Gioco assiale del perno: movimento assiale, controllo della spinta e misurazione

Una cerniera può ruotare liberamente, superare il controllo relativo al diametro del perno e tuttavia muoversi in una direzione che il disegno non ha mai previsto. Spingendo un'anta lungo l'asse del perno e tirandola indietro, il gruppo potrebbe emettere un leggero clic o subire uno spostamento misurabile. Tale movimento è gioco assiale della cerniera.

In una cerniera convenzionale a perno e snodo, è normalmente presente un leggero gioco assiale che consente agli snodi adiacenti e alle interfacce di spinta di ruotare senza attrito. Le cerniere di precisione o precaricate possono gestire questo movimento in modo diverso, pertanto il gioco assiale accettabile deve essere determinato in base al progetto specifico piuttosto che a una regola universale che preveda un gioco pari a zero.

Un movimento assiale eccessivo può far cambiare posizione a una porta, causare urti ripetuti tra le superfici di spinta, alterare l’innesto del fermo, aumentare il rumore o far sembrare allentato un pannello altrimenti rigido. Cercare di eliminare ogni traccia di movimento crea il problema opposto. Tolleranze di produzione, accumulo di rivestimento, variazioni di formatura, dilatazione termica, spessore della rondella di spinta o uno elemento di ritenuta spostato possono ridurre il gioco previsto e trasformare il perno in un morsetto assiale.

Il gioco assiale è di tipo assiale, non radiale

Il gioco assiale viene spesso accomunato ad altre forme di allentamento dei cardini, poiché un operatore potrebbe descrivere tutte queste condizioni con il termine generico di “gioco”. Tale definizione è troppo generica per essere utilizzata in un disegno tecnico o in un requisito di ispezione.

Il gioco del perno e il gioco laterale sono correlati, ma non sono lo stesso parametro. Il gioco tra perno e foro è una condizione dimensionale all'interno del perno. Il gioco laterale è il movimento laterale risultante osservato tra le parti assemblate della cerniera. La lunghezza del perno, la campata del cuscinetto, l'usura locale, l'allineamento e la posizione della forza applicata possono modificare il gioco laterale misurato anche quando le dimensioni del perno e del foro rimangono invariate.

Una cerniera può quindi presentare un gioco radiale di funzionamento accettabile, mentre la cerniera assemblata presenta comunque un gioco assiale eccessivo. Può verificarsi anche il contrario: il movimento assiale può essere strettamente controllato, mentre un gioco radiale eccessivo o l’usura delle superfici di contatto dei cuscinetti consentono il movimento laterale delle ante.

Per garantire l'adattamento dimensionale all'interno del perno, utilizzare il Guida al gioco del perno della cerniera. Quella pagina tratta dei limiti dimensionali dei perni e dei fori, dell’accumulo di materiale di finitura, del gioco operativo, del gioco libero e del rischio di grippaggio. Il gioco assiale della cerniera richiede un requisito assiale specifico.

Da dove deriva il movimento assiale

Lo spazio visibile tra due snodi adiacenti può contribuire al gioco assiale, ma raramente è l'intera pila.

Una cerniera industriale può presentare diverse interfacce assiali disposte in serie. Quando il gruppo mobile viene spinto da un’estremità del perno verso l’altra, ciascuna interfaccia può contribuire con una parte del movimento totale.

• distanza tra le facce terminali adiacenti dei giunti;
• spessore e compressione della rondella di spinta;
• gioco tra una rondella e una spalla di ritegno;
• movimento assiale del perno all'interno del relativo dispositivo di fissaggio;
• scorre tra una boccola e il relativo alloggiamento;
• variazione del distanziale o dello spessore;
• variazioni relative alla formatura, alla punzonatura, alla ricalcatura o alla stampatura;
• posizione della scanalatura dell'anello di ritegno;
• usura su una superficie di spinta sotto carico;
• movimento elastico di una clip sottile o di un elemento di supporto.

