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Calcolo delle forze di resistenza al taglio e di resistenza alla trazione per le viti

La resistenza al taglio e la resistenza alla trazione sono due parametri importanti per la selezione e l’uso delle viti. Le viti vengono utilizzate per collegare i componenti in modo da bloccare l’attrito e per resistere a carichi meccanici. Al fine di garantire che le viti soddisfino i requisiti di resistenza richiesti da una determinata applicazione, è importante sapere che cosa sono la resistenza al taglio e la resistenza alla trazione e come vengono calcolate.

Forza delle viti

Molti fattori diversi giocano un ruolo nella selezione delle viti. Oltre allo spessore e alla resistenza del substrato, è necessario osservare altri fattori importanti come il materiale e il diametro della vite, il carico previsto, ecc. Tutti questi fattori influenzano la forza di una vite. La forza della vite utilizzata è di grande importanza. Ciò si riferisce alla capacità delle viti di resistere alle forze di taglio e di trazione. La forza è specificata dalla marcatura o dai sistemi di classificazione, che possono variare a seconda del sistema di standard utilizzato e degli standard nazionali. La classe di resistenza di una vite fornisce informazioni sulla resistenza alla trazione e sulla resa. Le viti in acciaio sono contrassegnate in modo diverso rispetto alle viti in acciaio inox. Le viti in acciaio sono contrassegnate da due numeri (ad esempio 10.9), mentre le viti in acciaio inox sono contrassegnate da lettere e numeri (ad esempio A4-80).

Resistenza al taglio delle viti

Il taglio si verifica quando coppie di forze di compensazione agiscono sulla vite. Ciò comporta forze di taglio che possono portare all’allungamento, alla distorsione o alla torsione della vite. Le viti richiedono una certa forza di resistenza al taglio per contrastare queste forze. Questa resistenza al taglio indica a quale carico una vite può essere sottoposta senza soccombere o essere distrutta. Su una vite possono essere esercitate contemporaneamente forze di taglio di resistenza e direzione variabili.

Taglio della filettura: Questo tipo di taglio è chiamato anche stripping del filetto ed è causato da carichi assiali, che sono causati principalmente dalla forza di precarico quando si serra una vite.

Taglio dello stelo dell’albero filettato causato da carico trasversale

Il taglio dell’albero filettato causato dalla rotazione o da momenti torsionali intorno all’asse della vite

Come calcolare la forza di taglio.

In generale, esistono diversi metodi con cui è possibile testare la resistenza al taglio dei materiali. Vengono generalmente utilizzati metodi di misurazione standardizzati, che sono anche indicati come test di taglio. I test di taglio sottopongono il campione di materiale a una forza di taglio in costante aumento. La forza misurata durante il taglio del campione è la forza di taglio massima F_m da cui deriva la forza di taglio.

\tau{_B} = \frac{F }{A} = N/mm^2

In pratica, tuttavia, i materiali non sono completamente esauriti fino al limite di carico massimo, ma si tiene sempre conto di un certo margine di sicurezza. Questo margine di sicurezza garantisce che la sollecitazione di taglio consentita (T_rated) sia significativamente inferiore alla forza di taglio effettiva (T_B). Lo stress della sollecitazione di taglio viene determinato utilizzando questo cosiddetto fattore di sicurezza (v):

\tau_{rated} = \frac{{\tau}{_B}}{v} = N/mm^2

La forza di taglio nominale (F_rated) può quindi essere determinata per mezzo di questa sollecitazione di taglio nominale (T_rated). Il calcolo viene eseguito moltiplicando la forza di taglio consentita per la superficie di taglio (S):

F_{rated} = \tau_{rated} \times S

Tuttavia, occorre sottolineare che è preferibile in pratica progettare un collegamento avvitato in modo tale che sulla vite venga esercitata solo una forza di trazione, ma non una forza di taglio, al fine di prevenire un possibile guasto dovuto a carichi di taglio.

Resistenza alla trazione e resistenza alla resa delle viti

Analogamente alla forza di taglio, la forza di trazione è una sollecitazione che esprime il rapporto tra una forza (F) e un’area (A), in cui la forza è una forza di trazione (longitudinale all’asse della vite).

La resistenza alla trazione delle viti indica quanto il materiale della vite può essere esposto a sollecitazioni di trazione. Indica la massima sollecitazione di trazione che il materiale può sopportare per millimetro quadrato della sua area trasversale.

