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Giunto idraulico

Un giunto idraulico è un’unità di trasmissione idrocinetica che permette di variare la velocità relativa tra tra motore e cedente, costituita da tre elementi principali:

1. girante (pompa) di comando montato sull’albero di ingresso;
2. girante (turbina) comandato montato sull’albero di uscita;
3. copertura, angiata sul girante di uscita, con tenuta ad olio.

I primi due elementi possono funzionare sia come pompa sia come turbina. Il girante funge da pompa centrifuga e da turbina idraulica.

Con un motore collegato in ingresso sulla pompa (ad esempio un motore elettrico o motore Diesel), l’energia cinetica viene impartita sull’olio nel giunto. L’olio si sposta per mezzo della forza centrifuga tra le pale della turbina verso l’esterno del giunto. Ciò assorbe l’energia cinetica e sviluppa una coppia che equivale sempre alla coppia di ingresso, determinando così la rotazione dell’albero di uscita.

Vantaggi del giunto idraulico

• facilita l’avviamento accelerando gradualmente la macchina operatrice;
• adegua automaticamente la velocità del carico alla velocità di sincronismo di due o più motori;
• protegge gli organi della trasmissione da sovraccarichi;
• assorbe le vibrazioni torsionali;
• limita la coppia trasmessa a valori prestabiliti;
• consente l’impiego di motori elettrici in corto circuito, facendo a meno di avviatori stella-triangolo e di motori ad anelli con reostato;
• l’usura è praticamente nulla poiché non vi sono contatti meccanici.

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Giunto meccanico

I giunti meccanici consentono di collegare due alberi trasmettendo potenza dall’uno all’altro. Gli alberi da collegare possono essere coassiali, o concorrenti o sghembi. Il caso più frequente è quello di alberi teoricamente coassiali: la coassialità è infatti alterata dalle imperfezioni tecnologiche di lavorazione e di montaggio e dalle deformazioni elastiche degli alberi da collegare e dei loro appoggi.

Esse provocano, infatti, disallineamenti di varia natura che sono detti assiali se gli alberi si avvicinano o si allontanano, paralleli se gli alberi da collegare si mantengono paralleli anche se non coassiali, ed angolari se gli alberi diventano concorrenti.

La classificazione dei giunti può essere fatta con riferimento ai gradi di libertà che il giunto consente agli alberi da collegare. Si distinguono così:

• giunti fissi;
• giunti mobili, con libertà assiale, radiale, angolare;
• giunti con corpo deformabile (o elastici).

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Giunti fissi

I giunti fissi assicurano un accoppiamento rigido dei due alberi da collegare, evitando ogni spostamento relativo. Gli alberi debbono perciò essere perfettamente coassiali (nell’ambito delle tolleranze) e rigidi, altrimenti sui cuscinetti vengono ad agire sollecitazioni alternate, anche molto grandi, che possono portare rapidamente alla distruzione, prima degli appoggi, poi della macchina. Inoltre, con questo tipo di giunto, uno dei due alberi deve essere libero assialmente; per l’altro deve essere previsto un vincolo allo scorrimento assiale.

Il tipo più semplice di giunto fisso è quello a bussola inchiavettata. Fra i suoi vantaggi sono la semplicità, il basso costo, l’elevata resistenza, le ampie tolleranze nel posizionamento assiale relativo dei due alberi e la possibilità di usare la bussola come puleggia per un eventuale azionamento a cinghia. Fra gli svantaggi, il fatto che l’allineamento dei due alberi è difficile se essi non sono dello stesso diametro; la scarsa equilibratura; le difficoltà di montaggio e smontaggio legate alla presenza delle chiavette.

Nel manicotto flangiato ordinario le flange possono essere montate sugli alberi a freddo (con la pressa) o a caldo; per aumentare la coppia trasmissibile, può essere previsto un collegamento con chiavetta. Il moto è trasmesso da una flangia all’altra per attrito e ciò evita l’uso di bulloni rettificati e la necessità di fori alesati e posizionati con precisione; i bulloni sono sollecitati solo da forza normale, anziché da taglio, e risultano tutti ugualmente sollecitati. Fra i vantaggi sono l’elevata robustezza e l’ingombro assiale limitato; fra gli svantaggi la necessità di produrre uno spostamento assiale di uno degli alberi per effettuare lo smontaggio.