Questo aspetto è rilevante quando un disegno specifica una sola dimensione evidente. Una distanza nominale all’estremità del snodo non dimostra che la cerniera assemblata presenti lo stesso gioco assiale. Una rondella, una boccola flottante, un fermo per perno, un distanziale o un elemento sagomato possono aggiungere movimento in altri punti dell’assemblaggio assiale.

È possibile anche il contrario. Diversi giochi nominali possono sembrare ampi sul disegno, ma basta una rondella deformata o una faccia terminale inclinata per causare un contatto prematuro e impedire il movimento dell’intero gruppo. L’analisi dimensionale prevede l’involucro assiale disponibile. La cerniera completata conferma quale parte di tale involucro sia effettivamente funzionale.

Il carico assiale richiede un percorso di spinta

Il gioco assiale descrive il movimento. Il carico assiale determina quale superficie arresta tale movimento.

In una porta con cerniera laterale verticale, la forza di gravità e la geometria di installazione possono far appoggiare parte del gruppo cerniera contro l’estremità inferiore del perno, una rondella, una spalla, una flangia o una superficie di appoggio. Con un asse della cerniera orizzontale o inclinato, la direzione della spinta attiva potrebbe essere diversa. Anche l’accelerazione durante il trasporto, le vibrazioni, la forza elastica, il carico esercitato dall’operatore, la trazione del cavo o l’azione del fermo possono aggiungere reazioni assiali temporanee.

La cerniera necessita quindi di un percorso di spinta ben definito. Non si deve dare per scontato che l'estremità di una boccola a manicotto funga automaticamente da cuscinetto di spinta. Una boccola che offre buone prestazioni sotto una pressione radiale prevista potrebbe non essere progettata per sopportare carichi assiali ripetuti sulla sua faccia frontale.

Lo stesso avvertimento vale per i giunti sagomati. Un bordo laminato sottile può costituire un fermo geometrico accettabile in condizioni di carico leggero, ma risulta una superficie di spinta inadeguata nel lungo periodo quando un gruppo mobile più pesante vi si appoggia ripetutamente contro.

Per i perni con cuscinetti a strisciamento, il Guida alle boccole per cerniere industriali tratta la pressione radiale, i materiali delle boccole, la lubrificazione, l’accoppiamento dell’alloggiamento e i motivi per cui il carico assiale può richiedere una flangia, una rondella di spinta, una spalla o un supporto separato. Questa pagina riprende da quel punto e si concentra sul movimento assiale che ne deriva.

Gioco assiale troppo ridotto e troppo elevato

“L'espressione ”gioco assiale minimo possibile” sembra precisa. In realtà, potrebbe trattarsi di un requisito incompleto.

Se la pila rotante è quasi incastrata tra due superfici assiali, le normali variazioni di produzione possono far passare il cardine da uno stato di libero scorrimento a uno di precarico. Lo spessore della finitura, le variazioni delle rondelle, la posizione di formatura, le bave, la distorsione da fissaggio o la temperatura possono esaurire il margine residuo.

Una cerniera può continuare a muoversi durante una prova manuale, pur presentando una forza di distacco maggiore, un attrito sensibile alla temperatura o segni di usura localizzati, poiché una delle superfici di spinta è già sottoposta a compressione continua.

Un gioco assiale eccessivo determina un percorso di guasto opposto. Il gruppo mobile percorre lo spazio assiale disponibile prima di raggiungere la superficie di spinta opposta. Se il carico assiale si inverte ripetutamente, il contatto può trasformarsi in un impatto anziché in una reazione costante del cuscinetto.

Non esiste un valore universale corretto per il gioco assiale delle cerniere industriali. Il coperchio di uno strumento compatto, la porta di un armadio pesante, un pannello di accesso a binario e un meccanismo di arresto di precisione possono richiedere limiti molto diversi tra loro, anche quando i perni delle rispettive cerniere sembrano simili.

L'accumulo delle tolleranze assiali

Nel caso di un impilamento assiale rigido e non precaricato, un utile calcolo di primo ordine consiste nel separare la distanza disponibile tra i vincoli di controllo dai componenti che occupano tale distanza.

