Come scegliere un metodo di fissaggio del perno della cerniera per apparecchiature soggette a vibrazioni

Non è necessario che il perno della cerniera si stacchi perché il suo fissaggio diventi un problema. Una migrazione assiale parziale può ridurre l’innesto con una delle articolazioni, aumentare la sporgenza all’estremità opposta, spostare una scanalatura o una sezione filettata verso l’area di appoggio, oppure modificare il modo in cui il perno è sostenuto all’interno del gruppo cerniera.

Questo rende la scelta di un metodo di fissaggio del perno della cerniera Non si tratta solo di verificare se il perno risulti ben saldo durante il montaggio. Nel caso delle apparecchiature soggette a vibrazioni, le domande rilevanti sono: cosa può far muovere il perno, cosa ne blocca fisicamente il movimento, qual è la corsa disponibile prima di raggiungere il punto di arresto e se lo stesso metodo di fissaggio continui a funzionare anche dopo che la cerniera è stata installata all’interno dell’apparecchiatura finita.

Due decisioni consentono di restringere rapidamente il campo delle possibilità. Innanzitutto, occorre stabilire se il progetto richieda un fermo geometrico positivo oppure se sia possibile ricorrere a un sistema di ritenzione basato su un accoppiamento ad attrito controllato. Successivamente, occorre decidere se la rimozione del perno rientri nella normale manutenzione. Queste decisioni sono solitamente più rilevanti del nome commerciale attribuito al dispositivo di ritenzione.

Anche il sistema di fissaggio dei perni è diverso dal meccanismo antisollevamento delle ante. Un perno può essere fissato correttamente, mentre un’anta rimovibile presenta comunque un percorso di sollevamento indesiderato. Le applicazioni che utilizzano cerniere rimovibili dovrebbero tenere conto di distanza di decollo e ritenzione anti-sollevamento come requisito specifico a livello di porta.

La migrazione dei perni è un problema di vincolo assiale

Una cerniera richiede normalmente un certo gioco all’interno del gruppo perno-articolazione, in modo che le ante possano ruotare senza essere bloccate in senso assiale. Tale gioco non costituisce di per sé un difetto. Diventa un problema di tenuta quando il perno può continuare a muoversi abbastanza da modificare il supporto previsto o la geometria di funzionamento.

La perdita totale del perno rappresenta solo l’ultimo stadio di tale sequenza. Se una parte del perno si stacca da una snodo, la lunghezza sostenuta e la distribuzione del carico attraverso gli snodi rimanenti cambiano. Il carico locale sul bordo o la sollecitazione di flessione del perno possono aumentare prima che il perno sia anche solo lontanamente vicino a staccarsi completamente.

Contemporaneamente, anche l'estremità opposta subisce delle variazioni. Un’ulteriore sporgenza potrebbe interferire con un coperchio, una canalina per cavi, una protezione o una struttura adiacente. Anche una scanalatura per l’anello di ritegno, una filettatura o un foro trasversale che in origine si trovavano al di fuori dell’area di lavoro del cuscinetto possono avvicinarsi al bordo di un snodo.

Il percorso di rilascio ha due direzioni

Un perno verticale può sembrare sicuro perché la forza di gravità agisce in una sola direzione, ma la gravità non costituisce una caratteristica di ritenzione positiva. L'attrezzatura potrebbe essere trasportata su un altro lato, essere soggetta a urti lungo l'asse di cerniera o essere installata ad angolo.

Un anello di ritegno a un'estremità impedisce lo spostamento in direzione di tale anello. Nella direzione opposta è comunque necessario un elemento di testa, una spalla, un secondo anello di ritegno, una geometria a gradini o un altro elemento di bloccaggio, qualora il perno possa muoversi in quella direzione.

Tracciare il perno da un'estremità all'altra è più utile che chiedersi se il disegno contenga un fermo. La revisione è completa solo quando è possibile identificare l'elemento che blocca ciascuna direzione di sgancio rilevante.

I metodi di fissaggio dei perni delle cerniere variano a seconda del percorso del carico

La differenza tecnica più significativa riguarda il confronto tra un arresto geometrico positivo e un giunto a frizione.

