Giunti elastomerici: come funzionano, tipi e guida alla selezione

Che cos'è un accoppiamento elastomerico

Spremete un blocco di poliuretano tra due ganasce d'acciaio, fissatelo su una coppia di alberi e avrete il nucleo funzionante di un giunto elastomerico. Il design sembra quasi troppo semplice per il lavoro industriale, eppure questi giunti trasportano abitualmente centinaia di newton metri di coppia su pompe, ventole e nastri trasportatori 24 ore su 24.

Un giunto elastomerico collega due alberi rotanti utilizzando mozzi metallici su entrambe le estremità e un elemento flessibile non metallico, solitamente in gomma o poliuretano, inserito tra di loro. L'elastomero svolge tre funzioni contemporaneamente: trasporta la coppia dall'albero motore all'albero condotto, si flette per assorbire piccole quantità di disallineamento dell'albero e ammortizza la trasmissione da vibrazioni e carichi d'urto. Questa combinazione è il motivo per cui i design elastomerici dominano le connessioni motore-pompa e motore-ventola per uso generale, dove l'allineamento perfetto dell'albero è raramente pratico e un po' di tolleranza incorporata salva i cuscinetti.

Come i giunti elastomerici trasmettono la coppia

In questi giunti la coppia non passa attraverso il contatto metallo-metallo: passa attraverso l'elastomero e il modo in cui lo fa divide la categoria in due famiglie.

Disegni caricati a compressione , come i giunti a mascella e a ragno, comprimere l'elemento flessibile tra le alette ad incastro su ciascun mozzo. Mentre il mozzo motore ruota, le sue alette premono contro i lobi del ragno, che a loro volta spingono contro le alette del mozzo condotto. L'elemento non viene mai allungato o tagliato, ma solo compresso, il che distribuisce lo stress su una superficie più ampia e tende ad allungare la vita utile.

Progetti caricati a taglio , come i giunti a perno e boccola o accoppiamenti tipo pneumatico, lavorano l'elastomero con un movimento di torsione o flessione anziché di pura compressione. Questa geometria spesso consente un percorso flessibile più ampio e una maggiore capacità di disallineamento, al costo di una densità di coppia di picco leggermente inferiore rispetto ai tipi di compressione.

La maggior parte dei giunti elastomerici presenta anche un margine di sicurezza integrato: se l'elemento flessibile si usura o si guasta, le caratteristiche del mozzo metallico su molti modelli stabiliscono un breve contatto meccanico, consentendo alla coppia di continuare a fluire a capacità ridotta abbastanza a lungo per uno spegnimento controllato piuttosto che un'improvvisa perdita di azionamento.

Tipi comuni di accoppiamento elastomerico

Non tutti i giunti elastomerici hanno lo stesso aspetto e le differenze sono importanti per la selezione. Tre modelli coprono la maggior parte delle applicazioni industriali.

• Giunti a mascella e ragno utilizzare due mozzi con ganasce ad incastro e un ragno elastomerico a forma di stella tra di loro. Sono compatti, di facile manutenzione (la spider può essere scambiata senza spostare nessuno degli alberi) e tollerano un moderato disallineamento angolare e parallelo.
• Giunti per pneumatici sostituire lo spider con un "pneumatico" in gomma piena avvolto attorno a entrambi i mozzi. Il maggiore volume flessibile offre loro la gamma di disallineamento più ampia della famiglia degli elastomeri, insieme a un forte isolamento elettrico tra gli alberi, che è importante laddove le correnti vaganti minacciano i cuscinetti.
• Accoppiamenti a perno elastico (perno e boccola). far passare i perni metallici rivestiti in boccole di gomma attraverso i fori di due flange di accoppiamento. I perni in acciaio sopportano una quantità maggiore di carico diretto rispetto al design in puro elastomero, il che aumenta la capacità di coppia mantenendo intatto l'assorbimento degli urti.

Selezione del materiale elastomerico e della durezza

Il blocco di gomma o poliuretano svolge più lavoro ingegneristico di quanto suggerisca la sua forma semplice e il tipo di materiale scelto cambia il comportamento del giunto sotto carico.

La gomma naturale offre un forte smorzamento delle vibrazioni e funziona bene in condizioni di freddo, ma ha una resistenza limitata agli oli e alle temperature elevate. Il poliuretano scambia un po' di smorzamento con una maggiore capacità di coppia, una migliore resistenza all'usura e una resistenza all'olio molto migliore, motivo per cui domina l'uso industriale generale. Gli elastomeri speciali come Hytrel colmano il divario, mantenendo le loro proprietà su una fascia di temperatura più ampia per ambienti difficili.