Si tratta di un calcolo dimensionale, non di una garanzia che la cerniera finita si sposterà esattamente della quantità calcolata. Si presuppone che le superfici di vincolo selezionate fungano effettivamente da arresti assiali funzionali e che il precarico, gli elementi elastici, le rondelle elastiche, la deformazione, l’attrito, il movimento del fermo, le bave e la forza di misurazione non alterino la risposta.

Nel caso di una cerniera che preveda intenzionalmente un precarico assiale o una funzione di spinta regolabile, la somma geometrica rimane comunque rilevante, ma il gioco assiale misurato deve essere determinato in base al meccanismo effettivo e alle condizioni di prova, piuttosto che basandosi esclusivamente sulla differenza tra A e S.

Lo stack dovrebbe utilizzare le dimensioni funzionali definitive, non solo i valori nominali dei singoli componenti. A seconda dell'architettura, ciò può includere:

• lunghezze delle nocche;
• spessore della rondella e del distanziatore;
• posizione della boccola installata;
• posizione sulla spalla;
• spessore del collare;
• posizione della scanalatura dell'anello di ritegno;
• posizione dell'estremità del perno formata o a testa;
• rivestimento sulle superfici di contatto assiali;
• dimensioni a montaggio completato, dopo la picchettatura, la pressatura, la ricalcatura o la formatura.

Le combinazioni più sfavorevoli sono determinanti. Ogni componente può superare singolarmente il controllo, mentre l’insieme completo non rientra nell’intervallo di movimento previsto.

Funzioni di spinta che controllano il movimento

Esistono diverse configurazioni di cerniere in grado di controllare il movimento assiale. Esse non presentano le stesse caratteristiche in termini di usura, facilità di manutenzione o sensibilità alla lavorazione.

• Facce terminali delle nocche: Compatto e semplice, ma l’estremità sagomata funge sia da fermo assiale che da potenziale superficie soggetta a usura.
• Rondelle di spinta: crea un'interfaccia mirata tra le facce terminali rotanti e permette di isolare l'usura dai perni delle cerniere.
• Boccole flangiate: può combinare il supporto radiale e il contatto assiale quando la struttura è progettata specificatamente per sopportare carichi di spinta.
• Spalle e colletti: crea un punto di riferimento assiale più ben definito e permette di allontanare la forza di spinta dai bordi sottili delle articolazioni sagomate.
• Distanziatori e spessori: consentono la regolazione della pila, ma richiedono il controllo dello spessore e della ritenzione.
• Anelli di ritegno e clip: posizione del perno di controllo una volta definite la posizione della scanalatura, il gioco assiale, l'accesso e la direzione di installazione.
• Estremità dei perni con bordatura, tornitura, formatura o stampaggio: garantiscono una tenuta compatta, sebbene la posizione assiale finale possa dipendere in larga misura dal processo di formatura.

Un elemento di spinta non dovrebbe essere scelto solo in base al nome. Una rondella può avere dimensioni corrette, ma comunque usurarsi rapidamente se è troppo morbida per il carico applicato, se non è adeguatamente supportata, se è contaminata o se scorre contro un bordo irregolare. Una coppia di metalli duri può preservare la geometria, ma causare un maggiore attrito, rigature, rumore o dipendenza dal lubrificante.

Il requisito relativo al gioco assiale non deve necessariamente costituire un articolo a sé stante dedicato ai materiali. Deve però identificare quale elemento assorbe la spinta e se tale elemento è in grado di preservare il movimento assiale previsto per tutta la durata di servizio richiesta.

Misurate l'insieme, non un singolo spazio

Uno spessimetro consente di misurare lo spazio locale accessibile tra due superfici. Tale misura è utile quando il disegno specifica proprio quella distanza. Essa non corrisponde automaticamente al gioco funzionale della cerniera.

Una prova completa di gioco assiale prevede il fissaggio di una parte del gruppo, l'applicazione di una forza sul lato mobile in entrambe le direzioni assiali e la registrazione dello spostamento risultante lungo l'asse del perno di articolazione.

