Progettazione del giunto flessibile del disco: geometria del pacco dischi, mozzi e adattamento all'applicazione

Tre pacchi disco si sono guastati in quattordici mesi sullo stesso compressore da 250 kW e ogni volta la squadra di manutenzione ha sostituito il giunto. La causa è stata una crescita assiale di 0,9 mm che nessuno aveva messo in preventivo. Dopo l'allineamento, al pacco rimanevano meno di 0,5 mm di capacità assiale, quindi ogni avvio a caldo spingeva i laminati in acciaio un po' più vicino al limite di fatica.

Quella storia porta la conclusione. Il design del giunto a disco flessibile non è un calcolo della coppia con una nota a piè di pagina di disallineamento. Si tratta di una ricerca per la fascia stretta in cui il giunto è sufficientemente rigido da trasmettere la coppia senza avvolgimento o gioco, e sufficientemente flessibile da far sì che le forze che restituisce ai cuscinetti, ai bulloni e ai suoi lamierini rimangano entro i limiti di fatica. Progettazione e selezione sono lo stesso problema, visto dagli estremi opposti di una citazione.

Come un pacco dischi trasporta la coppia

Un pacco di dischi è una pila di sottili lamiere di acciaio inossidabile, tipicamente di spessore compreso tra 0,2 mm e 0,5 mm, perforate con da sei a dodici maglie disposte attorno al cerchio dei bulloni. Ciascuna lamiera è fissata alternativamente ai due mozzi tramite bulloni montati, quindi la coppia viaggia attraverso i collegamenti come tensione su un lato del giunto e compressione sull'altro. Il disallineamento viene assorbito solo dalla flessione delle lamiere. Niente scivola, niente è lubrificato e niente è fatto di gomma.

Questo singolo fatto spiega l'intero carattere del progetto: zero gioco, nessuna superficie soggetta a usura, nessun elastomero che invecchia o si indurisce e un limite massimo di temperatura impostato dai mozzi anziché dall'elemento flessibile. Ciò spiega anche la debolezza. Un accoppiamento senza interfaccia scorrevole e quasi senza smorzamento ha pochissima capacità di dissipare energia, quindi qualunque stress subiscano i collegamenti, lo vedono ad ogni giro, per l'intera vita della macchina.

Il profilo di collegamento è la prima vera decisione progettuale. Un collegamento a lati diritti concentra lo stress di flessione attorno ai fori dei bulloni. Un collegamento smerlato o in vita diffonde la curvatura lungo la sua lunghezza: la flessibilità aumenta, lo stress di picco nel foro diminuisce e la forza di reazione che il pacco respinge nei cuscinetti a un dato disallineamento diminuisce con esso. Il prezzo è la densità di coppia, perché un foglio smerlato trasporta meno coppia per millimetro di larghezza rispetto a uno dritto, e il pacco deve recuperarlo con più strati, più bulloni o più diametro. Lo spessore della lamiera, il numero degli strati, la larghezza dei collegamenti e il numero dei bulloni sono le quattro variabili che decidono cosa può fare l'accoppiamento finito.

Disco singolo o doppio disco: una decisione relativa al disallineamento

Una volta definito il pacco, la domanda è di quanti pacchi ha bisogno l'accoppiamento. Un'unità a disco singolo posiziona un pacco tra due hub. Gestisce comodamente lo spostamento angolare e assiale e l'offset parallelo in modo scarso, il che si adatta ad azionamenti corti e accoppiati: servoassi, piccole pompe e banchi di prova in cui entrambi gli alberi si trovano già entro pochi centesimi di millimetro.

Un accoppiamento a doppio disco inserisce un distanziale tra due pacchi. Il distanziatore converte l'offset parallelo in spostamento angolare in ciascun pacco, che è ciò che consente di collegare un motore e un riduttore su piastre base separate senza entrare in conflitto tra loro. La lunghezza del distanziatore diventa quindi una vera e propria variabile di progettazione: determina quanto spostamento parallelo può assorbire il giunto, quanto pesa e quanto la sua massa e il comportamento alla flessione influiscono sulla trasmissione.

I design compatti a doppio disco con distanziali corti e mozzi a morsetto sono comuni dove l'ingombro è limitato ma l'offset parallelo deve ancora essere assorbito, come nelle macchine utensili e negli azionamenti CNC.

