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Calcoli di progettazione delle molle
Le molle sono componenti meccanici in grado di immagazzinare ed erogare l’energia di tensione generata dal lavoro utilizzato per tendere, allungare o comprimere la molla sotto forma di energia di deformazione o tensione. Sono utilizzate in molte applicazioni e si trovano sia in piccoli componenti elettronici che in grandi macchine industriali. Per garantire che una molla svolga la sua funzione, deve essere progettata correttamente. A tal fine, vengono calcolati parametri come la costante elastica e la corsa della molla.
Tipi di molle
Ci sono diversi tipi di molle che differiscono per funzione e aspetto.
Le molle si differenziano per carico e forma. I tipi più comuni sono:
Forme delle molle:
- Molle elicoidali: Le molle elicoidali hanno una forma elicoidale. Possono essere molle di tensione, molle a compressione o molle di torsione. Possono avere una forza elastica costante durante una corsa più lunga.
- Molle a foglia: Le molle a foglia sono costituite da diverse strisce metalliche collegate tra loro. Possono assorbire grandi carichi per un lungo periodo di tempo.
- Molle a tazza: Le molle a tazza sono costituite da uno o più dischi o piastre concentriche. Assorbono i carichi assiali e sono compresse.
Carichi della molla:
- Molle a compressione: Le molle a compressione sono compresse da carichi di compressione (forza di compressione). Sono cilindriche o coniche.
- Molle di tensione: Le molle di tensione si estendono sotto il carico di trazione. Possono essere dritte, coniche o elicoidali.
- Molle di torsione (anche molle a gambo): Le molle di torsione ruotano quando su di esse viene esercitata una coppia. Hanno una costante elastica di torsione lineare o non lineare.
- Molle a flessione: Le molle a flessione sono in grado di assorbire i carichi di flessione, generando un effetto molla.
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Calcolo delle molle
Per calcolare e progettare le molle, in una prima fase è necessario determinare o conoscere parametri come la velocità della molla, la costante elastica e il lavoro della molla. Per esempio, è possibile calcolare la forza elastica o la costante elastica.
Considerazioni preliminari per il calcolo e la progettazione della molla
Prima di calcolare o progettare la molla, è necessario stabilire alcuni requisiti e specifiche importanti, quali:
- Requisiti di carico, ad es. carico massimo, tipo di carico (compressione, tensione, torsione), frequenza e ciclo di lavoro del tipo di carico
- Ambiente operativo e condizioni operative, ad es. temperatura, rischio di corrosione, umidità e grado di contaminazione
- Smorzamento e assorbimento delle vibrazioni, ad es. necessità di elementi di smorzamento
- Limitazioni di spazio e installazione, ad es. per quanto riguarda le dimensioni della molla, la geometria della bobina e le estremità
L’automazione economica utilizza principalmente molle di tensione e molle a compressione.
Parametri per il calcolo delle molle
Prima di calcolare le molle di compressione, le molle di tensione, ecc., è necessario conoscere i seguenti parametri:
Come esempio per una molla di tensione
- Quale forza (F) verrà esercitata sulla molla? Quali sono la lunghezza libera (L0) e la corsa della molla (X) disponibili?
- La molla deve essere dotata di capicorda di tensione o sono necessari altri capicorda di tensione? E quale effetto hanno i capicorda di tensione aggiuntivi sulla lunghezza?
- Il diametro interno (D) della molla e/o il diametro del filo (d) sono importanti?
- Il peso morto della molla è importante per l’applicazione e qual è lo spazio disponibile per la sostituzione della molla?
- I capicorda devono essere disposti con lo stesso orientamento o ruotati di 90°?
Calcolo della fora elastica utilizzando la relativa formula
La forza elastica, detta anche forza di serraggio, è la forza generata da una molla quando viene allungata o compressa, in base alla sua rigidità o costante elastica. Questa forza mira a riportare la molla alla sua forma o posizione originale. Il calcolo viene solitamente effettuato utilizzando la formula della forza elastica, chiamata anche legge di Hookes. La legge di Hooke descrive la relazione lineare tra la forza (F) esercitata su un corpo elastico e l’allungamento o compressione risultante (Δx) di quel corpo nella regione elastica del materiale:
Dove:
- F = Forza elastica, misurata in Newton (N)
- k = Costante elastica, la rigidità della molla, in unità quali N/m (Newton per metro)
- Δx = Corsa della molla, allungamento (per molle di tensione) o compressione (per molle a compressione) della molla, misurata in metri (m).