1. Stabilire il punto di riferimento fisso. Utilizzare l'ala della cerniera, la piastra di montaggio, l'alloggiamento o la superficie del dispositivo di fissaggio che rappresenta il riferimento di installazione previsto.
2. Scegli il bersaglio mobile. Indicare se l'indicatore segue la pala opposta, la pila di snodi, il perno o un'altra superficie controllata.
3. Allineare l'asse di misura con l'asse del perno della cerniera. Se il sensore non è parallelo all'asse del perno, lo spostamento indicato non rappresenta una lettura assiale diretta e potrebbe inoltre risentire di movimenti laterali o rotazionali.
4. Posizionare il gruppo in una direzione assiale. Applicare la forza definita senza urto e registrare la posizione.
5. Invertire il carico assiale. Spostare il gruppo fino a quando l'interfaccia di spinta opposta non è a contatto.
6. Annotare lo spostamento totale. La differenza tra le due posizioni controllate è il gioco assiale misurato in quella condizione di prova.

È possibile utilizzare un comparatore a quadrante, una sonda di spostamento digitale, un comparatore, un misuratore di altezza o un dispositivo di fissaggio dedicato alla produzione. Gli elementi importanti sono il punto di riferimento, la forza, la direzione, l’allineamento del sensore, la risoluzione dello strumento, la rigidità del dispositivo di fissaggio e la ripetibilità.

Condizioni di carico e di lettura degli apparecchi

Un valore di gioco trasversale senza indicazione del metodo di carico può essere fuorviante. Una clip di fissaggio, una rondella in polimero, una staffa sottile o un'anta completa possono deformarsi in modo diverso al variare della forza assiale applicata.

La forza di sondaggio deve essere sufficiente a far aderire in modo uniforme le superfici di spinta previste, senza trasformare la verifica in una prova di deformazione. Una forza adeguata per una cerniera compatta potrebbe provocare la flessione dell’ala o della staffa di un altro modello. Il valore deve quindi derivare dall’assemblaggio effettivo e da uno studio di ripetibilità, non da una regola universale.

Anche l'orientamento è importante. Una porta pesante appesa a una cerniera verticale potrebbe già trovarsi a contatto con una delle due superfici di appoggio prima ancora che venga applicato il carico di prova. Una piccola cerniera da banco sottoposta a prova in posizione orizzontale potrebbe invece rimanere sospesa tra le due superfici. I risultati ottenuti in queste due condizioni non sono direttamente comparabili, a meno che il metodo di prova non tenga conto di tale differenza.

Il movimento dei perni e quello delle foglie sono diversi

Il valore indicato dall'indicatore assiale non indica automaticamente quale parte della cerniera si sia spostata.

Un perno che, intenzionalmente o meno, è libero di muoversi all’interno del proprio dispositivo di fissaggio può spostarsi mentre le due anime rimangono a contatto con la stessa superficie di spinta. La misurazione del solo perno può quindi indicare un movimento che non corrisponde al gioco assiale tra le anime rilevato dall’apparecchiatura.

Può verificarsi anche il contrario. Un perno fissato saldamente può rimanere immobile mentre il gruppo snodo mobile si sposta tra due spallamenti o rondelle.

Quando entrambe le funzioni sono importanti, controllale separatamente:

• Blocco del movimento assiale: movimento del perno rispetto all’aletta o al corpo destinato a trattenerlo.
• Gioco assiale del cardine: movimento del gruppo cerniera mobile rispetto al gruppo fisso lungo l'asse del perno della cerniera.

La combinazione di entrambi in un unico valore indefinito di “gioco assiale” può nascondere l’effettivo meccanismo di guasto. Un elemento di fissaggio allentato e una rondella di spinta usurata possono determinare una corsa totale dell’indicatore simile, ma richiedono interventi correttivi diversi.

Usura, temperatura e sostituzione del servizio

La posizione finale del primo giorno rappresenta solo una condizione iniziale quando il cardine è sottoposto a carichi di spinta ripetuti.

Le facce terminali delle snodature possono lucidarsi o usurarsi. Le rondelle di spinta possono perdere spessore. Gli elementi in polimero possono subire scorrimento sotto carico prolungato, a seconda del materiale e delle condizioni. I fermi possono rimanere fissati mentre la loro posizione di appoggio cambia. Un distanziale può sfregare contro una superficie adiacente. Ogni variazione altera l’assemblaggio assiale.