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Rapporti di rigidezza, forze di reazione e cuscinetto

La valutazione della coppia decide se l'accoppiamento sopravvive. La rigidità decide se tutto ciò che la circonda sopravvive. Prendiamo il caso assiale, che è quello più spesso ignorato in fase di quotazione. Supponiamo che il giunto di cui avete bisogno abbia una rigidità assiale di circa 250 N/mm, un valore realistico per un pacco lamellare di medie dimensioni, e che l'albero cresca di 0,8 mm tra l'avviamento a freddo e il pieno carico. Il pacco spingerà circa 200 N nel cuscinetto, in modo continuo, in aggiunta al normale carico del cuscinetto. Su un motore di piccole dimensioni ciò è sufficiente per ridurre la durata dei cuscinetti da anni a mesi, e nessun calcolo della coppia potrà mai rivelarlo.

La rigidità torsionale funziona nella direzione opposta. Si esprime in Nm per radiante o per grado e quanto più è alto tanto più precisamente l'albero condotto segue il motore. Per gli assi di posizionamento, l'elevata rigidità torsionale e il gioco zero sono il motivo per cui viene scelto un giunto a disco. Per una trasmissione che deve passare attraverso una risonanza torsionale durante la fase di avviamento, la stessa rigidità è un ostacolo e un basso smorzamento rende il picco più nitido. Se l'applicazione coinvolge motori di grandi dimensioni, carichi alternativi o funzionamento a velocità variabile, la rigidità del giunto appartiene al modello torsionale piuttosto che a una nota a piè di pagina.

La regola pratica: chiedere al fornitore nel preventivo i valori di rigidezza torsionale, assiale e radiale, non solo la coppia nominale e il diametro del foro. Non è possibile controllare il carico del cuscinetto o la risonanza solo con il valore della coppia.

Bulloni, equilibrio e soffitto della velocità

Il giunto bullonato è la parte della progettazione che l’esperienza sul campo punisce per prima. I bulloni montati vengono rettificati a un gioco controllato nei fori alesati in modo che la coppia sia trasportata dal gambo del bullone in caso di taglio anziché dall'attrito tra le lamierini. Ciò significa che la classe di adattamento è importante, così come il metodo di bloccaggio, perché un bullone allentato modifica la distribuzione del carico sull'intero pacco in un unico avvio.

La velocità è l’altro limite e non è lineare. La forza di squilibrio residua cresce con il quadrato della velocità di rotazione: circa 1 g-mm di squilibrio produce circa 1,1 N di forza di rotazione a 10.000 giri al minuto e circa 4,4 N a 20.000 giri al minuto. La qualità dell'equilibrio segue la stessa logica. Gli azionamenti industriali generali sono generalmente accettabili a G6.3, gli azionamenti ad alta velocità e per macchine utensili normalmente richiedono G2.5 e rotori a velocità molto elevata o molto leggeri potrebbero richiedere G1. Al di sopra della velocità nominale del giunto, nessun bilanciamento aiuta, perché il limite deriva dallo stress centrifugo nel pacco lamellare stesso. Laddove il punto di lavoro si trova vicino a quel soffitto, l’unica risposta sensata è un progetto ad alta velocità appositamente realizzato.

Materiali: pacchi inossidabili, mozzi in acciaio o alluminio

Il pacco lamellare è quasi sempre in acciaio inossidabile austenitico, con 301 e 302 che sono le scelte più comuni a causa della loro combinazione di resistenza alla fatica e resistenza alla corrosione. I gradi indurenti per precipitazione come 17-4 PH compaiono laddove è richiesta una resistenza maggiore o una capacità di temperatura più elevata. L'hub è il luogo in cui la scelta dei materiali segue l'applicazione. I mozzi in lega di alluminio 6061 o 7075 mantengono bassa l'inerzia, il che è importante sui servoassi dove ogni grammo di massa rotante si aggiunge al dimensionamento del motore. I mozzi in acciaio 1045 o una lega, spesso con trattamento di ossido nero, dominano le trasmissioni industriali pesanti e a lunga portata, mentre i mozzi in acciaio inossidabile vengono utilizzati dove è presente lavaggio o atmosfera marina.

La connessione mozzo-albero merita più attenzione di quella che viene normalmente prestata. Una connessione con chiavetta introduce un gioco che nessun pacco dischi a gioco zero può compensare, quindi i mozzi a morsetto e i gruppi di bloccaggio senza chiavetta sono la normale specifica per il posizionamento e le unità ad inversione di marcia elevata. L'ambiente, piuttosto che il carico, decide il trattamento superficiale: annerimento per impianti interni leggermente corrosivi, hardware inossidabile o placcato per uso esterno e marino.

