Il dimensionamento dei martinetti meccanici

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Descrizione, tipologie e dimensionamento dei martinetti meccanici

In svariate applicazioni industriali è necessario eseguire spostamenti lineari in presenza di carichi anche elevati. Per eseguire queste movimentazioni esistono diverse soluzioni tecniche (cilindri pneumatici, cilindri idraulici, motori lineari. ecc) con caratteristiche peculiari che si adattano a diverse esigenze e prestazioni richieste (velocità di traslazione, carico, frequenza di funzionamento, ecc.). In questo articolo focalizzeremo l’attenzione sui martinetti meccanici.

Descrizione

I martinetti meccanico sono dispositivi che consentono di trasformare un moto rotatorio in ingresso in uno lineare in uscita.

Il moto rotatorio in ingresso, che può essere generato manualmente tramite un volantino o con un motore elettrico, viene trasformato in moto lineare tramite un sistema a vite in cui una ruota dentata elicoidale, posta in rotazione tramite una senza fine, aziona la vite di manovra che realizza il moto lineare.

Esistono due tipologie di martinetti meccanici (figura 1):

  • a vite traslante
  • a vite rotante

Nei martinetti a vite traslante, la ruota elicoidale di azionamento presenta un foro filettato (madrevite) in cui viene inserita la vite che quindi trasla trasformando il moto rotatorio della ruota in moto lineare ed il carico è applicato direttamente al fusto della vite (figura 1a).

I martinetti a vite rotante hanno un funzionamento duale rispetto ai primi, ossia la vite di manovra è posta in rotazione mentre la madrevite, a cui è applicato il carico trasla (figura 1b).

I martinetti possono essere utilizzati singolarmente o in combinazioni multiple collegati tramite alberi, giunti e rinvii angolari.

A seconda del sistema di azionamento e controllo, i martinetti possono funzionare come semplici dispositivi in tiro e spinta, oppure come servomeccanismi in cui è possibile impostare e controllare la posizione di arresto. Rispetto ai cilindri pneumatici ed oleodinamici, i martinetti consentono arresti precisi e sicuri anche in posizioni intermedie della corsa senza la necessità di utilizzare particolari accorgimenti.

Per quanto riguarda la vite, questa nelle applicazioni più comuni è costituita da una filettatura trapezoidale, che consente l’irreversibilità del moto, cioè se viene applicato un carico alla vite questo viene sostenuto senza traslare.

Per applicazioni con altre prestazioni dinamiche si utilizzato viti a ricircolo di sfere, che migliorano anche la precisione ed il rendimento del dispositivo, ma non sempre garantiscono l’irreversibilità del moto per cui si rende necessaria l’applicazione di un motore con freno.

I martinetti meccanici sono lubrificati a grasso o a olio a seconda delle prestazioni e delle temperature di funzionamento richieste.

Il dimensionamento dei martinetti meccanici
Figura 1. Martinetto a vite traslante (a) e a vite rotante (b)

Dimensionamento

Per procedere al dimensionamento del martinetto, occorre innanzitutto definire i carichi applicati, che possono essere statici e/o dinamici e vengono classificati in sei tipologie:

  1. carichi in trazione
  2. carichi in compressione
  3. carichi laterali
  4. carichi eccentrici
  5. carichi derivanti da urti
  6. carichi derivanti da vibrazioni

I primi quattro sono sostanzialmente generati dal carico applicato e dalle prestazioni richieste (schematizzati in figura 2), mente i carichi derivanti da urti e vibrazioni dipendono anche dalle condizioni di funzionamento. Questi ultimi possono, in determinate condizioni, causare la reversibilità del moto della vite per cui occorre porre particolare attenzione in caso di funzionamento con forti urti o vibrazioni.

Figura 2. Carichi applicabili ad un martinetto

Definiti i carichi si può procedere con il dimensionamento del martinetto, la cui procedura può essere riassunta in sette passi:

  1. Definizione della corsa del martinetto

È il primo parametro da definire che consiste nello spostamento massimo che dovrà percorrere il martinetto.