All'interno di qualsiasi materiale, la durezza è la variabile che regola le prestazioni. Le mescole più morbide si flettono più facilmente e smorzano meglio le vibrazioni, ma trasmettono meno coppia prima di deformarsi eccessivamente; le mescole più dure trasportano più coppia e resistono più saldamente sotto carico, al costo di un certo assorbimento degli urti. I produttori valutano questa proprietà utilizzando la durezza del durometro, il più delle volte sulla scala Shore A, testata secondo il Standard ASTM per la durezza della rientranza della gomma . Un elemento più morbido nella gamma 80–85 Shore A è adatto alle applicazioni in cui l'ammortizzazione è più importante, mentre un elemento più rigido vicino a 95–98 Shore A è adatto a trasmissioni che necessitano di una maggiore densità di coppia con minore flessibilità.

Compensazione del disallineamento e smorzamento delle vibrazioni

Gli alberi nel mondo reale non sono mai perfettamente allineati e gli accoppiamenti elastomerici esistono in gran parte per rendere innocua questa imperfezione.

• Disallineamento angolare si verifica quando le linee centrali dei due alberi si intersecano ad angolo anziché correre parallele. L'elastomero si flette in modo non uniforme attorno alla sua circonferenza per assorbirlo senza trasmettere carico di flessione ai cuscinetti.
• Disallineamento parallelo accade quando gli assi dell'albero rimangono paralleli ma sono sfalsati lateralmente. L'elemento flessibile si taglia leggermente per colmare lo spazio vuoto.
• Movimento assiale (end-float). deriva dalla dilatazione termica o dalle variazioni del gioco dei cuscinetti. La maggior parte dei modelli elastomerici consente un certo scorrimento assiale senza trasmettere i carichi di spinta attraverso la trasmissione.

Le prestazioni di smorzamento derivano dalla stessa flessibilità. Quando la coppia fluttua, a causa di picchi di avviamento del motore, carichi irregolari su un trasportatore o carico ciclico in una pompa alternativa, l'elastomero si allunga e si rilassa leggermente anziché superare ogni picco direttamente. Ciò attenua le vibrazioni torsionali prima che raggiungano cuscinetti e scatole del cambio, motivo principale per cui i giunti elastomerici spesso durano più a lungo delle connessioni rigide in applicazioni con carico variabile.

Selezione del giusto accoppiamento elastomerico

Scegliere il tipo di accoppiamento sbagliato è una causa di guasto più comune rispetto a sceglierne uno semplicemente sottodimensionato. Una breve sequenza decisionale mantiene la selezione ancorata alle condizioni operative effettive.

1. Calcolare la coppia di picco , compreso lo spunto di avviamento e qualsiasi carico d'urto, e applicare un fattore di servizio (tipicamente 1,25–2,5) appropriato all'attrezzatura condotta.
2. Valutare l'allineamento realizzabile. Se l'allineamento dell'installazione sarà approssimativo o cambierà nel tempo, preferire un design con una generosa capacità di disallineamento, come un giunto per pneumatici, rispetto a un tipo a ganascia con tolleranza più stretta.
3. Pesare le vibrazioni e l'esposizione agli urti. I compressori alternativi, i frantoi e gli azionamenti per trasportatori start-stop beneficiano di gradi di elastomero più morbidi che danno priorità allo smorzamento.
4. Controllare l'ambiente operativo. L’esposizione al petrolio favorisce il poliuretano rispetto alla gomma naturale; ampi sbalzi di temperatura possono richiedere un composto speciale.
5. Confermare foro, velocità e dimensione adatta rispetto al valore nominale del produttore per la famiglia di giunti preselezionata.

Per un confronto più ampio tra design elastomerici e giunti rigidi, a ingranaggi e a membrana, questo guida completa ai tipi di accoppiamento dell'albero motore esamina l'intero albero decisionale in modo più dettagliato.

Segnali di manutenzione e guasto

I giunti elastomerici sono in gran parte esenti da manutenzione rispetto ai design con ingranaggi o griglie lubrificate, ma l'elemento flessibile si usura e merita un'attenzione periodica. Durante l'ispezione di routine, verificare la presenza di crepe o segni sulla superficie dell'elastomero, allungamento visibile o cedimento permanente in una crociera compressa, un notevole aumento di vibrazioni o rumore dall'area di accoppiamento e qualsiasi indurimento o scolorimento che suggerisca una degradazione chimica o termica.

Il lato positivo del design elastomerico si manifesta proprio qui: sulla maggior parte dei giunti a ganascia, pneumatico e perno-boccola, l'elemento flessibile può essere sostituito senza disturbare l'allineamento dell'albero o tirare una delle macchine collegate, trasformando quella che sarebbe una riparazione importante su altri tipi di giunti in uno scambio di parti di routine. Esplora il gamma completa di modelli di giunti flessibili per confrontare le dimensioni del foro, i valori di coppia e i materiali degli elementi con i requisiti specifici della trasmissione.