Brembo spiega perché non si dovrebbero serrare le ruote con la pistola pneumatica

TECNICA - L’azienda bergamasca illustra come la coppia di serraggio delle ruote influenzi direttamente il buon funzionamento del sistema frenante. Si analizzano infine le basi del dimensionamento di un collegamento filettato e del relativo precarico.

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L'importanza di una corretta coppia di serraggio delle ruote viene spesso trascurata, soprattutto quando si eseguono lavori di sostituzione dei pneumatici. Una ruota mal montata, per quanto riguarda il corretto serraggio di dadi e bulloni, ha molto a che fare con le fastidiose vibrazioni del volante durante la frenata e con il malfunzionamento generale del sistema frenante. Inoltre, ha gravi conseguenze per la sicurezza del veicolo e dei suoi passeggeri.
Gli effetti potenzialmente catastrofici di un serraggio insufficiente dei bulloni ruota è facilmente intuibile, ma non bisogna sottovalutare l’effetto opposto.  Bulloni eccessivamente serrati possono deformarsi, allungarsi e rompersi, specialmente quando si guida su buche e dossi stradali che purtroppo rappresentano la quasi normalità lungo la rete stradale italiana. Come si analizzerà meglio in seguito, le sollecitazioni extra provenienti dal manto stradale possono rappresentare un sovraccarico, che sommandosi alla tensione creata da un serraggio eccessivo, mettono in crisi l’accoppiamento filettato.

Negli ultimi anni, è stato osservato che la pratica diffusa di utilizzare pistole pneumatiche o elettriche, alla loro massima potenza, degrada sistematicamente le filettature in ogni installazione e quei componenti importanti come bulloni, viti o dadi smettono di funzionare correttamente. Può anche capitare che altre parti - come il mozzo - vengano danneggiate quando le viti vengono avvitate al suo interno. Una conseguenza di questo degrado è uno scorretto fissaggio del mozzo ruota, situazione che capita con maggiore frequenza di quel che si pensa.
Il tema del corretto serraggio delle ruote sta diventando sempre più rilevante a causa della costante evoluzione dei veicoli. L’aumento dimensionale delle vetture - sia del corpo vettura che delle ruote – e al tempo stesso la dimensione ridotta del mozzo è la ragione per cui il gruppo ruota-disco-mozzo in un'auto attuale soffre molto di più le tensioni generate dalle forze che convergono in quel punto, rispetto a un veicolo di 20 o 25 anni fa.

Il serraggio irregolare dei dadi della ruota potrebbe causare in un breve lasso di tempo un gioco centesimale tra il gruppo mozzo-disco-ruota, che comporterà alcune problematiche. Poiché il disco sfrega alternativamente contro la pastiglia freno e lo farà più frequentemente dopo una prima frenata, la pastiglia tenderà a regolare la sua posizione sul disco, ragion per cui si potrebbero generare vibrazioni più intense.
Lo sfregamento alternato (a volte osservabile muovendo la ruota con le mani con vettura sollevata sul ponte) farà riscaldare il disco in un'area più di un'altra e, quando arriverà il momento di frenare, l'utente noterà una chiara vibrazione sul volante, a causa dell'irregolarità dell'attrito sul disco stesso dovuto alle diverse temperature generate.Differenziare questa casistica da quella più generica di "disco piegato" è molto semplice. In quest’ultimo caso, quando si verifica il problema, il volante vibra ma il pedale no. Per tutta la vita di quel disco e quelle pastiglie, il disco si deformerà e anche le pastiglie mostreranno un'usura irregolare. Dalla deformazione del disco dovuta allo sfregamento costante e alternato, anche il pedale inizierà a vibrare.

 

Come ottenere un serraggio corretto?

