Calcolo taglio sulle viti dei dischi

[ottomilainsu]

Grazie per l'esauriente spiegazione. Confermo però che ci sono settori della maccanica in cui i giunti vengono dimensionati ad attrito tra le facce delle flangie. Sto parlando di motori aeronautici e di alberi che trasmettono dei valori di coppia impressionanti...

Certamente, però concorderai che in casi del genere il calcolo, la costruzione e l'assemblaggio richiedono un impegno non indifferente a chi vi lavora.
Un conto è progettare la flangia di una turbina Francis da 120 MW a 187.5 giri al minuto, dove la coppia da trasmettere è di ben 6114650 Nm (6 milioni di Nm!), un altro quello di un minuscolo disco freno di una bicicletta.

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[Lonewolf]

Certamente, però concorderai che in casi del genere il calcolo, la costruzione e l'assemblaggio richiedono un impegno non indifferente a chi vi lavora.
Un conto è progettare la flangia di una turbina Francis da 120 MW a 187.5 giri al minuto, dove la coppia da trasmettere è di ben 6114650 Nm (6 milioni di Nm!), un altro quello di un minuscolo disco freno di una bicicletta.

e lo so bene !
ovvio che stiamo parlando di applicazioni ben diverse dai nostri "miseri" dischetti che debbono potere essere montati anche dall'utilizzatore finale, a patto che metta tutte le viti pero!

Nel caso che ho citato sto parlando di un motore turboelica da "solo" 8MW, coppia circa 100kNm, però con un peso totale inferiore ai 2000 kg...: titanio in quantità!

 

[fix68]

Ma che bel topic che è venuto fuori…
Visto che nessuno si decide a mettere giù dei numeri (che timidoni) inizio io….
Se non ricordo male ci sono 6 viti M5 (p = 0.8mm) serrate con una coppia ( C ) di 6Nm ( 6000Nmm )
Tralasciando gli attriti tra i filetti e tra disco e testa della vite , la forza assiale ( F ) generata dalla coppia di serraggio dovrebbe essere F=C x 2Π / p = 6000 x 2 Π / 0.8 = 47124 N
Le viti sono 6 per cui il disco è premuto sul mozzo con una forza pari a 282744 N.
Il coefficiente d’attrito statico tra acciaio e alluminio è 0.61, per cui la forza per far strisciare il disco sul mozzo è pari a 282744 x 0.61 = 172474 N che non mi pare proprio piccolina (potrà sembrare strano ma la grandezza della superficie di appoggio, se non estramamente piccola, non è influente sull'attrito).
...e ora scatenate l'inferno!!
NB. probabile che io abbia scritto una montagna di fuffa, perdonatemi ma dal diploma di perito sono passati più di 20anni, perciò non sono proprio fresco di studi!!

 

[Happykiller]

Apprezzo lo sforzo di tutti, per quanto riguarda le viti... ma vorrei arrivare a queste valutazioni solo alla fine, quando si capisce che sforzo devono sopportare (massimo e medio).



Mi quoto per ricordare che in origine chiedevo di aiutarmi a trovare un'equazione... che potesse servire a stimare non solo gli sforzi sulle viti, ma anche su una serie di elementi che subiscono gli effetti di questa sollecitazione in frenata.

Poi taglio, trazione, filettature... sono problematiche locali, risolvibili in seguito, prendendo la pagina della normativa che riguarda le unioni bullonate.

Indubbio che sia un incosciente. Però, come mera curiosità, mi piacerebbe calcolare quale sia l'azione agente, in modo da capire eventualmente anche quale materiale sia più adatto.

Inoltre, una volta impostata l'equazione si avrebbe la possibilità di calcolare la torsione del mozzo, la torsione del carro o della forcella, le tensioni aggiuntiva dei raggi e conseguentemente la contrazione del cerchio, le variazioni di resistenza del cerchio in frenata...


Insomma, è un'intressante punto di partenza per fare molte considerazioni.

Ma... per passare da una velocità v a zero in s secondi, considerando una massa M del biker+telaio e le masse m1 e m2 delle ruote, ipotizzando delle quote geometriche dei vari bracci di coppia dove agiscono i relativi centri di massa... ecc... quale momento resistente dovremmo applicare sul centro dei mozzi?

Lasciamo tutte le variabili indicate come tali, poi si potranno decidere quali fissare, quali trascurare.

