TEORIA SUI GIUNTI CARDANICI

Cinematica:

Il singolo giunto, in dipendenza dell'angolo di inclinazione ß, trasforma il movimento rotativo uniforme dell'albero I in un movimento non uniforme dell'albero II. Ciò ha conseguenze sull'impiego e la vita del componente.



 
(fig 3,1 giunto cardanico semplice)
Si ha  quindi un'irregolarità del moto, evidenziata dal'andamento della velocità ω 2 dell'albero condotto e dell'angolo differenziale tra i due alberi:


(fig. 3,2)
La velocità angolare può essere ricavata dalla seguente equazione che esprime il rapporto tra le velocità angolari del primo e del secondo albero.



Il grado di irregolarità U dell'articolazione cardanica si esprime come



Appare  chiaro che l'irregolarità risulta maggiore con l'aumentare dell'angolo di inclinazione β. Per compensare tale irregolarità è quindi necessario introdurre  una seconda articolazione che elimini tale fenomeno. Si parla di “doppi giunti cardanici”, che sono i giunti presi in considerazione in questo progetto.
L'impostazione a due giunti consecutivi permette di raggiungere la regolarità del moto dell'albero condotto a condizione di rispettare i due seguenti vincoli:

• I giunti 1 e 2 nella fase di movimento devono essere sfasati di 90° tra loro, il che implica la complanarità delle forcelle;
• Gli angoli di inclinazione β1 e β2 della coppia di giunti devono essere uguali.

Dinamica:

La complessa dinamica di un giunto cardanico richiederebbe una vasta trattazione. In questa sede ci si limita a riportare che le forze assiali generate da un giunto che trasmetta un momento torcente T sono date da:





con coefficiente d'attrito, β angolo di inclinazione, R raggio primitivo del profilo.
E si riporta che le azioni radiali generate sui vincoli (riferimento alla figura 3,3) sono date dalle formule:


(fig. 3,3)

SCELTA DEI GIUNTI CARDANICI

Dall'analisi svolta risulta evidente che l'impiego di giunti operanti ad angoli  elevati porta ad elevate irregolarità e sollecitazioni. Più precisamente, se si fosse ricorso a soli due doppi giunti operanti all'elevato angolo di 90°  si sarebbero avute queste problematiche:

• minor rendimento nel trasmettere la coppia.
  
• minor vita d'esercizio e maggior manutenzione richiesta dal componente.
  
• in generale tutti i problemi di oscillazione e vibrazione dovuti all'impiego della crociera in condizioni limite.
  
• inoltre se si considera che l'irregolarità di fase cresce con l'angolo, è ovvio che, essendo impossibile disporre un albero cardanico con le forcelle perfettamente complanari, la piccola irregolarità che da ciò scaturisce è enfatizzata dall'avere angoli di impiego elevati, rendendo vano il tentativo di migliorare la precisione di posizionamento obiettivo di questo progetto.

Per contrastare ciò, per angoli di esercizio elevati, si è costretti a sovradimensionare parecchio. Come conseguenza sono pochi i fornitori che producono (molti sconsigliano) giunti capaci, da soli, di raggiungere i 45° e persino la norma di riferimento DIN 808 non prevede soluzioni adatte al caso in questione.  Quindi si è ritenuta molto sconveniente l'ipotesi di adottare complessivamente 2 doppi giunti cardanici a 90°.
Si è preferito optare per 4 doppi giunti angolati ciascuno a 45° (in cui quindi ogni singolo giunto ha un angolo di 22,5°), godendo di tutti i vantaggi di angoli non eccessivi e trovando in questo caso molti produttori in possesso di giunti adatti.
Tra questi si sono scelti dei giunti della Sorem, che rispondevano abbondantemente a tutti i requisiti di trasmissione di coppia, di potenza, di angolazione richiesti. Si sono scelti doppi giunti cardanici con corpo centrale ad anello circoscritto del tipo S200, realizzati in 41 Cr Mo 4 bonificato e temprato e C 50 bonificato.


(fig 3,4)


(fig 3,5)

SCELTA DEI GIUNTI RIGIDI

Una volta scelti i giunti cardanici da utilizzare si deve decidere come collegarli all'albero motore(diametro=30mm), all'albero del polso(che deve terminare con un'estremità di diametro=40mm), all'albero centrale(d=30mm) e agli alberi inclinati di 45°(d=30mm). I problemi che dovranno essere affrontati sono i seguenti:

• Minimizzare l'ingombro del collegamento, così che possa essere collocato all'interno della struttura.
• Considerare la facilità di montaggio.
• Si deve tener conto della sensibilità dei giunti cardanici a disassamenti.
• Si deve comunque garantire che possano resistere nella condizione di frenata.

Una volta esaminate le varie possibilità, si sono fatte queste scelte:
Si consideri il collegamento tra l'albero del polso (diametro 40mm) e gli alberi con diametro 30mm. Dato che in quel punto non si ha esigenza di collegamento rimovibile, si è pensato che la soluzione migliore in termini di ingombro e di praticità di realizzazione fosse di effettuare il passaggio di diametro in un unico pezzo, con un raccordo conico (avendo cura di rispettare le norme sulla conicità presenti nella norma  UNI 157:1975).


Si consideri poi il collegamento tra le forcelle dei giunti cardanici e gli alberi di diametro 30mm. Tra le varie possibilità (chiavette e linguette, sedi esagonali o rettangolari) quella preferibile e anche suggerita dalla casa costruttrice dei cardani, è quella di realizzare un albero scanalato. Pertanto si è seguita la norma UNI 8953, realizzando un albero con 6 scanalature con dimensioni accettabili, buona garanzia di trasmissione di coppia, buona regolarità. Per quanto riguarda il vincolo alla traslazione assiale, basta forzare gli alberi scanalati all'interno delle sedi ricavate nelle forcelle. Infatti questo vincolo non è strettamente necessario, dato che vi è la presenza dei cuscinetti preposti a questo ruolo.
Infine, dove fosse possibile un collegamento fisso, si è pensato conveniente pensare ad albero e forcella come costituenti un pezzo unico, o al massimo saldati tra loro.