La temperatura introduce un’ulteriore variabile. Le diverse temperature dei materiali e dei componenti possono modificare la distanza effettiva tra spalle, rondelle, boccole ed elementi di ritenzione. Il movimento assiale che ne deriva può aumentare o diminuire.

Il divario dimensionale non è l'unico problema legato alla temperatura. A basse temperature può verificarsi un gioco assiale positivo, mentre il comportamento del lubrificante o del polimero aumenta l'attrito di funzionamento. A temperature più elevate, la dilatazione del materiale, lo scorrimento o la migrazione del lubrificante possono modificare sia l'adattamento che il comportamento all'usura.

Il requisito relativo al gioco assiale deve quindi specificare le condizioni in cui si applica il limite. Alcune apparecchiature richiedono solo un controllo in entrata a temperatura ambiente. Altri modelli potrebbero richiedere la stessa misurazione dopo cicli di funzionamento, condizionamento termico, vibrazioni, pulizia, esposizione alla corrosione o altre condizioni operative rappresentative.

Se il gioco trasversale aumenta dopo la manutenzione, registrare non solo lo spostamento finale. Ispezionare le superfici di spinta, lo spessore delle rondelle, le estremità dei perni, la posizione del fermo, l’assise delle boccole, i distanziatori, la distribuzione dei punti di contatto e la presenza di detriti. La misurazione indica che l’insieme si è modificato. Le prove fisiche aiutano a individuare dove si è verificata la modifica.

Aggiungere il gioco assiale al disegno

Espressioni quali “gioco minimo”, “cerniera ben salda” e “assenza di movimento assiale percepibile” non costituiscono criteri di accettazione validi.

Le dimensioni dei componenti devono determinare la geometria utilizzata per la produzione della cerniera. Qualora il gioco assiale comprometta il funzionamento dell’apparecchiatura finita, è necessario aggiungere un requisito di assemblaggio specifico che ne limiti il movimento risultante.

Il testo tra parentesi non costituisce una specifica definitiva del settore. L'ingegnere responsabile deve assegnare i valori in base ai requisiti effettivi dell'apparecchiatura, all'architettura della cerniera, allo studio delle tolleranze e alle prove di convalida.

Se il disegno del fornitore non specifica chiaramente quali dimensioni, tolleranze e note siano applicabili alla cerniera, utilizzare il Scheda tecnica delle cerniere e guida ai disegni tecnici per distinguere la geometria nominale dai requisiti funzionali e da quelli legati alle prove.

Correlazione del controllo di produzione

Un laboratorio di sviluppo può caratterizzare il gioco assiale dei cardini utilizzando un dispositivo di fissaggio rigido, un carico assiale controllato e un sensore di spostamento ad alta risoluzione. L'ispezione in fase di produzione non richiede necessariamente le stesse attrezzature.

Un calibro più semplice o un dispositivo di fissaggio dedicato può risultare adeguato quando le prove di correlazione effettive dimostrano che è in grado di distinguere in modo affidabile le cerniere conformi da quelle non conformi. È comunque necessario che la forza di appoggio, i punti di riferimento, l’orientamento e la relazione con la misura tecnica siano controllati.

Non sostituire il controllo del gioco assiale dell'assieme con l'ispezione di una singola rondella o distanziale, a meno che i dati di studio non dimostrino che la dimensione del componente sia in grado di prevedere in modo affidabile il movimento finale. La formatura, il fissaggio con perni, l'installazione, le variazioni nell'impilamento e le interferenze locali possono tutti influire sul risultato finale dell'assieme.

Un controllo manuale è utile per individuare un gioco eccessivo. Non sostituisce tuttavia una misurazione precisa del gioco assiale quando il movimento ammesso è sufficientemente ridotto da influire sull’allineamento, sulla posizione di arresto, sul rumore, sulla tenuta o sulla sensazione di funzionamento dell’apparecchiatura.

Invia lo stack assiale per la revisione

Domande frequenti sul gioco assiale dei cardini