L'importante è avere una formula generale (e una formula con dei numeri plausibili d'esempio) che possa essere utile a molte valutazioni.

o-o

 

[Lonewolf]

Ma... per passare da una velocità v a zero in s secondi, considerando una massa M del biker+telaio e le masse m1 e m2 delle ruote, ipotizzando delle quote geometriche dei vari bracci di coppia dove agiscono i relativi centri di massa... ecc... quale momento resistente dovremmo applicare sul centro dei mozzi?

Lasciamo tutte le variabili indicate come tali, poi si potranno decidere quali fissare, quali trascurare.

L'importante è avere una formula generale (e una formula con dei numeri plausibili d'esempio) che possa essere utile a molte valutazioni.

o-o

Per calcolare la coppia torcente alla ruota durante la frenata penso che un metodo semplice potrebbe essere:
- calcolare la massima forza frenante possibile al limite dello slittamento tra pneumatico e suolo. Questo è indipendente da velocità, quote della bici e quant'altro. Dipende solo dal carico (peso biker+bici) e coefficiente d'attrito del pneumatico. Si può considerare tutto il carico sull'anteriore ipotizzando una frenata su asfalto "al limite", con il posteriore che quasi si solleva, per cui:

F= massa bici+biker * g * coeff. attr.
Utilizzando un coefficiente di 0.8 (valore proposto per pneumatici motociclistici stradali, andrà bene per la MTB? boh!)
Si ha 90kg * 9,81m/s2 * 0,8 = circa 700N

Considerando il raggio della ruota di circa 0,34 m si ha una coppia di circa 240Nm, da trasferire sulla flangia dei dischi.

Non so se l'approccio e i conti sono giusti ma mi sembrano sensati

 

[Paolivio]

Sopra alle viti (di norma ma non è detto) è inciso un indice di resistenza, solitamente 4.6 per bulloni leggeri e 8.8 o 12.9 per i bulloni ad alta resistenza.
Significato dei numeri:
il primo numero moltiplicato per 100 indica il carico unitario di rottura a trazione del materiale della vite, in N/mm² (o MPA)
il prodotto dei due numeri moltiplicato per 10 indica il carico unitario di snervamento, sempre in N/mm², quindi indica il limite di deformazione elastica
il secondo numero, diviso per 10 indica il rapporto tra i carichi di snervamento e di rottura.
Per valori superiori a tali carichi il bullone rispettivamente si rompe a trazione o si snerva, in particolare sottoposto al carico di snervamento indicato e rilasciato il bullone subisce un allungamento permanente (deformazione plastica) non superiore allo 0.2%.
Ammesso tutto ciò, si conosce di che natura è la vite?Materiale? Inox?
Anche se qualcuno ti scrive l'equazione di cui si parla tanto...cosa fai poi, metti 3 viti in titanio per risparmiare 5 g sulla bike?

 

[ottomilainsu]

Ma che bel topic che è venuto fuori…
Visto che nessuno si decide a mettere giù dei numeri (che timidoni) inizio io….
Se non ricordo male ci sono 6 viti M5 (p = 0.8mm) serrate con una coppia ( C ) di 6Nm ( 6000Nmm )
Tralasciando gli attriti tra i filetti e tra disco e testa della vite , la forza assiale ( F ) generata dalla coppia di serraggio dovrebbe essere F=C x 2Π / p = 6000 x 2 Π / 0.8 = 47124 N
Le viti sono 6 per cui il disco è premuto sul mozzo con una forza pari a 282744 N.
Il coefficiente d’attrito statico tra acciaio e alluminio è 0.61, per cui la forza per far strisciare il disco sul mozzo è pari a 282744 x 0.61 = 172474 N che non mi pare proprio piccolina (potrà sembrare strano ma la grandezza della superficie di appoggio, se non estramamente piccola, non è influente sull'attrito).
...e ora scatenate l'inferno!!
NB. probabile che io abbia scritto una montagna di fuffa, perdonatemi ma dal diploma di perito sono passati più di 20anni, perciò non sono proprio fresco di studi!!

Il ragionamento difetta nella considerazione dell'attrito sul filetto e tra testa e piano d'appoggio della vite, inoltre mi sa che manca qualcosa.
Nella pratica i valori effettivi del precarico assiale della vite sono solo una frazione di quello che uscirebbe dal calcolo puramente geometrico.
In ogni caso non possiamo superare il carico di snervamento della vite M5 che, se in classe 8.8, è di 640 N/mm^2.
Moltiplicandolo per la sezione resistente che è di 14.2 mm^2, si ha che il massimo è di 9088N per ogni vite.
Il 70% di questo valore è quanto possiamo ragionevolmente sfruttare dalla vite per rimanere in campo di sicurezza, quindi siamo a 6300 N circa.
Per 6 viti abbiamo 37800N di forza che preme il disco sulla flangia.
Ora non ho sottomano il diiametro del cerchio fori del mozzo, vi scrivo da scuola in un momento di pausa.