A arresto positivo impedisce un ulteriore spostamento poiché l’elemento di ritegno non può passare attraverso l’apertura disponibile. Una testa sagomata, un anello di ritegno, un perno trasversale o una spalla di bloccaggio funzionano in questo modo. Per consentire un ulteriore movimento è necessario che il fermo, il perno, la scanalatura o l’elemento circostante si deformi, si rompa o si sganci.

A sistema dipendente dall'attrito resiste al movimento grazie alla pressione di contatto. Un perno a accoppiamento con interferenza ne è un esempio comune. Anche il funzionamento di una vite di fissaggio che fa leva su un perno liscio può dipendere principalmente dalla forza di contatto e dall’attrito. È possibile che non vi sia alcun elemento di bloccaggio positivo più avanti lungo il percorso di sgancio.

Entrambi gli approcci possono essere validi. Richiedono semplicemente prove diverse. Un'estremità sagomata può essere valutata in base alla sua geometria e alle condizioni di assemblaggio. Un accoppiamento con interferenza dipende in misura molto maggiore dal perno finito, dal foro e dal rapporto tra i due elementi assemblati.

Le conseguenze della migrazione dovrebbero influenzare il livello di incertezza che il progetto è in grado di tollerare. Se i movimenti limitati hanno un effetto minimo sull’attrezzatura, un sistema basato sull’attrito e adeguatamente controllato può continuare a rappresentare una soluzione ragionevole. Se invece la migrazione riduce l’innesto richiesto dei snodi, modifica la posizione dei fermi o delle guarnizioni, oppure può portare alla perdita della geometria di sostegno della porta, diventa più facile giustificare l’adozione di un sistema di ritenzione positiva.

La tenuta con accoppiamento con interferenza dipende dall'accoppiamento di montaggio

Un perno a accoppiamento con interferenza può garantire una notevole resistenza assiale senza bisogno di un elemento terminale aggiuntivo, ma è proprio la sua posizione di montaggio a costituire il sistema di fissaggio.

Il diametro del perno, il diametro interno, la rotondità, lo stato della superficie, lo spessore del rivestimento, la rigidità del giunto e il metodo di assemblaggio influenzano tutti tale interfaccia. Il diametro nominale del perno da solo non è sufficiente a descrivere le condizioni di ritenzione. Anche un giunto in lamiera stampata e un mozzo lavorato di spessore elevato possono comportarsi in modo diverso a parità di interferenza nominale.

L'usura da sfregamento, la corrosione, l'usura o la ripetuta rimozione dei perni possono alterare l'interfaccia di accoppiamento durante il servizio. Ciò non rende il sistema di fissaggio a interferenza inadatto alle apparecchiature soggette a vibrazioni. Significa che il fornitore dovrebbe essere in grado di spiegare quali fattori determinano l'accoppiamento e quali prove giustificano l'affidarsi ad esso per il fissaggio assiale.

Lo stesso ragionamento vale per una vite di fissaggio. Una vite che preme contro un perno cilindrico liscio dipende comunque in larga misura dalle condizioni di contatto e di bloccaggio. Una vite che si inserisce in una scanalatura circonferenziale, in un foro o in una spalla appositamente predisposti può fornire una barriera più efficace contro lo spostamento assiale. Elementi di fissaggio dall’aspetto simile possono quindi presentare comportamenti di ritenzione diversi.

La corsa assiale può trasformare il fermo in un fermo antiurto

Un fermo positivo non sostiene sempre il carico in modo continuo. Il perno può avere libertà assiale tra i due punti di fissaggio e muoversi prima di entrare in contatto con l'estremità trattenuta.

Ciò modifica le condizioni in corrispondenza del punto di arresto. Un elemento di fissaggio mantenuto contro una superficie con un leggero contatto continuo non viene sollecitato allo stesso modo di uno che subisce urti ripetuti dopo che il perno ha superato un gioco. In presenza di vibrazioni o urti, la seconda condizione può causare contatti locali ripetuti in corrispondenza della scanalatura dell’anello di fissaggio, della testa sagomata, del perno trasversale o della superficie adiacente del snodo.

Il carico risultante non può essere ridotto a un'unica forza universale poiché dipende dalle vibrazioni trasmesse dall'attrezzatura, dalla massa in movimento, dalla corsa assiale disponibile, dalla velocità relativa, dalla rigidità di contatto e dalla deformazione locale. Ciò che conta ai fini della scelta è la relazione: Una maggiore libertà assiale può trasformare il fermo da un dispositivo di arresto della migrazione a una componente del percorso del carico operativo ricorrente.

