare in primis nel coefficiente di efficienza ma occorre prestare attenzione anche ai livelli di accuratezza richiesti dalla specifica avvitatura. Come vedremo la testina introduce delle azioni di attrito con un comportamento non lineare che possono peggiorare l’accuratezza e la ripetibilità del sistema di avvitatura complessivo. In fase di definizione del progetto bisogna dunque definire il grado target di accuratezza e verificare il comportamento del componente una volta realizzato.

Tab. 1 – Specifiche di progetto delle teste di avvitatura

Ingombri Capacità di carico Prestazioni
Raggio e spessore di testa Coppia nominale di serraggio Coefficiente di efficienza minimo
Interasse totale Coefficiente di sicurezza statica minimo Classe di performance da rispettare
Dimensione della chiave esagonale

 

Trovare la soluzione ottimale che rispetti le specifiche dell’applicazione a volte non è semplice. La ragione principale è che il rapporto tra la capacità di carico e l’ingombro della trasmissione ad ingranaggi, se pure migliorabile tramite alcune soluzioni tecniche, è comunque limitato. Gli aspetti principali che permettono il raggiungimento degli obiettivi di progetto riguardano la progettazione del treno di ingranaggi e dei cuscinetti.

Inoltre, una progettazione approssimativa può facilmente provocare il mancato raggiungimento dei target di prestazione.

Cortesia foto: Miba s.r.l.
Gli Autori
Alberto Gambino, Andrea Mura – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale – Politecnico di Torino

Adolfo Lorenzi – Miba s.r.l.