Progettazione e ottimizzazione di martinetti

I martinetti sono dispositivi deputati alla generazione di una forza per la movimentazione o il sollevamento di componenti o strutture. Il meccanismo principale con cui viene applicata la forza varia in relazione alla tipologia di martinetto e, nella maggior parte dei casi, si tratta di sistemi vite-madrevite o di sistemi idraulici/pneumatici cilindro-pistone.

I martinetti sono, in genere, classificati in relazione alla capacità massima di sollevamento, ad esempio, in ambito industriale, i martinetti sono dimensionati per carichi fino ad alcune tonnellate. I martinetti possono inoltre essere suddivisi a seconda della tipologia di forza impiegata: meccanica, idraulica o pneumatica. La conformazione più nota del comune martinetto è quella dedicata ad applicazioni automobilistiche, tuttavia, grazie all’integrazione dell’elettronica nel controllo di componenti e sistemi idraulici, si sta assistendo ad una profonda rivoluzione tecnologica di questo componente, specie in ambito idraulico.

Martinetti meccanici

Un martinetto meccanico utilizza un sistema vite-madrevite per il sollevamento di carichi pesanti ed è classificato in base alla capacità di carico (espressa in tonnellate).

Progettazione e ottimizzazione di martinetti a vite

In figura 1 è riportata la rappresentazione grafica per la progettazione di base di un martinetto meccanico, ricondotta alla configurazione di una vite.

La forza con cui viene azionato il martinetto, trascurando l’attrito, può essere espressa come:

F = (Q p) / (2 π R)

dove:

• F rappresenta la forza all’estremità del braccio o dell’impugnatura del martinetto (N)
• Q è il peso o carico sul martinetto (N)
• p è il passo, la distanza o lunghezza della filettatura in un giro (m)
• R è il raggio del braccio di leva (m)

La forza di azionamento del martinetto è direttamente proporzionale al carico applicato e al passo della filettatura, ed è inversamente proporzionale al braccio di leva. Pertanto, un aumento del carico o del passo, o una diminuzione del raggio del braccio di leva, producono un aumento della forza di azionamento del martinetto.

In ambito ingegneristico e industriale, il calcolo della forza del martinetto è utile in tutti quei settori in cui è necessario sollevare, posizionare o stabilizzare carichi pesanti. Alcuni dei principali esempi di applicazione di martinetti meccanici in ambito industriale sono elencati di seguito.

• Nel settore automotive e in edilizia, i martinetti vengono impiegati laddove è richiesto il sollevamento di carichi pesanti, in tal caso è spesso necessario conoscere la forza del martinetto al fine di poter determinare la sua dimensione e configurazione.
• Nei settori manifatturiero e di assemblaggio, quando ci si avvale dei martinetti per posizionare con precisione macchinari o attrezzature, informazioni sulla forza del martinetto si rendono, anche in questo caso, necessarie per una sua configurazione specifica.
• I martinetti possono essere poi impiegati per stabilizzare ponti ed edifici, mediante applicazione di una forza che si opponga ai carichi o ai movimenti esterni. In questa circostanza occorre determinare la forza necessaria per stabilizzare la struttura.
• Imartinetti sono infine utilizzati per regolare l’altezza di piattaforme o palchi, ad esempio nel settore dell’intrattenimento o simili. Calcolando la forza, è possibile selezionare la tipologia di martinetto più idonea alla specifica applicazione nonché determinare il numero di martinetti necessari.

La coppia T che agisce sulla vite viene, invece, calcolata come:

T = F R

In presenza di un certo coefficiente di attrito, nella condizione in cui il movimento avviene nella stessa direzione del carico (cioè nel caso in cui il martinetto controlla l’azione del carico esterno accompagnandone l’effetto), la forza generata può essere ottenuta come:

F = Q ( (2 π μ r – p) / (2 π r + μ p) ) (r / R)

dove r è il raggio della vite e μ il coefficiente di attrito.