Il serraggio delle ruote va eseguito con l'utilizzo di una chiave dinamometrica secondo una specifica coppia di serraggio, collegata alle dimensioni, al materiale dei dadi e dei bulloni e al tipo di filettatura. La coppia di serraggio è generalmente indicata nel libretto di manutenzione del veicolo. In alternativa è consultabile una tabella, fornita da Brembo, nella Gallery dell'articolo.
È possibile usare una chiave ad impulsi convenzionale, con l'impostazione più bassa (la coppia di serraggio dell'utensile non deve superare la coppia richiesta) o chiavi con una funzione di limitazione della coppia, che garantirà che la coppia specificata non venga superata.
L'utilizzo di una coppia di serraggio inferiore a quella prescritta può portare all'allentamento delle viti, mentre una coppia più elevata può portare alla deformazione dei dischi o a rischi di rottura, oltre alla difficoltà ad allentare le viti in caso di foratura.
Per garantire un buon contatto tra ruota, disco e mozzo è bene eseguire un serraggio “a stella” , stringendo prima un dado e poi quello opposto (anziché quello successivo). In questo modo si cerca di uniformare la distribuzione della coppia di serraggio lungo gli elementi di collegamento.

 

Dalla pratica alla teoria degli accoppiamenti filettati

Visti gli effetti che una non corretta applicazione della coppia di serraggio comporta sulla dinamica del veicolo, di seguito si riportano alcune nozioni base per comprendere come avviene il dimensionamento da parte dei progettisti. Prima di analizzare come i collegamenti filettati vengano meccanicamente stressati durante il loro esercizio è bene conoscere la nomenclatura di base delle viti. Facendo riferimento alla figura sotto si definisce:
p passo – la distanza tra due filetti adiacenti lungo l’asse della vite
d diametro esterno – è la misura maggiore quindi in corrispondenza della cresta dei filetti
dr diametro del nocciolo – è la misura minore tra la radice dei filetti
dm diametro medio – è la media tra i due valori precedenti.

La vite può avere diversi tipi di profili dei filetti. Uni dei più comuni per i collegamenti removibili è quello triangolare con angolo tra i filetti di 60°. Per la trasmissione della potenza, si usano con filetti con profilo rettangolare o trapezio che, adottando un profilo ribassato, permettono di aumentare il diametro minore per avere una vite più resistente. Numerose prove di trazione su barre filettate hanno sperimentalmente mostrato che la sezione resistente è quella con diametro pari alla media tra il diametro medio e quello minimo del nocciolo. I valori della sezione resistente sono tabellati ma si può approssimare ,in prima battuta, come il 90% del valore del diametro nominale.

La maggior parte dei cedimenti sono dovuti ad un sovraccarico. Meno frequenti sono le rotture a fatica (applicazione ciclica di un carico). Le tensioni si concentreranno in corrispondenza delle variazioni di sezioni. I cedimenti quindi avvengono in corrispondenza del raccordo sotto la testa della vite (15%), al principio della filettatura (20%) e in corrispondenza del primo filetto in presa (65%). Il primo filetto è quello maggiormente sollecitato e nell’accoppiamento vite con dado generalmente sono i primi tre filetti del dado a ripartirsi la quasi totalità del carico. Quindi va prestata particolare attenzione al non superare il limite elastico del materiale (valore oltre il quale il materiale rimane plasticamente deformato anche in seguito alla rimozione del carico). In tal caso è necessario sostituire il dado.

Un dimensionamento da effettuare in fase progettuale, è tale per cui non si presenti snervamento (superamento del limite elastico del materiale) a taglio (forza normale all’asse della vite) all’attacco con il nocciolo. Si impone l’uguaglianza tra lo strappo dei filetti a taglio e lo snervamento della sezione resistente della vite a trazione. In questo modo si riesce a trovare l’altezza di inserzione della vite che corrisponde al numero di filetti in presa moltiplicati per il passo. E’ bene verificare anche che la pressione superficiale tra i filetti della vite e della madrevite non superi la tensione di snervamento. Al valore della tensione così ricavata si applica un determinato coefficiente di sicurezza in base all’applicazione. 

Il precarico

Quando occorre un collegamento tra due o più parti in grado di resistere ad un carico esterno, ma che al tempo stesso consenta un facile smontaggio, si ricorre al collegamento filettato. Affinché sia possibile, è necessario applicare un precarico alla vite (attraverso il serraggio) che avvicinando tra di loro le parti eserciterà una forza di compressione sugli elementi da collegare e una di trazione sulla vite stessa. Se il precarico è corretto non ci sarà movimento relativo grazie all’attrito tra le superfici. Questo è indispensabile per garantire un accoppiamento efficace e fare in modo che la vite venga sollecitata solamente a trazione e che gli effetti di taglio siano trascurabili.