Fra i giunti fissi si possono annoverare anche alcuni tipi di dispositivi limitatori di coppia (o di sovraccarico); essi permettono la trasmissione di un movimento rotatorio fra due alberi, purché la coppia resistente non superi un prefissato valore, e sono in generale adottati quando è possibile che l’albero condotto venga improvvisamente a bloccarsi.

Il giunto a spina è il mezzo più semplice ed economico di protezione dai sovraccarichi, anche se non è raccomandabile in via generale sia perché poco sensibile, sia perché, ovviamente, richiede che la spina sia sostituita dopo la rottura. Vi è anche il pericolo che l’utente tenda a sostituire la spina originale, di materiale tenero e con intaglio, con spine cilindriche e di materiale più resistente, rendendo con ciò praticamente inutile il meccanismo.

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Giunti mobili

I giunti mobili assicurano un collegamento permanente, ma non fisso, fra i due alberi da collegare. A seconda del movimento relativo consentito fra i due alberi si distinguono giunti mobili:

• a libertà torsionale;
• a libertà assiale;
• a libertà radiale;
• a libertà angolare.

Giunti mobili a libertà torsionale

I giunti mobili a libertà torsionale sono anche noti come meccanismi limitatori di coppia (o di sovraccarico). Per piccoli carichi si possono usare giunti con sfere caricate da molle. I giunti con superfici d’attrito trasmettono la coppia per effetto dell’attrito radente esistente fra le superfici combacianti compresse da molle. Tali superfici sono ricoperte da guarnizioni dello stesso tipo di quelle utilizzate nei freni.

In presenza di sovraccarico, le superfici d’attrito slittano l’una rispetto all’altra; la differenza fra la potenza in ingresso e la potenza in uscita è dissipata sotto forma di calore. La condizione più gravosa si ha quando l’albero d’uscita è arrestato totalmente.

In condizioni di strisciamento, la temperatura sale rapidamente e le superfici d’attrito si distruggono, a meno che non sia predisposto un dispositivo di allarme o di disinnesto automatico.

Il giunto limitatore di coppia dovrebbe essere montato sulla macchina in posizione tale da evitare che le guarnizioni debbano subire variazioni rilevanti di temperatura, infiltrazioni di umidità e contaminazioni di lubrificante. Quando il giunto sia usato di rado, conviene periodicamente provocarne il funzionamento, per assicurarsi che esso abbia a funzionare in caso di necessità.

Giunti mobili a libertà assiale

Permettono uno spostamento relativo in direzione assiale, pur mantenendo un legame permanente inalterato fra le parti.
Una certa libertà di movimento assiale è necessaria quando si connettano fra loro unità tipizzate acquistate in commercio. Esse, infatti, sono necessariamente progettate in modo che ogni unità contenga un cuscinetto che resista agli spostamenti assiali dell’albero: è questo, ad esempio, il caso dei motori elettrici, dei riduttori ad ingranaggi, delle pompe, eccetera.

In queste condizioni (a differenza del caso delle macchine progettate «ad hoc» che possono quindi avere un solo cuscinetto assiale), la presenza di due cuscinetti assiali che vincolano uno stesso albero richiede la messa in opera di un giunto che possa assorbire la dilatazione assiale.

I giunti mobili a libertà assiale servono anche per compensare le dilatazioni nelle trasmissioni che contengono alberi molto lunghi. Sono composti da due manicotti ciascuno dotato di sporgenze prismatiche: un anello, serrato in un manicotto e libero nell’altro, provoca il loro centramento.