Al contrario, quando il movimento imposto dal martinetto è diretto in verso opposto al carico esterno, la forza è espressa come:

F = Q ( (2 π μ r + p) / (2 π r – μ p) ) (r / R)

Esempi di integrazione in sistemi complessi

I martinetti a vite trovano applicazione in sistemi e impianti complessi per operazioni di sollevamento, tensionamento di nastri, movimentazione di container, regolazioni assiali di parti meccaniche, etc.

Riguardo le modalità di installazione, è bene ricordare che quest’ultima dovrebbe essere eseguita evitando carichi radiali/laterali, che rappresentano la principale causa di guasti dell’elemento filettato che trasmette il moto e il carico. La vite e il piano di base del martinetto devono essere ortogonali fra loro ed occorre verificare l’assialità tra il carico esterno e la vite stessa, evitando disallineamenti. Qualora siano richiesti più martinetti (collegati anche mediante trasmissioni) è indispensabile che i terminali siano perfettamente allineati in modo tale che il carico sia ripartito in modo uniforme, in questo caso è consigliabile l’utilizzo di giunti elastici o altri elementi deformabili per assorbire eventuali disallineamenti.

La verifica del dimensionamento, da effettuare mediante i dati di targa del martinetto, deve tenere conto dei seguenti parametri principali:

• Carico (N), equivalente alla forza applicata alla vite traslante del martinetto.
• Velocità di rotazione (mm/min), corrispondente alla velocità di movimentazione del carico desiderata. È buona norma limitare tale parametro ad un valore massimo di 1500 rpm in ingresso.
• Corsa (mm), vale a dire la misura lineare necessaria per movimentare il carico che, in genere coincide con la lunghezza totale della vite filettata. 
• Protezione (parametro opzionale) necessaria per proteggere la filettatura da impurità, sporcizia, corpi estranei e/o montaggio e movimenti trasversali indesiderati. 
• Momento torcente (Nm), coppia richiesta per la movimentazione del carico. 

Sebbene i martinetti siano progettati per esercitare il carico prevalentemente lungo la direzione assiale, essi, entro certi limiti, sono in grado di sopportare anche carichi trasversali (o radiali).

I carichi hanno origine dagli organi o dai componenti collegati al martinetto. Sono svariate le cause che possono indurre carichi trasversali tra cui, ad esempio, tiri cinghia/catena, accelerazioni e decelerazioni, disallineamenti della struttura, vibrazioni, urti, etc. 
In relazione a quanto detto, i carichi agenti sulla vite filettata, in relazione al suo asse, possono essere di tipo radiale (FR: forza radiale) e assiale (FA: forza assiale). La forza assiale può essere, a sua volta, di trazione o di compressione. 

In figura 2 si riporta un esempio di carichi assiali e radiali in compressione e trazione dove:

• FR – forza/carico radiale che agisce nella direzione perpendicolare all’asse della vite;
• FA – forza/carico assiale che agisce nella direzione dell’asse della vite.

In figura 3 si riportano alcuni esempi di applicazione di martinetti meccanici a vite per operazioni di sollevamento, tensionamento, allineamento e ribaltamento.

Martinetti a vite trapezoidale

Quando è necessario spostare un carico pesante con elevata precisione e sicurezza, il martinetto a vite trapezoidale rappresenta una scelta molto indicata. Grazie alla consolidata tecnologia e al design resistente dei martinetti a vite trapezoidale, è possibile trovare numerose unità di alta qualità in grado di soddisfare le esigenze di progetto. Anche se si potrebbe presumere che non esistano differenze significative tra i numerosi prodotti disponibili, ciò non è esatto. Infatti, quando le prestazioni sono cruciali, alcuni fattori possono fare la differenza tra un buon martinetto a vite e un martinetto a vite molto prestante.