Un elemento di ritenzione può quindi rimanere in posizione pur subendo un deterioramento. Un anello può rimanere installato anche se nella sua scanalatura si forma un’indurimento locale. L’estremità sagomata di un perno può rimanere intatta mentre il contatto ripetuto lascia segni sulla superficie adiacente del perno. Un perno trasversale può rimanere incastrato mentre si sviluppa una deformazione locale attorno al suo foro.

Quando il progetto previsto prevede che il perno entri ripetutamente in contatto con il dispositivo di ritenuta, la proposta del fornitore dovrebbe tenere conto di tale condizione operativa, anziché limitarsi a dimostrare che è impossibile che il perno fuoriesca completamente.

I dispositivi di ritenzione permanenti e rimovibili risolvono problemi di servizio diversi

Un perno destinato a rimanere nella cerniera per tutta la durata di vita del gruppo non richiede la stessa struttura di fissaggio di un perno che viene rimosso in occasione di operazioni di pulizia, riparazione o revisione programmata.

Estremità dei perni sagomate, fissate con picchetti e ricalcate

Operazioni quali la ricalcatura, la ricalcatura a stampo, la tornitura, la martellatura o altre operazioni di formatura modificano la geometria dell'estremità dopo il montaggio del perno. L'estremità allargata o deformata non è più in grado di passare attraverso l'apertura adiacente.

In questo modo non è più necessario utilizzare una clip o un dado separati, il che risulta utile quando il perno non deve mai essere rimosso durante il normale funzionamento. Tuttavia, assume importanza il processo di produzione stesso: una formatura eccessiva può bloccare il gruppo del giunto o deformare il perno, mentre una formatura insufficiente può comportare un sistema di fissaggio non uniforme.

In questo caso, il materiale e le condizioni del perno sono fondamentali. Il materiale scelto, la durezza e il processo di formatura devono essere compatibili. Un sistema di fissaggio che si basa sulla formatura plastica dell’estremità del perno non dovrebbe essere approvato solo sulla base del profilo del prodotto finito, senza comprendere come venga ottenuta tale geometria.

La prova diretta più efficace per questo tipo di costruzione è semplice: una fotografia ravvicinata dell’estremità effettiva del perno di ritenzione, accompagnata dal relativo disegno di produzione o da un campione. Ciò illustra la geometria reale in modo molto più chiaro rispetto a un’altra illustrazione generica della ritenzione.

Perni di fissaggio

Un perno con testa, una spalla di bloccaggio o una sequenza di assemblaggio che ostruisce il percorso di sgancio può garantire una ritenzione positiva permanente senza bisogno di un fermo terminale separato.

Il compromesso in termini di manutenzione è meno evidente. Se il perno può essere installato solo prima che un altro componente della cerniera venga sagomato, saldato o assemblato, un eventuale danneggiamento del perno potrebbe richiedere la sostituzione completa della cerniera. Il termine “cattivo” descrive lo stato di fissaggio; ciò non significa automaticamente che il perno sia facilmente riparabile.

Anelli di ritenuta, elementi di fissaggio filettati e perni trasversali

I fermi rimovibili tramite servizio sono indicati quando la rimozione dei perni è un’operazione di manutenzione prevista.

Un anello di ritegno offre un fermo visibile e può consentire uno smontaggio rapido, ma la scanalatura diventa parte integrante della geometria del perno. La scanalatura deve trovarsi al di fuori di un’area non idonea al cuscinetto ed è necessario garantire un accesso laterale sufficiente sia per l’anello che per l’attrezzo di rimozione.

Il fissaggio filettato può avvenire tramite un dado, un'estremità filettata o un elemento di fissaggio bloccato. È una soluzione pratica quando la procedura di manutenzione prevede già l'uso di normali utensili manuali, ma la filettatura di per sé non garantisce che il componente non si allenti a causa delle vibrazioni. Il metodo di bloccaggio è parte integrante della proposta.

Un perno trasversale o una coppiglia crea un evidente arresto fisico. Richiede inoltre un foro trasversale nel perno principale e aggiunge un ulteriore componente di manutenzione. La posizione del foro, la sporgenza del perno e lo spazio libero circostante sono quindi fattori importanti, oltre alla facilità di rimozione.