Il coefficiente d'attrito acciaio alluminio secondo me è parecchio più basso, non farei affidamento su valori ricavati in condizioni particolari, le superfici sono anodizzate e levigate, valori di 0,2 - 0,3 secondo me sono fin troppo ottimistici.
Quindi la forza d'attrito vale 37800 * 0,3 = 11340 N.
Moltiplichiamo questa forza per il raggio del cerchio fori e troviamo la massima coppia che si riesce a trasmettere per attrito (a me pare di 30 mm), quindi 11340 * 0,03 = 340 Nm
Questo in teoria, in pratica se c'è anche solo un po' d'olio o il serraggio è difettoso va tutto a farsi benedire.

Stasera vedo se trovo il tempo di rifinire meglio tutte queste considerazioni.

Per chi volesse, in MP, posso mandare il link a delle dispense didattiche che ho preparato sulle viti.

 

[BeerMaster]

Perché sarebbero ancora più rigide, quindi in quel caso l'unico calcolo da fare è quello riguardante il mozzo, con le viti supposte davvero sovradimensionate...

Anche altri forumendoli hanno cercato di spiegare che l'importante è che il mozzo resista, ed in quest'ottica 6 viti sono sicuramente meglio.

Ripeto, non si fanno calcoli a taglio sulle viti in sé, ma sul dimensionamento della flangia!!! è la flangia il problema, non le viti, è il numero di viti che concorre a distribuire meglio lo sforzo sulla flangia, quindi su 6 paretine intorno alle singole viti invece che su 3.

scusa eh... ma io volevo dire perché fare calcoli inutili su quante viti si possono togliere per alleggerire la ruota (è questo il fine ultimo no? non il calcolo fine a se stesso...) se si può alleggerire la ruota mettendone sei di titanio senza compromettere la resistenza di niente!?

 

[Happykiller]

Le sei viti non applicano la stessa forza sulle flange.
La vite più sofferente è quella tra la pinza e il mozzo. Non basta dividere per 6 la forza (sia per quanto riguarda le viti che lo "spicchio" di aderenza-attrito).

Ma... pensiamoci dopo...

 

[paolorobertozr]

Il problema ragazzi è che stiamo continuando a pensare a queste cavolo di viti, che possono essere in acciaio, come il disco, o in Ti, ma che scaricheranno la forza frenante sulla flangia a 6 fori del mozzo.

E' lì che sta il problema.

Il mozzo è di alluminio, anche tenero, molto spesso. Allora la vite(suoopniamola rigida, perché è di acciaio o Ti) forzerà sul mozzo, e lì non è più neanche un discorso di filettatura, è una trave(la vite), ad incastro nel mozzo.

Tutto qui. Adesso non servono formule di nessun tipo per rendersi conto che nel 2010 con la guerra dei pesi che fanno i costruttori sulle ruote, il componente più "limato" è il mozzo, perché dichiarare 1750gr per una ruota da Enduro è necessario, ed allora come faccio se non posso limare peso dal cerchio(rendendolo poco rigido)? tolgo materiale dal mozzo... facendo affidamento sulla forza distribuita su 6 viti..

Mettiamoci il fatto che se il tuo amico è arrivato a togliere 3 viti da un disco, avrà già delle ottime e leggerssime ruote da Am/En, con mozzi leggerissimi a loro volta...

 

[Marco1971]

...slurp...
Tra parentesi Shimano sul sistema utilizzante dischi SM-RT61 con flangia metallica da "stringere" riporta una coppia compresa tra 4 e 5 N*m.
Avid sia con i CleanSweep G2 che G3 senza flangia metallica, un valore di 6.2 N*m.
Secondo me il sistema giapponese con flangia e` meno incline al fenomeno dell`auto svitamento a causa delle vibrazioni.
Grazie.

Marco1971.

 

[Marco1971]

Il problema ragazzi è che stiamo continuando a pensare a queste cavolo di viti, che possono essere in acciaio, come il disco, o in Ti, ma che scaricheranno la forza frenante sulla flangia a 6 fori del mozzo.

E' lì che sta il problema.