Particolarmente importanti sono i giunti a dentature bombate. Essi sono adatti ad assorbire soprattutto disallineamenti assiali, ma vengono normalmente costruiti con un certo gioco, in modo da poter tollerare anche un piccolo disallineamento di tipo angolare. La rotazione è trasmessa, per mezzo della dentatura, dall’albero di ingresso (con dentatura esterna) al manicotto (con dentature interne), e da questo all’albero d’uscita (con dentatura esterna). Le dentature sono bombate, cioè dotate di curvatura sia superiormente, sia lateralmente, in modo da poter subire disallineamenti angolari, dell’ordine dei 0,05 rad (circa 3°) per modelli tipizzati, e fino a 0,2 rad (= 12°) per unità speciali.

Giunti mobili a libertà radiale

Questo tipo di giunto permette la trasmissione di un moto di rotazione fra due alberi i cui assi siano soggetti ad un piccolo disallineamento che mantiene gli alberi paralleli.

Molto noto è il giunto di Oldham; esso trasmette in uscita, senza variazioni istantanee, la velocità applicata in ingresso. Il funzionamento di questo giunto risulta corretto qualunque sia la distanza fra gli assi, purché i dischi abbiano dimensioni sufficienti per mantenere il collegamento.

Però, se debbono essere consentiti scostamenti notevoli fra gli alberi, il giunto assume dimensioni assiali ingombranti, anche se si adottano disposizioni costruttive più convenienti, riducendo i corpi ai loro elementi essenziali, cioè alle guide prismatiche. Inoltre il disco intermedio (il cui centro descrive una circonferenza di diametro pari al disallineamento parallelo) è soggetto a forze centrifughe, che possono assumere valori notevoli se gli alberi ruotano velocemente e se la loro distanza è grande.

Al crescere della distanza fra gli alberi cresce l’entità del lavoro perduto per strisciamento nelle coppie prismatiche. Il giunto di Oldham può essere realizzato con grande precisione ed è pertanto adatto anche per strumentazione. Il gioco assiale deve essere limitato e perciò questo giunto non può, in generale, servire come giunto di dilatazione, anche se è usato a tal fine in talune macchine utensili aventi alberi piuttosto corti.

Giunti mobili a libertà angolare

Consentono l’accoppiamento e, quindi, la trasmissione del moto fra assi concorrenti. Si definisce angolo del giunto l’angolo acuto individuato dagli assi degli alberi di ingresso e di uscita.

I giunti sono detti universali se il trasmettono moto rotatorio fra due alberi aventi assi concorrenti permettendo di variare l’angolo fra gli assi. Si distinguono giunti universali con rapporto di trasmissione istantaneo variabile e giunti universali con rapporto di trasmissione istantaneo costante. Questi ultimi sono detti giunti omocinetici. La variazione del rapporto di trasmissione nei giunti non omocinetici è funzione dell’angolo formato fra gli assi ed è zero quando gli assi sono allineati. Il valor medio del rapporto di trasmissione (sul giro) è unitario.

Fra i giunti universali a velocità di uscita variabile, il più noto è il giunto cardanico, detto anche giunto di Hooke. Esso consta di due forcelle, solidali con gli alberi da collegare, e di un elemento intermedio, detto crociera, i cui bracci sono accoppiati ai bracci delle forcelle con coppie rotoidali. Il giunto cardanico non è omocinetico.

Due giunti cardanici in serie collegati da un albero intermedio possono dar luogo ad un comportamento omocinetico. A tal fine occorre tenere presente che:

• le due forcelle dell’albero intermedio siano montate simmetricamente;
• i due giunti cardanici siano inclinati dello stesso angolo rispetto all’asse intermedio. Dal punto di vista dell’utilizzazione, si raccomanda che l’angolo del giunto sia inferiore ai 15°. Angoli fino a 45° possono essere usati per comandi a mano o per funzionamento a bassissime velocità. Dal punto di vista costruttivo, va ricordato che i perni della crociera possono essere montati su cuscinetti a rotolamento, evitando così il contatto di strisciamento. Giunti universali cardanici tipizzati sono disponibili, sul mercato, per vasti campi di applicazione.