Un perno che viene rimosso regolarmente richiede un sistema di fissaggio progettato per un uso ripetuto. La formatura permanente delle estremità solitamente non soddisfa tale requisito. È vero anche il contrario: aggiungere una scanalatura lavorata, un anello separato e un componente sostituibile a un perno che non dovrebbe mai essere rimosso può aumentare la complessità di produzione e manutenzione senza risolvere alcun problema concreto.

La ritenzione assiale non determina la rotazione del perno

Un perno fissato può comunque ruotare.

In alcune cerniere il perno è fissato intenzionalmente a una delle ante, cosicché la rotazione avviene tra il perno e i perni di articolazione opposti. Altre consentono al perno di ruotare su una porzione più ampia della pila. Un anello di ritegno può limitare lo scorrimento assiale senza influire su nessuna delle due condizioni.

Se l'interfaccia fissa prevista non viene mantenuta, la superficie di usura attiva può spostarsi su un'altra interfaccia tra perno e snodo, anche se la ritenzione assiale rimane completamente intatta. Un confronto tra fornitori dovrebbe quindi identificare quale interfaccia è destinata a ruotare, non solo ciò che impedisce al perno di uscire dalla cerniera.

La geometria di ritenzione non deve influire sul problema del cuscinetto

Il fissaggio positivo spesso prevede l'aggiunta di una scanalatura, un foro, una filettatura o una transizione sagomata sul perno. Tali caratteristiche devono essere esaminate insieme alle zone in cui il perno è sostenuto.

Una scanalatura per l'anello di ritegno riduce la sezione locale del perno. Un foro trasversale interrompe la sezione in un altro modo. Anche l'eccentricità della filettatura e le transizioni formate bruscamente modificano la geometria locale. Il posizionamento di tali caratteristiche immediatamente accanto al bordo di un snodo sottoposto a carichi elevati può concentrare due diverse funzioni — supporto del cuscinetto e ritenzione — nella stessa breve sezione del perno.

Il movimento assiale può aggravare la situazione. Una scanalatura che ha origine all’esterno dell’area di appoggio può spostarsi verso il bordo di un snodo. Una parte filettata può penetrare in una zona destinata a un contatto scorrevole. Un foro trasversale può avvicinarsi a un punto di appoggio sottoposto a carichi elevati.

Questa utile analisi mette insieme tre aspetti geometrici: il punto in cui il perno è appoggiato, la posizione del dispositivo di ritegno e la distanza che il perno può percorrere prima di raggiungere il fermo.

La macchina installata può scartare un fermo in buono stato

Un sistema di fissaggio può sembrare del tutto adeguato sul disegno del cardine, ma rivelarsi difficile da utilizzare una volta assemblato il resto della macchina.

Per gli anelli di ritegno è necessario poterli afferrare con una pinza. I fermi filettati richiedono una chiave, una chiave a bussola o un cacciavite. I perni trasversali richiedono spazio sufficiente per consentire l'estrazione del perno secondario. Una volta sbloccato il fermo, il perno principale della cerniera potrebbe comunque richiedere una corsa assiale prima di liberarsi dal gruppo del giunto.

Lo spazio libero rilevante è quindi l'insieme completo del movimento di rimozione del fermo, dell'utensile e del perno, e non solo lo spazio visibile accanto alla cerniera.

Funzionamento sicuro, bloccato durante la manutenzione

Un anello di ritegno situato sopra il snodo superiore è in grado di impedire correttamente lo spostamento del perno, mentre una copertura dell’attrezzatura posta sopra di esso blocca le pinze necessarie per rimuoverlo. Sia l’anello che la scanalatura funzionano come previsto. Il conflitto si manifesta solo quando la cerniera viene valutata in relazione alla struttura circostante.

Anche l'accesso al prototipo può trarre in inganno. Una clip può essere facilmente raggiungibile prima dell'installazione di una canalina di cablaggio, di una copertura antipioggia, di una protezione o di un modulo interno, ma risultare di fatto inaccessibile nell'assemblaggio di produzione.