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Tolleranze del sito: dove un buon design diventa una cattiva installazione

L'allineamento sul campo trasforma una progettazione corretta in un'installazione errata più spesso di qualsiasi altra singola causa. Obiettivi comuni per un giunto a disco sono un errore angolare inferiore a 0,5 gradi e un'impostazione assiale compresa tra 0,5 e 1,5 mm, ma questi numeri appartengono alla dimensione e alla confezione specifiche, quindi dovrebbero provenire dalla scheda tecnica del fornitore piuttosto che dall'abitudine. L'allineamento va controllato a freddo e, se la macchina funziona a caldo, verificato nuovamente a temperatura di esercizio, perché un albero che cresce di 2 mm in una campata di 100 mm può consumare l'intero gioco assiale di un giunto perfettamente allineato sul banco.

Due abitudini causano danni sproporzionati. Il primo consiste nell'utilizzare i bulloni di accoppiamento per unire due alberi, precaricando assialmente il pacco prima ancora che la macchina venga avviata. Il secondo misura solo l'errore angolare e ignora l'offset parallelo su un'unità a doppio disco, dove il distanziatore lo ingrandisce in uno spostamento angolare su entrambi i pacchi. Nei modelli con distanziale forcellino, anche il distanziale deve essere supportato durante il montaggio in modo che il suo peso non pieghi i pacchi prima che i bulloni vengano serrati.

Modalità di fallimento contro le quali vale la pena progettare

La maggior parte dei guasti in servizio sono riconducibili a un numero limitato di modelli riconoscibili:

• Crepe da fatica che si irradiano dai fori dei bulloni nei collegamenti del disco, quasi sempre il risultato di un disallineamento prolungato al di sopra del valore nominale piuttosto che di un sovraccarico.
• Sfregamento e allungamento del foro, causati da micromovimenti in corrispondenza di un giunto il cui precarico è stato perso.
• Dadi di bloccaggio allentati o mancanti dopo una ricostruzione, che ridistribuisce il carico sui bulloni rimanenti.
• Il foro del mozzo scivola sull'albero a causa di un adattamento errato o di una connessione con chiavetta ritenuta sufficientemente stretta.
• Vaiolatura o tensocorrosione in atmosfere soggette a lavaggio, costiere o chimiche.
• Risonanza torsionale eccitata da un'ondulazione di coppia a frequenza doppia, frequenze di passaggio della lama o frequenze di accoppiamento degli ingranaggi, in cui la rigidità del giunto non è mai stata inserita nel modello della trasmissione.

Una pratica sequenza di selezione

Un ordine di operazioni praticabile, sia che tu stia progettando un giunto o acquistandone uno:

1. Calcolare la coppia continua dalla potenza e dalla velocità: la coppia in Nm è pari a 9550 volte la potenza in kW divisa per la velocità in giri/min.
2. Applicare un fattore di servizio che rifletta la macchina azionata, in genere da 1,5 a 2 per carichi regolari e 2,5 o più per carichi alternativi o ad alto impatto.
3. Controllare le coppie di avviamento, frenatura e stallo rispetto al valore di picco, non a quello continuo.
4. Fissare la velocità operativa, quindi scegliere il grado di bilanciamento effettivamente richiesto dalla velocità.
5. Stabilire il reale disallineamento: angolare, parallelo e assiale, a freddo e a caldo, comprese le tolleranze di fabbricazione tra le due macchine.
6. Convertire il disallineamento in forza di reazione utilizzando la rigidezza del giunto e aggiungerla al carico sul cuscinetto.
7. Confermare il foro, il tipo di mozzo, la sede della chiavetta o la connessione con morsetto, la lunghezza del distanziale e la dotazione disponibile.
8. Confermare l'ambiente: temperatura, umidità, sostanze chimiche e frequenza di lavaggio.

Ciò che rientra nell'inchiesta

Un fornitore che chiede solo alesaggio e coppia non ha capito la vostra guida e il preventivo che riceverete sarà un numero di catalogo piuttosto che una soluzione. Invia coppia continua e di picco, velocità e ciclo di lavoro, tutti e tre i componenti di disallineamento, temperatura ambiente e operativa, esposizione alla corrosione, inviluppo disponibile, foro e tipo di connessione e grado di bilanciamento se la velocità è elevata. Questi otto elementi fanno la differenza tra un giunto che sopravvive tranquillamente ai cuscinetti adiacenti e uno che diventa un materiale di consumo programmato.

Se lo stesso impianto utilizza diversi tipi di accoppiamento, dalle unità con servodiaframma fino ai giunti a ingranaggi pesanti, un riferimento di selezione generale che copra i tipi e gli standard di accoppiamento DIN è un utile complemento a una singola citazione, perché rende concreto il confronto tra i progetti candidati invece che verbale.

Tipi di accoppiamento DIN, standard e guida alla scelta