  • Definizione del ciclo di carico e velocità di traslazione

Il ciclo di carico viene definito dall’andamento del carico in funziona della corsa dello stelo. Il ciclo di carico deve tenere conto anche dei carichi d’inerzia in caso la velocità di traslazione subisca elevate accelerazioni.

  • Definizione del fattore di servizio e delle condizioni ambientali

Il fattore di servizio è definito come il rapporto fra il tempo di lavoro e il tempo di sosta nel ciclo.

Le condizioni ambientali si riferiscono alla temperatura di funzionamento e alla tipologia di ambiente di lavoro: presenza di umidità, salinità, polverosità, ecc.

Le condizioni ambientali influiscono sul fattore di servizio. Solitamente viene definito un fattore di servizio standard ad una temperatura ambiente di riferimento, che verrà quindi modificato a seconda delle effettive condizioni di funzionamento, compatibilmente con le temperature minima e massima di funzionamento del martinetto. Gli estremi della temperatura di funzionamento possono essere aumentati intervenendo sui materiali di alcuni componenti e sul lubrificante.

Il fattore di servizio può essere aumentato realizzando il martinetto con accoppiamenti e rotismi ad alto rendimento (come viti a ricircolo di sfere) o impiegando un martinetto di taglia superiore, applicando di fatto un declassamento del medesimo.

Per condizioni operative diverse da quelle standard, si deve procedere con il calcolo del carico equivalente, cioè il carico che occorrerebbe applicare nelle condizioni standard per avere gli stessi effetti di usura e scambio termico che il carico reale genera nelle reali condizioni di utilizzo.

Il carico equivalente Pe può essere calcolato mediante la seguente formula:

Pe = P · Ct · Cs

dove P è il carico che agisce sullo stelo, Ct è il coefficiente di temperatura e Cs è il coefficiente di servizio, entrambi vengono definiti dal costruttore del martinetto.

  • Verifica a carico di punta

Se lo stelo del martinetto è sottoposto a un carico di compressione, ossia lavora in spinta, occorre eseguire la verifica ad instabilità elastica (carico di punta).

La verifica si può eseguire mediante il modello di Eulero o tramite opportuni diagrammi di verifica forniti dal costruttore.

Il valore del carico critico dipende dalle condizioni di vincolo del martinetto, che nella maggior parte dei casi possono essere semplificate con il modello della trave incastrata o della trave su carrello e cerniera.

  • Verifica ad eventuali carichi laterali

I carichi laterali sono la principale causa di malfunzionamento e danneggiamento dei martinetti per cui vanno possibilmente evitati.

I valori massimi ammissibili di carico laterale sono definiti dal costruttore e indicati a catalogo.

I carichi laterali possono essere generati oltre che dal tipo di carico applicato, anche da un montaggio errato, in questo caso occorre porre particolare attenzione sia in fase di progettazione che di montaggio.

Un montaggio orizzontale potrebbe generare carichi laterali dovuti alla flessione generata dal peso proprio dello stelo.

  • Verifica della velocità di rotazione critica della vite

Nei martinetti a stelo rotante con steli lunghi e sottili, è opportuno eseguire la verifica a velocità di rotazione critica.

La modalità di verifica a velocità critica è definita del costruttore e indicata nei cataloghi.

Se la velocità critica risultasse inferiore a quella richiesta per il funzionamento si potrebbe aumentare il diametro dello stesso, oppure utilizzarne uno a due principi con metà numero di giri.

  • Verifica ad eventuali carichi radiali su albero d’ingresso

Nel caso ci siano carichi radiali sull’albero di ingresso del martinetto (quello a cui è connesso il motore o il volantino) occorre verificare che questo rientrino nei limiti stabiliti dal costruttore.

Andrea Mura,Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale Politecnico di Torino

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