L'ambiente aggiunge un ulteriore fattore di complicazione. Le scanalature e le clip a vista possono accumulare trucioli, vernice, sporco o ghiaccio. Le coppiglie o i perni di sicurezza sporgenti possono creare punti di impigliamento. Anche la corrosione e la contaminazione possono rendere molto più difficile la manutenzione di un dispositivo di fissaggio che, in teoria, dovrebbe essere rimovibile. Due applicazioni con livelli di vibrazione simili possono quindi richiedere metodi di fissaggio diversi a causa delle diverse condizioni ambientali in cui sono installate.

Confronta le proposte dei fornitori sulla base dei dati concreti, non delle etichette di fidelizzazione

Una semplice indicazione del tipo “perno fissato” non è sufficiente per confrontare due cerniere. La proposta diventa utile quando il produttore OEM può capire cosa impedisce lo spostamento, quali condizioni di produzione determinano tale caratteristica e cosa succede quando il perno alla fine necessita di manutenzione.

Nessuno dei metodi riportati nella tabella è universalmente superiore. I costi variano a seconda del perno stesso, degli elementi di fissaggio secondari, delle operazioni di lavorazione o formatura, del controllo dell’assemblaggio e della manutenzione futura. Un dettaglio economico del componente può trasformarsi in una scelta costosa per l’attrezzatura se in seguito costringe a una rimozione distruttiva o alla sostituzione completa della cerniera.

Quando si dichiarano prestazioni in materia di vibrazioni, è fondamentale fornire prove concrete

Se un fornitore sostiene che un progetto con perno di fissaggio sia stato convalidato per le vibrazioni, la prova concreta è il verbale di prova piuttosto che la dicitura “testato alle vibrazioni”. Il rapporto dovrebbe identificare la cerniera o la configurazione del campione sottoposta a prova, il metodo di fissaggio, l’attrezzatura di prova, le condizioni di vibrazione applicate, la durata o l’esposizione, nonché gli elementi ispezionati prima e dopo la prova. Qualsiasi limite di accettabilità relativo alla migrazione dei perni dovrebbe derivare dai requisiti dell’apparecchiatura o da una specifica di progetto concordata.

Per i progetti che prevedono l'uso di vibrazioni casuali a banda larga, la norma IEC 60068-2-64:2008+A1:2019 fornisce un metodo di prova ambientale standardizzato per la valutazione dei campioni in condizioni specificate di vibrazione casuale. La norma viene utilizzata insieme alle specifiche di prodotto pertinenti per valutare l’accettabilità; essa non stabilisce un valore universale ammissibile di spostamento del perno di cerniera né una forza di ritenzione minima per ogni applicazione.

Riferimento: IEC 60068-2-64:2008+A1:2019, Prove ambientali — Parte 2-64: Prove — Prova Fh: Vibrazioni, a banda larga, casuali e guidate.

Prima di ordinare un campione

La richiesta di campioni dovrebbe consentire di confrontare l'architettura di conservazione senza trasformare la richiesta in un pacchetto completo di convalida della produzione.

• Scopo della rimozione del perno: rimozione permanente, rimozione per revisione occasionale o rimozione per manutenzione ordinaria.
• Istruzioni per l'uso: individuare cosa impedisce la migrazione assiale a ciascuna estremità rilevante.
• Meccanismo di ritenzione: geometria sagomata o fissa, fermo positivo rimovibile, accoppiamento con interferenza o un altro metodo chiaramente definito.
• Conseguenza della migrazione: individuare quale elemento cambia per primo se il perno inizia a muoversi: l’innesto, l’allineamento, il gioco tra le parti adiacenti o un’altra condizione funzionale.
• Rotazione del perno: specificare se si prevede che il perno ruoti o rimanga fisso su uno degli elementi della cerniera.
• Accesso installato: verificare che il fermo, l'utensile e il movimento necessario per la rimozione del perno rimangano accessibili nella macchina finita.

Una volta selezionato il metodo, le relative dimensioni di produzione e i dettagli relativi all’accettazione devono essere riportati nel disegno controllato della cerniera. Il Scheda tecnica delle cerniere e guida ai disegni tecnici tratta la fase successiva di revisione del disegno senza ripetere in questa sede la decisione relativa al metodo di conservazione.

Una volta chiariti l'architettura e i termini di servizio, confronta le soluzioni idonee modelli di cerniere industriali tenendo conto di tali requisiti, anziché basarsi esclusivamente sul tipo di spillo o sul prezzo unitario.

Domande frequenti sul sistema di fissaggio del perno della cerniera