Il martinetto a vite trapezoidale rappresenta la soluzione ideale quando si tratta di movimentare carichi pesanti in modo accurato e sicuro perché la sua geometria contribuisce a garantire un sollevamento efficiente, riducendo al minimo l’usura e assicurando una precisione ottimale. Questi martinetti vantano una tecnologia consolidata e un design che resiste molto bene ai cicli di carico. Questa solidità permette di accedere a un’ampia gamma di unità di alta qualità, in grado di soddisfare i requisiti progettuali di base con affidabilità e durata. Nel momento in cui le prestazioni diventano cruciali, i fattori determinanti per il design del martinetto trapezoidale sono la qualità dei materiali impiegati, la precisione della costruzione e una lubrificazione adeguata.

Criteri di progettazione di martinetti a vite trapezoidale

Quando si definiscono le specifiche di un martinetto a vite trapezoidale, è essenziale consultare il datasheet del produttore per ottenere le seguenti informazioni principali.

• Capacità di carico

Occorre fare riferimento al datasheet del martinetto a vite per conoscere le sue capacità di gestione del carico statico e dinamico. È importante tenere presente che identificare e selezionare un martinetto a vite non riguarda solo la definizione delle sue capacità di carico. È infatti importante anche specificare se il martinetto a vite sarà configurato per un carico di compressione o di trazione.

• Velocità di movimentazione

Le velocità di azionamento in giri/minuto e i rapporti di trasmissione aiutano a determinare la velocità con cui il carico è in grado di spostarsi. Esistono in commercio alcuni rapporti standard di trasmissione (1:5, 1:10, 1:30) e altre variabili da costruttore a costruttore. A causa dell’attrito che si genera tra gli ingranaggi e i filetti della vite, una velocità di movimentazione elevata potrebbe in certe condizioni di carico causare il surriscaldamento dell’unità. Alcuni test eseguiti al banco mostrano che le velocità in ingresso in martinetti a vite trapezoidale non dovrebbero mai superare i 1800 giri/minuto. È bene verificare le tabelle di riferimento del produttore del martinetto anche per accertare i limiti di temperatura accettabili per le varie condizioni di lavoro.

• Duty cycle

I martinetti a vite richiedono di rispettare intervalli di tempo prestabiliti tra un utilizzo e il successivo al fine di dissipare il calore prodotto, sconsigliando quindi di utilizzarli in modo continuo. Il ciclo di lavoro indica la frequenza di progetto con cui il martinetto a vite è chiamato a movimentare il carico. Tale ciclo di lavoro è fortemente dipendente dall’entità del carico movimentato e dalla velocità di esercizio.

• Altri fattori

Questi possono ad esempio comprendere condizioni ambientali che influenzano il funzionamento del martinetto a vite, come temperatura e vibrazioni.

Quando si solleva un carico in configurazione di compressione, la vite può essere soggetta a cedimenti o deformazioni sotto il peso del carico. In questo tipo di situazione, è bene fare riferimento alle leggi di Eulero già richiamate in precedenza per ottenere indicazioni su come ridurre il carico e non superare le soglie di sicurezza. In modalità di trazione, il cedimento della vite è poco probabile. È da sottolineare che i martinetti a vite non sono progettati per gestire carichi laterali. Se il carico non è perfettamente centrato, è consigliabile adottare contromisure, come ad esempio l’installazione di un cuscinetto lineare, per assorbire il momento flettente ed evitare così l’usura prematura di denti o filetti e i conseguenti guasti correlati (rumore, vibrazioni, surriscaldamento).

Soluzioni di design versatili

Il tradizionale design del martinetto a vite prevede una piastra metallica che supporta una scatola arrotondata che alloggia ruota la dentata, con la vite trapezoidale che fuoriesce dalla parte superiore. Sebbene questo design sia ben consolidato, presenta un inconveniente: durante l’installazione del martinetto, questo deve connettersi direttamente alla piastra metallica in modo univoco e gli utenti devono definire l’orientamento del dispositivo in base al fatto che sarà sottoposto a un carico di compressione oppure di trazione. Il design flangiato presenta anche un potenziale punto debole dove la piastra metallica si collega alla sezione arrotondata del riduttore.