La specifica della resistenza sulle viti non solo fornisce informazioni sulla resistenza alla trazione, ma anche sulla resistenza alla resa. La resistenza alla resa si riferisce allo stress in corrispondenza del quale un materiale subisce la transizione dalla deformazione elastica a quella plastica. O in altre parole: È la sollecitazione massima che un materiale può assorbire prima che il materiale si deformi invariabilmente. Se il materiale non può tornare alla sua forma originale dopo l’allungamento, la resistenza alla resa viene superata.

Determinazione della resistenza alla trazione mediante test di trazione

La resistenza alla trazione (_Rm) viene determinata mediante test di trazione. Un test di trazione è una procedura standardizzata mediante la quale un campione di materiale viene allungato in direzione longitudinale fino a lacerarsi. Durante il test, vengono misurate la forza e la variazione di lunghezza (= allungamento) del campione di materiale. La resistenza alla trazione viene calcolata dalla forza di trazione massima ottenuta e dall’area della sezione trasversale del campione di materiale. La resistenza alla trazione è specificata in N/mm².

R_m = \frac{F }{A}

Calcolare la resistenza alla trazione e resistenza alla resa delle viti in acciaio

Come già detto, le viti sono etichettate con una classe di resistenza. Questa classe di resistenza fornisce informazioni sulla loro resistenza alla trazione, ovvero la forza di trazione che una vite può sopportare. La resistenza alla trazione di una vite può quindi essere facilmente calcolata in base alla classe di resistenza e all’area della sezione trasversale della vite.

Per determinare la resistenza alla trazione delle viti in acciaio, il primo numero della specifica di resistenza viene moltiplicato per un fattore di 100. Nella seguente illustrazione di esempio, si ottiene il seguente calcolo:

R_m = 10 \times 100 N/mm^2 = 1000 N/mm^2

Per calcolare la resistenza alla resa o il limite di allungamento (_Rp-0,2) delle viti in acciaio, entrambi i numeri della specifica di resistenza vengono moltiplicati insieme, seguiti dalla moltiplicazione per un fattore di 10. Sulla base dell’esempio sopra citato (10.9), si ottiene il seguente calcolo:

R{_p}{_-}{_0}{_,}{_2} = 10 \times 9 \times 10 N/mm^2 = 900 N/mm^2

Calcolare la resistenza alla trazione e resistenza alla resa delle viti in acciaio inox

Per le viti in acciaio inox, la specifica della resistenza differisce in quanto le viti in acciaio inox sono contrassegnate con una combinazione di lettere-numeri (ad es. A4-80). L’ingresso a sinistra del trattino si riferisce al tipo di acciaio inox della vite utilizzata. Nell’esempio seguente, la designazione A4 afferma che la vite in acciaio inox è realizzata in acciaio inox austenitico (acciaio V4A). Per determinare la resistenza alla trazione, il valore a destra del trattino (80) viene moltiplicato per un fattore di 10:

R_m = 80 \times 10 N/mm^2 = 800 N/mm^2

Il limite di allungamento delle viti in acciaio inox spesso non è chiaramente determinato nel test di trazione. Per questo motivo, per l’acciaio inox viene utilizzato il limite di espansione dello 0,2% determinato nel test di trazione. Ciò dipende dalla materia prima ed è fornito dal produttore o deve essere fatto riferimento a uno standard. DIN EN ISO 3506- 1 contiene informazioni sul limite di allungamento determinato da A1 ad A5 insieme alle classi di resistenza 50-80 e agli intervalli di diametro definiti.

Conversione da MPa a N/mm^2

La resistenza alla trazione e la resistenza al taglio possono essere specificate in unità diverse, vale a dire in Megapascal (MPa) e Newton per millimetro quadrato (N/mm^2). Tuttavia, entrambe le unità sono equivalenti, perché 1 MPa corrisponde a 1 N/mm². Megapascal fa parte del sistema internazionale di unità (SI) ed è quindi ampiamente utilizzato in molti campi tecnici e scientifici. Newton per millimetro quadrato si basa maggiormente sulle convenzioni più vecchie ed è ancora diffuso, in particolare nell’ingegneria meccanica. In molte applicazioni tecniche, specialmente nella teoria della forza, le forze vengono misurate a Newton (N) e le aree superficiali in millimetri quadrati (mm²). Pertanto, l’unità N/mm² è una scelta naturale per calcolare la resistenza alla trazione e la resistenza al taglio.

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