F = k \times \Delta x
Qual è la tensione iniziale di una molla di tensione?
La tensione iniziale (Pi), a volte chiamata anche precarico di assemblaggio, è definita come la tensione (forza in N) necessaria per far sì che la molla mostri un cambiamento di lunghezza per deformazione.
La costante elastica e la corsa della molla (allungamento o compressione) possono essere lette dalle specifiche tecniche e dai dati del produttore o sono calcolate come segue.
Calcolo della costante elastica utilizzando la formula della forza elastica
La costante elastica, spesso indicata come rigidità elastica, è uno dei parametri fondamentali di una molla. Indica quanta forza è necessaria per deformare la molla a una certa distanza.
k = \frac{F}{\Delta x}
Più grande è la costante elastica, più rigida è la molla. Una grande costante elastica significa che è necessaria una forza relativamente elevata per deformare la molla, mentre le molle con una piccola costante elastica sono più facilmente deformabili.
Calcolo della costante elastica totale per più molle
In realtà, raramente viene installata una sola molla. Al contrario, di solito vengono installate diverse molle in successione o una accanto all’altra. Come viene calcolata la costante elastica in questi casi? La costante elastica totale deve essere determinata in tutti i casi.
Se più molle sono collegate in serie (configurazione in linea), la costante elastica totale viene calcolata come segue:
\frac{1}{k_{ges}} = \frac{1}{k_{1}} + \frac{1}{k_{2}} + ..
Se vengono installate più molle fianco a fianco (configurazione parallela), la costante elastica totale viene calcolata come segue:
k_{ges} = k_{1} + k_{2} + ..
Aspetti di sicurezza
Per evitare il cedimento della molla, questa non deve essere caricata oltre la tensione nominale. La tensione nominale dipende dal materiale della molla. Ad esempio, per l’acciaio per molle, la tensione nominale varia da 550 MPa (megapascal) a 800 MPa, a seconda della lega e della tempra. Per le molle in acciaio inox, la tensione nominale è compresa tra 500 MPa e 700 MPa.
Vita utile e rilassamento
Una molla può rilassarsi nel tempo, soprattutto se viene caricata e scaricata frequentemente. Pertanto, è importante considerare la vita utile della molla in base alle condizioni di carico.
| Versione | Disegno | Materiale: JIS-SWP-A |
Materiale: EN 1.4301 (WPB) Equiv. |
Gamma di carico - Capacità di carico massima della serie (Materiale JIS-SWP-A) |
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| Numero di parte | di | a | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Carico molto basso |  |
AWA | AUA | 0.69 | 19.6 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| per capacità di carico ridotta | |
AWY BWY |
AUY BUY |
1.86 | 78.45 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Carico basso/medio | |
AWU BWU |
AUU BUU |
2.45 | 98.07 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Capacità di carico media | |
AWS BWS |
AUS BUSS |
3.53 | 225.55 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Carico medio/pesante | |
AWF | - | 6.47 | 83.36 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Capacità di carico elevata | |
AWT BWT |
AUT BUT |
8.8 | 430.51 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Configurabile | |
WFSP BWFSP |
UFSP BUFSP |
2.37 (a L = 50 mm) |
156 (a L = 50 mm) |
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| Lungo senza occhiello |  |
LWS | LUS | - | - | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Raccomandazioni per le molle MISUMI
MISUMI offre una vasta gamma di molle, come molle di tensione e molle elicoidali rotonde. Le molle elicoidali sono progettate per mantenere costante il carico massimo a parità di diametro. Si consiglia di utilizzare le molle entro la deflessione consentita per garantire funzionalità e forma e per raggiungere la vita utile prevista. Le molle sono consigliate a temperature ambiente normali (40 °C o meno). I valori di carico diminuiscono al di sopra dei 40 °C. Questo intervallo di temperatura è anche quello assunto per le molle elicoidali rotonde MISUMI.