Guida alle tolleranze per accoppiamenti liberi, di transizione e con interferenza

Il termine “adattamento” è fondamentale quando si tratta di parti in movimento. Una macchina potente con numerosi collegamenti e gruppi può guastarsi semplicemente a causa di un gioco troppo ridotto, che fa sì che le parti scivolino l’una sull’altra invece di trasmettere le forze lungo tutto il sistema. Immaginate di progettare un albero motore da accoppiare al foro per la trasmissione di potenza. Vi rendete conto che l’albero non scivola attraverso il foro. Questo vi costringe a riportarlo dal meccanico, il che comporta costi elevati. Potreste anche avere un cuscinetto che ruota liberamente sull’albero quando invece dovrebbe essere ben saldo. Immaginate inoltre di avere un perno che incrinasse l’alloggiamento in cui avrebbe dovuto essere posizionato. Questi scenari illustrano errori di progettazione derivanti da sviste relative agli accoppiamenti. Gli accoppiamenti tra le parti di accoppiamento e le tolleranze non sono stati definiti correttamente durante il processo di progettazione.  

“In ingegneria meccanica, il termine ”accoppiamento” indica una relazione dimensionale tra due parti accoppiate. Nella maggior parte dei casi, si tratta dell’accoppiamento tra un albero e un foro. L’accoppiamento determina il modo in cui queste parti interagiscono tra loro. Nella progettazione ingegneristica esistono tre tipi comuni di accoppiamento: con gioco, di transizione e con interferenza. In un accoppiamento con gioco, è sempre presente uno spazio positivo che consente di assemblare e muovere le parti. In un accoppiamento con interferenza, vi è una tolleranza di sovrapposizione. In questo tipo di assemblaggio, sono necessarie una forza aggiuntiva o metodi termici. L’accoppiamento di transizione si colloca tra i due estremi. Produce un gioco minimo o leggero, a seconda della tolleranza disponibile.

La presente guida illustra in dettaglio questi tre tipi di accoppiamenti, il loro funzionamento, i loro impieghi e le considerazioni relative alle tolleranze. Nel corso della trattazione faremo riferimento a un foro e a un albero anche nel caso in cui il materiale non sia di forma circolare. Un foro è una caratteristica interna, mentre un albero è una caratteristica esterna.

Che cos’è la "Clearance Fit"?

L'accoppiamento con gioco è il tipo di accoppiamento più comune, in cui il foro è leggermente più grande dell'albero, creando uno spazio intenzionale tra le due parti. Lo spazio tra le due superfici, o semplicemente il gioco, è progettato appositamente per consentire un movimento libero senza attrito né interferenze. Le tolleranze di entrambe le caratteristiche dei componenti regolano il gioco, garantendo un accoppiamento fluido senza eccessivo allentamento.

Dal punto di vista progettuale, questo tipo di accoppiamento consente agli ingegneri di evitare operazioni di montaggio forzato o di pressatura. L’albero ha un diametro inferiore a quello del foro, consentendo alle due superfici di accoppiarsi in modo efficace.

Misurazione dell'accoppiamento con gioco

Il gioco di accoppiamento viene misurato con micrometri o calibri. Utilizzando questi strumenti, è possibile determinare il gioco massimo e quello minimo. Il gioco massimo è lo spazio tra il foro più grande e l’albero più piccolo. Il gioco minimo, invece, si riferisce allo spazio tra il foro più piccolo e l’albero più grande. Il gioco si misura in millimetri e si calcola come segue:;

Gioco = diametro del foro - diametro dell'albero

Se un foro ha un diametro di 6,36 mm e un albero ha un diametro di 6,12 mm, il gioco sarà di 0,24 mm.

Livelli di tolleranza per accoppiamenti con gioco

Quando si progetta tenendo conto del gioco, è necessario specificare le tolleranze per il processo di produzione al fine di ridurre al minimo gli errori. I livelli di tolleranza indicano l’ampiezza della variazione che il gioco può avere. Ad esempio, se occorre realizzare un foro di 20 mm e un albero di 19 mm con una tolleranza di ±0,020 mm, ciò significa che qualsiasi foro lavorato con dimensioni comprese tra 20,00 mm e 20,020 mm garantirà il gioco con qualsiasi albero lavorato con dimensioni comprese tra 19,00 mm e 19,020 mm. Allo stesso modo, è possibile lavorare un foro con un diametro compreso tra 19,98 mm e 20,00 mm e un albero con un diametro compreso tra 18,98 mm e 19,00 mm.

Gli ingegneri si attengono a specifiche norme ISO nella scelta delle tolleranze. Tali norme prevedono l’uso di lettere maiuscole e numeri (ad esempio H7, H8) per i fori e di lettere minuscole e numeri (ad esempio g6, h6, f7) per gli alberi ^[1]. La tabella seguente riassume il significato delle lettere utilizzate nelle specifiche di tolleranza.

I numeri indicano i gradi di tolleranza internazionale (IT). Più basso è il numero, più stretta è la tolleranza e più precisa è la lavorazione. Le tolleranze IT5 e IT6 sono utilizzate per l'alta precisione. L'IT7 è utilizzato per la precisione ingegneristica generale. L'IT8 e l'IT9 indicano una precisione media, mentre l'IT10 e i gradi superiori indicano una tolleranza grossolana.

Ad esempio, in un contesto ingegneristico, se si progetta un foro da 20 mm e un albero da 20 mm con tolleranza H7/h6, ciò significa che:

• Il foro presenta una tolleranza positiva ammessa a partire dalla dimensione base di 20,00 mm.
• L'albero viene realizzato con elevata precisione in dimensioni vicine o leggermente inferiori a quelle standard, garantendo un accoppiamento a scorrimento o di posizione affidabile.

