Molle 17:46 1 Descrizione Sono degli elementi meccanici in grado di assorbire notevoli quantità di energia senza raggiungere sollecitazioni critiche, vengono impiegate per diversi scopi tra cui: Attenuazione degli urti Riduzione o esaltazione delle vibrazioni Comando di organi in movimento Immagazzinamento di energia Applicazione di forze proporzionali In base al tipo di sollecitazione cui sono soggette si hanno molle di flessione, molle di torsione e molle di trazione e compressione. Rigidezza Perlemollediflessionesihache: Per le molle di torsione invece In molti casi la rigidezza si può considerare costante e quindi la relazione Forza/Spostamento lineare 17:46 2 1
Capacità di immagazzinare energia Che in generale è definito da un coefficiente Cu=U/U, dove: U rappresenta l energia corrispondente alla massima sollecitazione agente sull elemento, U è la reale energia elastica immagazzinata dalla molla. Molle di flessione Molle di torsione Se le molle sono conformate come elementi monodimensionali di lunghezza L, dalla teoria delle travi è possibile altresì scrivere: 17:46 3 Tipologie di molle Molle piatte (Flat Springs): sono formate da una piastra rettangolare forata, all interno dell aeroplano vengono installate nei motori a pistoni. Molle a strati (Leaf Springs): sono delle molle composte da diversi strati di materiali, trovarono impiego nei carrelli di atterraggio, anche se oggi si utilizzano in campo automobilistico e ferroviario. Molle a spirale (Spiral Springs): di scarso utilizzo in campo aeronautico, sono delle molle piatte composte da diversi avvolgimenti. Molle elicoidali di compressione e di trazione (Helical Compression and Tension Springs): sono i più comuni tipi di molla e sono formate da avvolgimenti elicoidali formati da diversi tipi di materiale e vengono sollecitate da forze assiali. 17:46 4 2
Tipologie di molle Molle elicoidali di torsione ( Helical torsion Springs): molto simili al modello visto prima, differiscono da loro solo per la parte terminale, che consente l applicazione di un carico di torsione. Molla del tipo Belleville (Belleville coned disc Springs): composto da dischi elastici che vengono impilati, la loro caratteristica è quella di produrre delle basse deformazioni assiali. Barra di torsione (Torsion-Bar Springs): è il modello più semplice di molla di torsione e consiste in una barra caricata con una coppia torcente, essenzialmente è una barra di metallo con flange che ha lo scopo di trasmettere il carico torcente. 17:46 5 Dimensioni delle molle In riferimento alla figura sopra, le dimensioni caratteristiche delle molle sono il diametro esterno D e quello interno d dell avvolgimento e il passo tra le spire. Si chiama indice della molla (C), il rapporto tra il diametro medio della molla e quello della spira, C=D/d, solitamente questo indice ha valori compresitra5e10. 17:46 6 3
Dimensioni delle molle Con riferimento all immagine sopra, si definiscono: na: il numero di spire che effettivamente viene sollecitato quando la molla è caricata L0: la lunghezza libera della molla Ls: la lunghezza solida. 17:46 7 Forze applicate Dalla prima descrizione data precedentemente, si evince che le molle possono essere sollecitate da tre tipologie di carico, che possono essere applicati o singolarmente o in combinazione tra loro: Di compressione Di trazione Di torsione Le maggiori deformazioni sono dovute al carico torsionale, mentre le tensioni che nascono nellespiresono legatealmaterialedicui ècomposta la molla stessa, mentrele molle di compressione presentano deformazioni e tensioni molto più piccole rispetto a quelle che nascono nelle molle di torsione. Infine a causa della ciclicità del carico applicato, tutte le tipologie di molle precedentemente esposte devono possedere una buona resistenza a fatica. 17:46 8 4
La rigidezza della molla è quella grandezza determinata dal rapporto tra forza applicata e spostamento ottenuto K= F/d. La forza Flo e la sua deformazione ottenuta dlo, sono quelle che determinano le minime condizioni operative della molla, mentre Fhi e dhi, determinano le massime condizioni operative. In generale si deve verificare che Fhi/Flo <3 Edinoltred s -d hi >=0.1d hi 17:46 9 Molle ad elica cilindrica di compressione e trazione(molle di torsione) Con riferimento alla figura sotto, si compongono di un filo di sezione S circolare o rettangolare il cui asse è avvolto su un cilindro di diametro D. Sono impiegate per resistere a sforzi diretti secondo l asse del cilindro lunghezza spira Se l angolo è sufficientemente piccolo Considerati i parametri caratteristici di una molla si ha: 17:46 10 5