Per ottenere una maggiore flessibilità di orientamento, si possono considerare design meno convenzionali, che possano offrire flessibilità nell’orientamento spaziale, ma anche robustezza e facilità di installazione. Uno di questi design è caratterizzato da una forma squadrata del riduttore con sei superfici lavorate, che consentono l’installazione del martinetto a vite in molteplici configurazioni (figura 4). Questi martinetti trapezoidali possiedono solitamente fori passanti che consentono l’installazione per utilizzo dall’alto verso il basso oppure anche lateralmente. Inoltre, una coppia di collari, ognuno dotato di un cuscinetto integrato identico e con la stessa capacità di carico in entrambe le direzioni, guida la vite ed elimina la necessità di specificare la direzione del carico e la configurazione operativa. Questo innovativo concetto di “doppia guida” e cuscinetto assiale fornisce anche un movimento intrinsecamente più preciso poiché la vite è guidata da due punti anziché uno.

Materiali e processi di produzione

Sebbene ci siano poche differenze tra i produttori di martinetti a vite per quanto riguarda i materiali utilizzati nella loro costruzione, alcuni materiali sono più adatti di altri in determinate situazioni. Il tipo di materiale è strettamente correlato al processo di fabbricazione dei componenti del martinetto a vite. Infatti, l’uso di materiali di alta qualità in combinazione con processi di produzione superiori di solito genera martinetti a vite dalle prestazioni ottimali. Di seguito è riassunto l’utilizzo di vari materiali nella costruzione dei martinetti a vite, le loro caratteristiche e alcuni fattori di produzione che possono distinguere un’unità ad alte prestazioni.

• Scatola e supporto

Alluminio lavorato: Comunemente utilizzato per unità più piccole grazie alle sue proprietà di dissipazione del calore, buona durabilità e elevata resistenza alla trazione.

Ghisa: adatta per scatole di dimensioni medie, la ghisa offre un’eccellente rigidezza, durabilità e buone caratteristiche di smorzamento.

Acciaio elettrosaldato: consigliato per unità di grandi dimensioni impiegate nelle applicazioni a prestazioni più impegnative. Il carbonio manganese, un acciaio non legato, presenta elevata resistenza e ottima saldabilità.

Tecnopolimeri: polimeri tecnici ad alte prestazioni, progettati per soddisfare specifiche esigenze tecniche che, oltre a essere convenienti economicamente, vantano diversi vantaggi di tipo meccanico e riguardo la lubrificazione.

• Vite e ingranaggi conici

Acciaio Inox AISI 316: acciaio inossidabile ampiamente utilizzato che offre una buona resistenza alla corrosione, una difesa eccellente contro la salinità e un’ottima resistenza alla trazione sia a basse che alte temperature operative.

• Ingranaggi interni

Bronzo-stagno: conosciuto nell’industria come uno dei materiali prediletti per gli ingranaggi, il bronzo allo stagno può resistere all’usura e offre buona resistenza alla corrosione, buona lavorabilità e una capacità di carico medio-bassa.

Bronzo-alluminio: il bronzo all’alluminio ha una resistenza alla trazione superiore e una maggiore resistenza all’usura rispetto al comune bronzo allo stagno. Il bronzo all’alluminio ottiene le sue proprietà grazie al processo di colata in stampi di raffreddamento. Questo processo crea ingranaggi con una micro-struttura più fine e omogenea, risultando in un accoppiamento intrinsecamente più preciso con gli altri ingranaggi. Tutto questo si traduce anche in maggiore affidabilità nel tempo, una vita più lunga, funzionamento silenzioso e ottime proprietà di scorrimento.