La tabella seguente illustra alcuni campi di applicazione per diverse tolleranze di gioco.

Quali sono i diversi tipi di “Clearance Fit”?

Esistono diversi accoppiamenti con gioco, come descritto;

• Accoppiamento a scorrimento: l’albero e il foro sono progettati con un gioco ridotto e controllato tra loro. I componenti scorrono agevolmente l’uno sull’altro senza resistenza né gioco eccessivo. Ne sono un esempio le guide lineari e i cuscinetti lineari.
• Montaggio "Easy Slide": lo spazio libero è leggermente maggiore rispetto al montaggio "Slide". In questo caso, lo scorrimento risulta ancora più agevole. Il montaggio "Easy Slide" consente un montaggio e uno smontaggio semplici grazie al ridotto spazio libero disponibile. Un esempio è un cassetto.
• Vestibilità "running fit": questa vestibilità è più ampia rispetto alla "slide fit", ma più aderente rispetto alla "slack running fit". È pensata per i componenti soggetti a movimento continuo. Un esempio è un nastro trasportatore.
• Montaggio "Slack running fit": presenta un gioco maggiore rispetto al montaggio "running fit". È indicato per componenti in cui sono ammessi giochi o disallineamenti minimi accettabili. Tra gli esempi figurano gli elementi di fissaggio e i supporti regolabili per macchine.
• Montaggio libero: offre la massima libertà di movimento. È indicato per applicazioni in cui non è necessario un allineamento preciso. Ne sono un esempio le porte scorrevoli e i pannelli.

Che cos’è l’accoppiamento con interferenza?

Un accoppiamento con interferenza è talvolta denominato accoppiamento per attrito o accoppiamento a pressione. Si tratta di un fissaggio tra due parti di accoppiamento che si incastrano perfettamente, il quale produce un giunto tenuto insieme dall’attrito dopo che le parti sono state spinte l’una contro l’altra. ^[2]. In pratica, il diametro dell’albero in questo accoppiamento è leggermente superiore al diametro del foro. Per unire i due elementi è necessaria una forza.

Gli accoppiamenti con interferenza creano un collegamento solido e stabile che può essere permanente o semipermanente. Questo tipo di accoppiamento viene utilizzato in ingranaggi e pulegge, gruppi di cuscinetti e mozzi delle ruote delle automobili, dove i componenti devono rimanere fissi anche in presenza di sollecitazioni e vibrazioni.

La misurazione di un accoppiamento con interferenza è simile a quella di un accoppiamento con gioco. Tuttavia, l’interferenza si calcola come segue:;

Differenza = Diametro dell'albero - Diametro del foro

Gli accoppiamenti con interferenza prevedono in genere tolleranze dell'albero più strette, quali s6, t6 o u6, per garantire un accoppiamento a pressione.

Che cos’è Transition Fit?

In questo tipo di accoppiamento, l’albero può essere leggermente più piccolo o più grande del foro (prima del montaggio). Questo accoppiamento viene utilizzato per creare un collegamento saldo e sicuro tra i due elementi in applicazioni che richiedono elevata precisione e stabilità. Garantisce un’elevata precisione, ma i componenti collegati possono essere smontati e rimontati senza subire danni. Consente di smontare e rimontare le parti da collegare, trasmettendo al contempo in modo efficace carichi operativi moderati. Questo accoppiamento rappresenta un compromesso tra l’accoppiamento con gioco e quello con interferenza. Viene utilizzato principalmente nei casi in cui l’allineamento preciso è fondamentale. Tra le applicazioni più comuni figurano le attrezzature di fissaggio, gli assemblaggi di precisione quali componenti di motori e macchinari, e i cuscinetti.

Un accoppiamento di transizione è l'ideale quando occorrono componenti che possano essere assemblati a mano con una forza minima, mantenendo al contempo una ragionevole precisione di posizionamento. Questo tipo di accoppiamento presenta una leggera interferenza rispetto all'intervallo di gioco, rendendolo ideale per parti che richiedono uno smontaggio occasionale o un posizionamento temporaneo.

Le caratteristiche principali dell'accoppiamento di transizione comprendono un gioco minimo o nullo e una forza di montaggio ridotta. È adatto al montaggio manuale, garantisce una precisione ragionevole e consente lo smontaggio occasionale.

Applicazioni industriali dell'accoppiamento di transizione

Diversi settori industriali utilizzano i raccordi di transizione per vari scopi:

Conclusione

L“”accoppiamento” è il rapporto dimensionale tra due parti da accoppiare prima dell’assemblaggio. L’accoppiamento è fondamentale per garantire che macchine e sistemi funzionino in modo efficiente e sicuro. Comprendere i tre tipi di accoppiamento – con gioco, con interferenza e di transizione – è essenziale per una progettazione e una produzione efficaci dei prodotti. Ciascun tipo ha una funzione specifica: gli accoppiamenti con gioco consentono il movimento tra le parti, quelli con interferenza creano connessioni permanenti e quelli di transizione garantiscono un movimento controllato con un allineamento preciso. La scelta dell’accoppiamento corretto migliora la durata, semplifica la manutenzione, contiene i costi e garantisce prestazioni affidabili. È importante tenere presente che le proprietà dei materiali e le variazioni di temperatura giocano un ruolo fondamentale nel raggiungimento dell’accoppiamento desiderato.

Riferimento

[1] Organizzazione internazionale per la normazione (ISO). (2010). ISO 286-1:2010 Specifiche geometriche dei prodotti (GPS) — Sistema di codici ISO per le tolleranze sulle dimensioni lineari. Catalogo delle norme ISO. https://www.iso.org/standard/45975.html

[2] ScienceDirect. (s.d.). Accoppiamento con interferenza – una panoramica. Argomenti di ScienceDirect. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/interference-fit