Molle ad elica cilindrica di compressione e trazione(molle di torsione) Calcolo delle tensioni: Considerato che l angolo α sia sufficientemente piccolo, è possibile scrivere: FN=0,Mf=0edFT=FedMt=FD/2. Iltaglionelpunto piùsollecitatoè: qèilfattoreditorsionepersezioninoncircolari Chenelcasoinesamediviene: Nella quale C è l indice della molla considerata. 17:46 11 Molle ad elica cilindrica di compressione e trazione(molle di torsione) Poiché le tensioni dovute al taglio e quelle dovute alla torsione lungo le spire della molla non hanno un andamento regolare, si veda figura a lato, allora si rideterminano le tensioni includendo un coefficiente correttivo che tiene conto di questa differenza, il coefficiente di Wahl Kw. Inflessione Si determina l abbassamento utilizzando la formula: 17:46 12 6
Molle ad elica cilindrica di compressione e trazione(molle di torsione) Rigidezza Coefficiente di utilizzazione C=7.5 Dimensionamento Le variabili incognite solitamente sono i diametri e il numero di avvolgimenti, di solito come dato di progetto viene fornito il valore della rigidezza, che può essere fornito tramite una coppia di valori, forza-deformazione. Altro vincolo di solito viene dato dalla lunghezza di ingombro della molla. 17:46 13 Molle ad elica di torsione(molle di flessione) Costruttivamente queste molle sono molto simili a quelle viste precedentemente, tuttavia differiscono alle estremità poiché esse sono sagomate di modo da trasmettere un momento di asse parallelo all asse della molla. Questa tipologia di molle differisce dalla precedente, per la presenza dell allungamento di lunghezza R che poi risulta essere il braccio della forza F applicata sulla molla. 17:46 14 7
Molle ad elica di torsione(molle di flessione) Costruttivamente queste molle sono molto simili a quelle viste precedentemente, tuttavia differiscono alle estremità poiché esse sono sagomate di modo da trasmettere un momento di asse parallelo all asse della molla. Questa tipologia di molle differisce dalla precedente, per la presenza dell allungamento di lunghezza R che poi risulta essere il braccio della forza F applicata sulla molla. Fibra interna Fibra esterna 17:46 15 Molle ad elica di torsione(molle di flessione) Costruttivamente queste molle sono molto simili a quelle viste precedentemente, tuttavia differiscono alle estremità poiché esse sono sagomate di modo da trasmettere un momento di asse parallelo all asse della molla. Questa tipologia di molle differisce dalla precedente, per la presenza dell allungamento di lunghezza R che poi risulta essere il braccio della forza F applicata sulla molla. Il dimensionamento segue gli stessi criteri delle molle precedentemente analizzate 17:46 16 8
Molle ad elica di torsione(molle di flessione) Costruttivamente queste molle sono molto simili a quelle viste precedentemente, tuttavia differiscono alle estremità poiché esse sono sagomate di modo da trasmettere un momento di asse parallelo all asse della molla. Questa tipologia di molle differisce dalla precedente, per la presenza dell allungamento di lunghezza R che poi risulta essere il braccio della forza F applicata sulla molla. C u =0.25/K w 2 17:46 17 Molle a barra di torsione(molle di torsione) Sono schematizzabili come semplici barre ad asse rettilineo aventi lunghezza L, sezione costante lungo tutta la sua lunghezza e incastrata ad un estremità, mentre l estremità libera sollecitata da una coppia torcente T, mentre con β si indica l angolo che la sezione forma rispetto all asse rettilineo. Tensioni e energia immagazzinata Rotazione massima e rigidezza 17:46 18 9
Molle a balestra(molle di flessione) Costruite usualmente come travi incastrate o appoggiate a sezione rettangolare avente base b e altezza h, di solito variabili, sulle quali agisce una forza F, che si trova all estremità nella configurazione ad incastro, mentre si trova in mezzeria per la configurazione ad appoggio. Tensioni e energia immagazzinata Considerando la trave incastrata, il valore massimo di tensione viene raggiunto nella sezione di incastro, sezione 0, In una sezione x: Coefficiente di utilizzazione C u =1/9=0.111 17:46 19 Molle a balestra(molle di flessione) In generale è preferibile avere una trave isoresistente: h costante b costante 17:46 20 10