Il mozzo è di alluminio, anche tenero, molto spesso. Allora la vite(suoopniamola rigida, perché è di acciaio o Ti) forzerà sul mozzo, e lì non è più neanche un discorso di filettatura, è una trave(la vite), ad incastro nel mozzo.

Tutto qui. Adesso non servono formule di nessun tipo per rendersi conto che nel 2010 con la guerra dei pesi che fanno i costruttori sulle ruote, il componente più "limato" è il mozzo, perché dichiarare 1750gr per una ruota da Enduro è necessario, ed allora come faccio se non posso limare peso dal cerchio(rendendolo poco rigido)? tolgo mareiale dal mozzo... facendo affidamento sulla forza distribuita su 6 viti..

Mettiamoci il fatto che se il tuo amico è arrivato a togliere 3 viti da un disco, avrà già delle ottime ruote da Am/En, con mozzi leggerini...

..parlerei di momento di una coppia di forze...
Comunque queste "limature" di peso fatte senza le necessarie competenze anche ingegneristiche (in modo arbitrario...sforacchiamenti, alleggerimenti, privazioni di componenti varie) mi sembrano molto ma molto "pericolose".
Grazie.

Marco1971.

 

[Paolivio]

Il problema è che ci sono 8 pagine di messaggi che non servono a niente.
E' una cazzata punto e basta!e pericoloso e non e' certo un comportamento da biker che si rispetti togliere 3 delle 6 viti da un disco.poi questa gente ce la troviamo in giro per le strade? Che resti a casa sua e non servono a niente formulone matematiche in questo forum, che siamo tutti ingegneri ora? Io sono assicurato (udace) e se faccio un danno a qualcuno l'assicurazione copre fino a 850 mila euro....ma se sto stronzo rompe i freni e mi piomba addosso facendomi male e' assicurato?e' in grado di rispondere ai danni provocati?
E' questo che nessuno fin'ora ha capito. Ci sono 6 viti? Le lasci la done stanno e se devi alleggerire la bici comprati un telaio in carbonio o i pedali nuovi!
Un esempio: Stasera andate a casa e togliete 2 delle 5 viti che tengono i cerchi della vs. Auto!vi sentireste sicuri? Forse si, ma in caso d'incidente vi mettono in galera!
Stessa cosa per le bici, specialmente se circolano su strada.
Mi dispiace della cattiveria che dimostro in questo messaggio, ma quì nessuno ha capito ...seriamente...la pericolosita' di fare certa domande sul forum?e di quanto stupidi possano essere i risultati (far venire strane idee ai piu incoscenti di noi).
E non venitemi a dire che la domanda era: Mi serve una formula.....ecc....che te ne fai du una formula che non ti deve servire assolutamente a niente?chi ti dice che sei autorizzato a modificare l'impianto frenante a tuo piacimento?

 

[Andrea321]

.......
Un esempio: Stasera andate a casa e togliete 2 delle 5 viti che tengono i cerchi della vs. Auto!vi sentireste sicuri? Forse si, ma in caso d'incidente vi mettono in galera!
.....

stavo per proporre la stessa cosa, da domani tutti in macchina con 3 viti per ogni ruota al posto di 5 !!!
Ok ad avere poca fiducia negli ingegneri......però se hanno pensato a 6 viti (e non a 5 o a 9) un motivo ci potrà pure essere ?
Da oggi, se per sfortuna avrò un incidente con qualcuno in bici, il primo punto che guarderò saranno le viti dei freni, se ci sono tutte o solo la metà !
Da puro ignorante in materia, cerco però di immedesimarmi in quel povero disco, attaccato con sole 3 viti, disco magari già super alleggerito sia sulla pista frenante sia nei raggi, chissà che stress quando deve sopportare una bella pinzata decisa, magari proprio in quel settore che è attaccato ad un raggio che non è fissato al mozzo.....fa già troppo se non si deforma tutto !!!
Allora, se si vuole risparmiare peso, tanto vale tagliare anche quei 3 raggi del disco che tanto non sono imbullonati al mozzo !!!
Ohhh, scherzo ovviamente !!!

 

[Lonewolf]

Il problema è che ci sono 8 pagine di messaggi che non servono a niente.

