Nella costruzione delle macchine, con il termine di calettamento si identifica l’operazione mediante la quale si collegano due organi coassiali, disposti l’uno all’interno dell’altro, con la finalità di renderli solidali e trasmettere tra di essi delle azioni, una coppia nel caso più frequente, senza che si abbiano movimenti relativi.
Tra gli innumerevoli esempi di applicazione del calettamento, si possono citare quelli di una ruota ferroviaria sul proprio assale o di un organo di trasmissione, quale una ruota dentata di ingranaggio o di catena o una puleggia per cinghie, su di un albero.
Prima di passare in rassegna e descrivere le principali proprietà delle soluzioni costruttive che si utilizzano nella pratica, è d’obbligo una premessa riguardante la classificazione dei calettamenti sulla base del principio fisico utilizzato per ottenere la solidalità tra i due elementi, cioè per trasmettere tra di essi delle azioni, nel caso più frequente torcente, cioè una coppia, senza che si abbiano movimenti relativi.
Accoppiamento di forza e di forma
Si definiscono collegamenti o accoppiamenti di forza quelli nei quali la trasmissione della coppia avviene per attrito, cioè per effetto di sforzi tangenziali alle superfici a contatto, che si sviluppano quando le stesse sono premute da una forza ad esse perpendicolare, proporzionali a quest’ultima nella misura del coefficiente d’attrito. Sono invece di forma gli accoppiamenti nei quali la trasmissione avviene predisponendo superfici accoppiate di conformazione geometrica opportuna, in grado di trasmettere spinte ad esse perpendicolari e quindi senza necessitare dell’attrito.
Nel caso dell’accoppiamento di forza (figura 1), la possibilità di trasmettere la coppia è subordinata alla presenza di un carico normale alle superfici, cioè di un precarico, il quale è presente anche nel momento in cui la trasmissione non avvenga: la coppia massima trasmissibile è limitata dal valore di tale precarico. Con il collegamento di forma, che non richiede invece precarico, le forze sono applicate solamente all’atto della trasmissione: in questo caso la massima coppia trasmissibile è limitata dalla resistenza dei componenti, generalmente alla pressione sulle superfici attive.
L’esempio più tipico di collegamento di forza è costituito dal forzamento: il precarico tra l’elemento interno, denominato albero, e quello esterno, detto mozzo (nota: con il termine di mozzo si identifica in meccanica la parte di un componente deputata alla funzione di accoppiamento con l’albero), è generato dall’interferenza, in grado di produrre una pressione tra le superfici a contatto. Come noto, l’interferenza si ottiene realizzando un diametro del primo leggermente maggiore del secondo, grazie ad una scelta appropriata delle tolleranze di lavorazione dell’accoppiamento.
L’entità della massima coppia trasmissibile è soggetta all’incertezza derivante dal valore del coefficiente di attrito e alla variabilità dell’interferenza tra i diversi esemplari realizzati all’interno del campo di tolleranza.
Un’altra soluzione per il collegamento forzato è costituita dall’accoppiamento su sede conica: in questo caso la pressione tra le superfici coniche è generata mediante una spinta assiale reciproca, ottenuta ad esempio mediante una ghiera (figura 2).
I profili scanalati sono invece l’accoppiamento di forma per antonomasia: la trasmissione si concretizza per effetto della spinta tangenziale mutua tra le dentature esterna (maschio) ed interna (femmina), realizzate rispettivamente sull’elemento interno (albero) ed esterno (mozzo). Le dentature possono essere realizzate con svariati profili tra i quali si citano quelli a facce piane parallele e ad evolvente di cerchio, cioè analogo a quello dei denti degli ingranaggi anche se con valori di angoli di pressione generalmente più elevati.
Accoppiamento con chiavetta e linguetta
I tipi sin qui considerati sono caratterizzati dalla presenza dei soli elementi da collegare. Vi sono però delle soluzioni costruttive che prevedono l’utilizzo di un elemento interposto, per entrambe le varianti, forza e forma. È il caso delle chiavette e delle linguette (figure 3 e 4): sebbene spesso nel linguaggio comune venga per entrambe utilizzato in modo equivoco il termine chiavetta, sono due modalità di collegamento del tutto differenti dal punto di vista del principio di funzionamento e delle implicazioni conseguenti.
La linguetta ha infatti le facce superiori parallele si inserisce in cave realizzate rispettivamente su albero e mozzo, con presenza di un gioco in direzione radiale, cioè rispetto al fondo delle stesse: essa trasmette la coppia per effetto di pressioni esercitate sui fianchi a contatto su ciascuno dei due elementi, la cui risultante costituisce una forza tangenziale e si realizza così un accoppiamento di forma (figura 4).
Nella chiavetta invece, vi è un’inclinazione di 1:100 tra le facce inferiore e superiore e la sua azione si esplica a modo di cuneo: spinta in direzione assiale nelle cave di albero e mozzo genera una forza radiale tra i due elementi sulla superficie diametralmente opposta a quella in cui è posizionata, generando così la distribuzione di pressione utile alla trasmissione della coppia per attrito, cioè secondo la modalità di forza (figura 3).
Scelta dell’accoppiamento
Nella scelta dell’accoppiamento si devono considerare, oltre all’entità della coppia trasmissibile e la resistenza, altri requisiti funzionali, quali ad esempio la precisione del centraggio: ad esempio, il forzamento e la linguetta, per i quali il centraggio è governato dalle tolleranze sulle superfici cilindriche di albero e foro, consente accoppiamenti molto precisi. Ben diversa è invece la situazione della chiavetta, che con la sua azione tende intrinsecamente a produrre uno spostamento radiale relativo tra i due elementi, compromettendo il centraggio tra le superfici e producendo un’eccentricità che rende la soluzione poco adatta ad impieghi che richiedano alta precisione o elevata velocità di rotazione.
Un altro aspetto da considerare è la possibilità di consentire spostamenti relativi in direzione assiale tra albero e mozzo: esso è evidente impossibile per gli accoppiamenti di forza, nei quali il precarico è sempre presente, e può essere invece consentito con gli accoppiamenti di forma, dove può avvenire solo in assenza di coppia anche in presenza, in relazione alla scelta delle tolleranze.
Anche negli accoppiamenti di forma, si può introdurre una leggera interferenza: è il caso ad esempio degli scanalati (figura 5), per i quali, se si prevedono inversioni del segno della coppia, la presenza dell’ interferenza serve ad evitare l’azione di martellamento che si avrebbe in presenza di gioco, la quale danneggerebbe prematuramente le superfici.
Talvolta si possono combinare due modalità di calettamento, ad esempio forzamento e linguetta: la seconda può introdurre una riserva di capacità di trasmissione in caso di sovraccarichi o anche garantire il rispetto di una fase angolare tra l’albero e l’organo di macchina calettato, qualora richiesto dall’applicazione.
Oltre ai tipi fondamentali di calettamenti richiamati se ne hanno svariati altri, per la cui descrizione sistematica si rimanda a [1]. Saranno invece possibile oggetto di approfondimento nelle prossime puntate di questa rubrica le modalità di progetto e di calcolo di quelli qui considerati.