Molle a balestra(molle di flessione) Il modello a balestra è proprio quello riportato nella slide precedente, nella quale si taglia la barra triangolare in una serie di strisce, simmetricamente disposte nella barra originale evengono accostatetralorodimododacreareuna fogliadilarghezzaw. le foglie così disposte hanno tensioni e deformazioni quasi identiche, l unica differenza sta nell attrito tra le foglie che produce smorzamento, la molla a foglie multiple può sopportare carichi nella direzione delle foglie, carichi esterni a tale direzione tenderebbero ad allontanare le foglie stesse no Tensioni, Inflessione e rigidezza Coefficiente di utilizzazione C u =1/3=0.333 17:46 21 Molle a balestra(molle di flessione) Per questa tipologia di molla i dati di progetto sono il carico statico, la freccia elastica sotto carico statico, la freccia massima e/o il carico massimo. Occorre ricavare i valori dimensionali della molla: h,l, b0 ed n, legate dalle equazioni di tensione, spostamento e della costante elastica, precedentemente riportate, tuttavia l equazione della tensione massima e quella dello spostamento non sono indipendenti, pertanto due delle variabili geometriche vengono scelte empiricamente. Si determinano amezzodelleformulelospessoreheilnumerodellefoglien. 17:46 22 11
Materiali utilizzati nelle molle Acciai Possono essere realizzate sia con materiali metallici che con materiali non metallici (ad esempio plastica ed elastomeri). Acciai usati per le molle ottenute con avvitamento a freddo Cold-Wound Springs, realizzate in generale con acciaio al carbonio: Hard Drawn spring wire(scadente, no fatigue) Oil temperated Spring Wire(migliore del precedente, no fatigue) Music Wire(high fatigue stresses) Chrome-Vanadium Steel Wire(high temp, high stresses, molle per valvole) ChromeSiliconSteelWire(comesopramamaggiorvitaafatica) Stainless-Steel Spring Wire Acciai usati per le molle ottenute con avvitamento a caldo Hot-Wound Springs Il processo di lavorazione a caldo viene utilizzato quando si devono realizzare molle di grandi dimensioni che difficilmente con una lavorazione a freddo si riuscirebbero ad ottenere, l acciaio viene arricchito con carbonio, manganese, nichel, silicio e vanadio. Acciai usati nelle Cold-Rolled e Flat Springs Solitamente per questa tipologia di molle si impiegano carbonio e manganese, che vengono anche trattati con un processo termico. 17:46 23 Materiali utilizzati nelle molle Materiali non ferrosi Solitamente i materiali più utilizzati sono le leghe di rame che possiede una buona resistenza ai fenomeni corrosivi ed una buona conducibilità, vengono anche impiegate leghe di nickel specie nelle applicazioni alle alte temperature, nel seguito vengono riportare alcune delle leghe più utilizzate: Spring Brass Nickel Silver Phosphor Bronze Silicon Bronze Beryllium Copper High Nickel Alloys Materiali compositi Quelli più impiegati sono i compositi che contengono metalli ed elastomeri,(metal Bushes and Housing), impiegati per assorbire le vibrazioni, queste molle vengono installate nelle APU. 17:46 24 12
Manutenzione delle molle Questi dispositivi non necessitano di particolari operazioni di manutenzione, bisogna sempre controllare che non vi siano fenomeni di corrosione a carico delle spire, specie per quelle molle che vengono impiegate in zone esposte ai fenomeni atmosferici o in prossimità di elevate temperature. È necessario condurre una buona ispezione per individuare eventuali zone di cedimento delle spire. Un test che viene condotto in alcuni casi, consiste nel caricare la molla per individuare il carico massimo che può sopportare, questo al fine di comparare dopo un certo tempo di utilizzo, se le caratteristiche della molla sono rimaste le stesse oppure hanno subito delle alterazioni. 17:46 25 Molle in serie ed in parallelo Molle in serie Spesso più molle vengono utilizzate simultaneamente, nel caso di molle in serie, si veda la figura sotto, tutte le molle sono soggette alla stessa forza, mentre l allungamento globale è dato dalla somma dei singoli allungamenti delle singole molle: In generale 17:46 26 13
Molle in serie ed in parallelo Molle in parallelo Nel caso di molle in parallelo tutti gli elementi sono soggetti allo stesso allungamento pertanto stavolta l allungamento globale è lo stesso per le singole molle, mentre la forza applicata sarà pari a: In generale: Una molla a balestra viene schematizzata come un insieme di molle in parallelo. 17:46 27 14