Acciaio temprato: questo materiale è noto per la sua capacità di resistere a trattamenti termici con minime deformazioni. Le viti senza fine realizzate in acciaio temprato mostrano una maggiore resistenza all’usura e una resistenza strutturale eccezionale. Quando una vite senza fine temprata è anche cementata e rettificata con precisione, si accoppia precisamente alla ruota e risulta più resistente nel tempo.

• Viti senza fine

Acciaio C45: acciaio al carbonio di grado medio, generalmente più conveniente rispetto all’acciaio legato.

Acciaio Inox AISI 316: si veda descrizione precedente.

A seconda delle dimensioni della vite senza fine, entrambi i materiali possono essere prodotti mediante taglio o rullatura. Il taglio offre tipicamente una buona precisione e la capacità di realizzare filettature speciali, filetti multipli, filettature sinistrorse o altre caratteristiche, ma comporta anche una maggiore rugosità superficiale. La rullatura produce una superficie liscia e di alta qualità, con un funzionamento più silenzioso, ridotta usura e una maggiore longevità. È importante sottolineare che, in caso di applicazioni critiche come quelle in ambienti estremi o laddove la sicurezza è essenziale, è necessario adottare prodotti con materiali certificati e che siano in grado di soddisfare protocolli specifici del settore.

Lubrificazione

Nonostante i moderni martinetti a vite offrano una durata e una resistenza notevoli, una corretta lubrificazione rimane essenziale per garantire un funzionamento affidabile di questo componente di trasmissione. Come è ovvio, la lunga durata del martinetto a vite è favorita da una adeguata manutenzione.

Ci sono molte situazioni che richiedono un lubrificante più performante di quelli standard oppure un sistema di lubrificazione non convenzionale. Ad esempio, ambienti speciali possono richiedere formulazioni di grasso particolari. Bisogna sempre considerare che lo spegnimento di macchinari in produzione per eseguire manutenzioni straordinarie e l’invio di personale specializzato in località remote è molto più dispendioso in termini di tempo e denaro che non adottare metodi di lubrificazione di alto livello. Il supporto del costruttore di solito è determinante per affrontare questo tipo di problematica.

Esistono diverse opzioni di lubrificazione per applicazioni in ambienti critici, dai sistemi di lubrificazione forzata, alla lubrificazione a bagno d’olio e alle unità programmabili. Un dispositivo di questo tipo, detto a camera singola, è una configurazione completamente sigillata a bagno d’olio per applicazioni in cui il ciclo di lavoro richiede una lubrificazione costante e continua per tutte le parti in movimento (figura 5). Mediante altre opzioni, come le protezioni rigide, si può proteggere la vite trapezoidale da polvere e detriti. In questo caso, l’unità è completamente sigillata e riempita di olio; ogni volta che la vite si abbassa, si immerge nel bagno d’olio per una lubrificazione permanente. Per applicazioni speciali, esistono poi lubrificanti non convenzionali, come quelli per l’industria alimentare, per temperature elevate oppure basse, per ambienti sterili e biologici, e per applicazioni nucleari ed esplosive.

In sintesi

In termini di progettazione, i trend che si osservano in merito alla evoluzione delle caratteristiche principali coinvolgono i seguenti aspetti, almeno per quanto riguarda i martinetti per uso industriale:

• migliorare la semplicità di utilizzo mediante innovazioni nei sistemi di applicazione del carico, ergonomia, leggerezza, materiali più efficienti e duraturi;
• aumentare la capacità di carico mediante soluzioni costruttive più elaborate, sempre tenendo in considerazione la voce relativa ai costi;
• ridurre i costi, in relazione alle possibili migliorie applicabili come citato al punto precedente;
• garantire la sicurezza del dispositivo e consentire affidabilità elevate anche in presenza di manutenzione ridotta e anche evitando, ove possibile, l’azionamento manuale del martinetto.

Giorgio De Pasquale, Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, Politecnico di Torino, Smart Structures and Systems Lab

Elena Perotti, Senior data analyst