I giunti universali omocinetici possono essere realizzati costruttivamente con tipologie assai diverse. Nel giunto Bendix-Weiss, in cui il moto è trasmesso da un albero all’altro tramite quattro sfere disposte in apposite cave degli alberi. Tale tipo di giunto ha trovato, ad esempio, applicazione per le ruote motrici di autoveicoli a trazione anteriore, permettendo angoli di sterzatura fino a 37°.

Il giunto Rzeppa prevede gole a sezione circolare orientale in direzione meridiana. Poiché in questo caso le sfere potrebbero incunearsi, impuntandosi, ed essere espulse dalle gole, è necessaria la presenza di una gabbia, che si fa sferica. Gli angoli di giunto possono raggiungere 0,8 rad (45°). Anche per questo motivo tale tipo di giunto è molto diffuso.

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Giunti deformabili (elastici)

I giunti deformabili (o elastici) assicurano il collegamento fra due alberi permettendo nel contempo piccoli spostamenti relativi, costanti o variabili. La possibilità di realizzare tali piccoli spostamenti relativi è affidata alla presenza di un corpo deformabile, in modo teoricamente elastico.

Si possono distinguere i seguenti tipi di deformabilità: torsionale, assiale, radiale ed angolare, avendo tali termini il significato consueto. La deformabilità torsionale permette di ridurre le coppie d’inerzia connesse a variazioni brusche della velocità angolare; le deformabilità assiale, radiale ed angolare evitano, almeno in parte, di scaricare sugli appoggi i sovraccarichi derivanti da difetti di posizionamento relativo degli alberi.

I giunti elastici consentono quindi il collegamento fra alberi che abbiano disallineamenti dello stesso tipo di quelli esaminati nel caso di giunti mobili, ma contenuti entro limiti quantitativi assai più modesti.

Il corpo deformabile può essere metallico: ne derivano vari differenti tipi. Si possono citare gli alberi flessibili, i giunti a nastro d’acciaio, i giunti a molle elicoidali.

Gli alberi flessibili sono molto usati per trasmissioni a bassa potenza, come nel caso di tachimetri, contagiri, dispositivi di posizionamento, molatrici portatili, eccetera, cioè in tutti quei casi in cui si desidera poter assorbire grandi disallineamenti di qualsiasi tipo; talora sono invece usati semplicemente per ridurre la complessità di realizzazione della trasmissione. La guaina esterna che protegge l’albero flessibile trattiene il lubrificante ed impedisce all’albero stesso di urtarsi e di avvolgersi su di esso.

La coppia trasmissibile degli alberi flessibili dipende soprattutto dal verso di rotazione e dal raggio minimo di curvatura dell’albero flessibile. I dati forniti dai cataloghi si riferiscono alla rotazione nella direzione di avvolgimento degli avvolgimenti più esterni: la capacità di coppia, per rotazione in verso opposto, può ridursi al 50-80% del valore precedente.

I giunti a nastro d’acciaio contengono una molla a serpentina inserita in scanalature con fianchi non paralleli, di guisa che, al crescere della deformazione, cresca progressivamente la rigidità torsionale, perché viene a diminuire la lunghezza libera della molla. Si ha un’ampia tolleranza per spostamenti in direzione assiale; la libertà radiale varia intorno a 1,5-3 mm e la libertà angolare da 0,00875 a 0,0175 rad (da 30′ a 1°).

Nei giunti a molle elicoidali queste sono disposte tangenzialmente, appoggiate ad opposti risalti dei due elementi terminali degli alberi. Questi giunti sono usati per minimizzare la propagazione di urti o per alterare le caratteristiche di vibrazione torsionale di una trasmissione. Fra le applicazioni si possono ricordare trasmissioni di locomotori, frizioni degli autoveicoli, giunti fra il riduttore e l’albero portaelica di imbarcazioni con motore Diesel, eccetera.

In altri numerosi tipi di giunto l’elemento deformabile non è metallico, ma è di gomma o di resina sintetica.