Non mi sembra, tutti hanno ribadito che togliere 3 viti su 6 sia una enorme caxxata. Che poi si sia andati parzialmente OT in disquisizioni ingegneristiche è vero, ma è anche lo spirito del forum. Ma anche chi ha messo giù delle valutazioni sui carichi si è ben guardato dal dire "dai calcoli risulta che bastano 3 viti", anzi

 

[bikerciuc]

Il problema è che ci sono 8 pagine di messaggi che non servono a niente.
E' una cazzata punto e basta!e pericoloso e non e' certo un comportamento da biker che si rispetti togliere 3 delle 6 viti da un disco.poi questa gente ce la troviamo in giro per le strade? Che resti a casa sua e non servono a niente formulone matematiche in questo forum, che siamo tutti ingegneri ora? Io sono assicurato (udace) e se faccio un danno a qualcuno l'assicurazione copre fino a 850 mila euro....ma se sto stronzo rompe i freni e mi piomba addosso facendomi male e' assicurato?e' in grado di rispondere ai danni provocati?
E' questo che nessuno fin'ora ha capito. Ci sono 6 viti? Le lasci la done stanno e se devi alleggerire la bici comprati un telaio in carbonio o i pedali nuovi!
Un esempio: Stasera andate a casa e togliete 2 delle 5 viti che tengono i cerchi della vs. Auto!vi sentireste sicuri? Forse si, ma in caso d'incidente vi mettono in galera!
Stessa cosa per le bici, specialmente se circolano su strada.
Mi dispiace della cattiveria che dimostro in questo messaggio, ma quì nessuno ha capito ...seriamente...la pericolosita' di fare certa domande sul forum?e di quanto stupidi possano essere i risultati (far venire strane idee ai piu incoscenti di noi).
E non venitemi a dire che la domanda era: Mi serve una formula.....ecc....che te ne fai du una formula che non ti deve servire assolutamente a niente?chi ti dice che sei autorizzato a modificare l'impianto frenante a tuo piacimento?

ti quoto e ti stimo fratello:-?

eppòi togli togli c'è sempre il center lock di shimano così di vite ce n'è una sola...

diciamo poi che :
1) fa molto figo andare al bar a far vedere la biga con i dischi alleggeriti togliendo le viti che fa sembrare il tutto molto 'racing' (chiedete però a valentino se alleggerisce la sua Yama con 'sto sistema va)

2) io tengo buono il principio di un mio amico che dice: ..."prima di spendere in roba ultraleggera perdo chili io che risparmio e mi fa pure bene.

3) io capirei togliere pignoni dalla cassetta, infondo se vai solo in discesa quando ne hai 6 ne hai già da vendere, ma minkia, risparmiare sui freni di una bici da discesa...

su tutte le teorie scientifiche e parascientifiche esposte ci bevo su, alla facciazza del taglio, dello sforzo normale, del rifollamento dei perni, della flessione, e pure dei mei prof di statica/scienza/tecnica e consolidamento...

 

[bikerciuc]

Le sei viti non applicano la stessa forza sulle flange.
La vite più sofferente è quella tra la pinza e il mozzo. Non basta dividere per 6 la forza.

e chi te lo ha detto? basterebbe una minima ovalizzazione e tolleranza dei fori disco per far sì che ci sia una vite che anche se diametralmente opposta alla pinza nel momento della frenata risulti la più sollecitata...

un conto è la teoria un conto voler far la barba alle biglie dei cuscinetti...

non per niente si adottano i coefficienti di sicurezza e si mettono 6 viti anche dove magari ne basterebbero 3

 

[Paolivio]

non mi sembra, tutti hanno ribadito che togliere 3 viti su 6 sia una enorme caxxata. Che poi si sia andati parzialmente ot in disquisizioni ingegneristiche è vero, ma è anche lo spirito del forum. Ma anche chi ha messo giù delle valutazioni sui carichi si è ben guardato dal dire "dai calcoli risulta che bastano 3 viti", anzi

si ma certe valutazioni tecnico ingegneristiche andrebbero fatte cu cose piu' serie....quello intendevo....senza l'intenzione di offendere nessuno sia chiaro!!!

 

[Lonewolf]

si ma certe valutazioni tecnico ingegneristiche andrebbero fatte cu cose piu' serie....quello intendevo....senza l'intenzione di offendere nessuno sia chiaro!!!

vero, ma sai com'è, a volte piace cazzeggiare sugli argomenti che ci appassionano, visto che siamo davanti a un PC e non fuori a pedalare!

 

[IPPU]

gia devo sorbirmele a ing ste robe... adesso anche qui sul forum..
kmq se spero che le ultime viti rimaste siano in acciaio secondo me si apre prima il mozzo che è in alluminio in caso di overload... qui nn avevo controllato che le viti fossero ben tirate...