All’applicazione del precarico corrisponde un allungamento della vite e un accorciamento degli elementi da collegare. La deformazione a cui sono sottoposti, vite ed elementi collegati, così come la ripartizione del carico esterno (che si ipotizza di trazione tendendo a separare le parti) dipendono dalle rispettive rigidezze. La rigidezza si può esprimere come il rapporto tra la forza applicata e la deformazione. La rigidezza dei bulloni può essere trattata come quelle delle molle in serie tra la parte filettata e non della vite. La rigidezza degli elementi è più complessa da determinare e spesso si procede per via sperimentale. Approssimando a favore di sicurezza, si può comunque supporre che la zona compressa sia un cilindro cavo con foro uguale al diametro del bullone e diametro esterno pari a tre volte il diametro. Applicando il carico esterno, che tenderà a separare le parti, la vite sarà ulteriormente sollecitata a trazione sommandosi all’effetto del precarico. Il carico complessivo che agisce sugli elementi è composto invece da un elemento di compressione (precarico) a cui si oppone uno di trazione dovuto al carico esterno. Applicando il metodo del triangolo di serraggio si ricava la ripartizione del carico che ricordiamo essere dipendente dalle rigidezze. Nel caso di materiale uguale, i membri sopportano più dell’80% del carico esterno. La restante quota parte, circa il 20%, verrà trasmessa alla vite. Questa è un’indicazione di massima ed il valore a cui sono sottoposti gli elementi collegati crescerà con la lunghezza del collegamento (aumenta la “quantità” di materiale).

Il valore della forza del precarico si ricava moltiplicando l’area resistente della vite per la tensione ammissibile. La tensione ammissibile del bullone rappresenta circa l’85% della tensione di snervamento del materiale. Andando ulteriormente a favore di sicurezza si considera un precarico variabile tra il 75-90% della tensione ammissibile in base al tipo di collegamento rimovibile o permanente. Nota la forza è possibile applicare il corretto precarico in diversi modi. Il primo, piuttosto teorico e poco pratico, si basa sulla misura della deformazione elastica della vite attraverso il micrometro. Procedimento impossibile da usare ad esempio nel caso di viti serrate in un foro cieco. Un’alternativa è imporre un determinato angolo di rotazione dopo che la vite sia completamente avvitata e che quindi la testa sia a contatto con la superficie di appoggio. Per bulloni strutturali di discrete dimensioni come appunto quelli di serraggio delle ruote di una autovettura l’angolo può essere di circa 180°. Il più usato e comune è l’applicazione della corretta coppia di serraggio tramite una chiave dinamometrica. La coppia è ricavabile moltiplicando la forza di precarico per il diametro della vite. Al prodotto si applica un coefficiente (circa 0,2) che varia in base al coefficiente di attrito e quindi alla finitura superficiale e all’eventuale utilizzo, o meno, di lubrificante nel collegamento filettato. Durante il serraggio, oltre alla tensione assiale descritta in precedenza, si genera anche torsione per attrito sul gambo della vite. Concluso il serraggio, le tensioni di torsione si rilassano e di conseguenza anche la tensione totale. Motivo per cui il bullone dovrebbe rompersi durante il serraggio e non in seguito.
Il precarico, che assicura la bontà del collegamento, è influenzato anche dalla resistenza della vite. Le viti metriche riportano sulla testa una marcatura composta da due cifre ove la prima indica il carico di rottura a trazione e la seconda la percentuale alla quale avviene lo snervamento. Ad esempio una vite con classe di resistenza 9.8 ha 900 MPa come carico di rottura (indicato dal primo numero ‘9’ moltiplicato 100) e l’80% (indicato dal secondo numero ‘8’ moltiplicato 10) di questo valore rappresenta lo snervamento quindi 720 MPa. Per realizzare un corretto accoppiamento, i bulloni sono disposti lungo la superficie in modo che ci sia sufficiente spazio per l’alloggiamento (e dell’inserimento della relativa chiave per il serraggio) ma anche in modo da formare una distribuzione del serraggio il più uniforme possibile. Le formule per la spaziatura mettono in relazione il prodotto tra il numero di bulloni e il loro diametro con la lunghezza del perimetro lungo cui sono disposti. 

Fonti: brembo.com; Progetto e costruzione di macchine – Shigley, Mischke, Budynas -; unipa.it/giovanni.petrucci

 

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