Effect of friction, surface treatment and adhesive-reinforcement on the behavior of threaded connections. Effetto dell'attrito, dei trattamenti superficiali e dell'incollaggio sul comportamento dei collegamenti filettati

This study aims at analyzing the phenomena which characterize threaded connections. This type of joint has been known for thousands years (one of the first applications is attributable to Archimedes) allows transforming a torque into an axial force, typically used to lock two or more components thanks to the friction forces that arise between the connected bodies. One of the main strengths of this type of coupling is the possibility to assemble and disassemble the assembled parts; in addition, it can be applicable to almost any type of material. However, the joint system is characterized by a low efficiency: only a modest amount of the tightening torque is actually converted into axial force. In addition, the obtained axial force is typically affected by a large scatter. This behavior is due to the combined effect of two different friction effects that arise between the under-head of the screw (or nut) and the surface of the elements to be locked in the first case, and between the screw threads and female screw in the second one. The relationship between tightening torque and preload axial force is very sensitive to the effect of the various friction coefficients that rule the tribological behavior of the joint:, these coefficients have a significant variability due to the processes used to manufacture the components, and to the different tightening parameters, such as the presence of lubrication or the tightening speed. Threaded connections do have a wide array of applications, both in the field of civil engineering and in mechanics. For instance, in the automotive compartment, due to a steadily growing strive towards weight reduction and increased automation of assembly procedures, an accurate knowledge of the performance of threaded connections has recently become critical in order to achieve the safety of the junction at an adequate production cost. In order to control a threaded connection, it is necessary to focus on the three main factors that characterize its behavior: the coefficients of friction at tightening, the self-relaxation phenomenon (decrease of axial preload in the first few seconds after tightening, due to sinking of the load bearing area in the clamped parts), self-loosening (loss of axial preload, typically due to the action of external shearing forces). In the following, literature review will be presented first, then it will be shown an experimental investigation on the effect of solid lubrication on the friction coefficients, carried out for repeated tightenings and different surface treatments. Moreover, the effect of the number of engaged threads on the performance of an anaerobic threadlocking adhesive will be examined. The need for these analyses arose from the study of an in-field failure occurred in a pinion shaft of a transmission for earth moving machines, which, as it will be shown in the following, probably failed due to a combination of the aforementioned typical issues of threaded components. The research has the aim of increasing the knowledge about the effect of lubrication on the different phenomena that contribute to determining the performance of a bolted connection.

Lo studio in oggetto ha come obbiettivo l’analisi dei fenomeni che caratterizzano sistemi di giunzione per attrito; come i collegamenti filettati. Questo tipo di giunzione noto ormai da millenni (una delle prime applicazioni è riconducibile ad Archimede) permette di trasformare una coppia torcente in una forza assiale, tipicamente utilizzata per bloccare due o più componenti grazie alle forze di attrito che nascono tra i corpi collegati. Uno dei principali punti di forza di questo tipo di accoppiamento è la possibilità di montare e smontare i particolari collegati oltre ad essere applicabile quasi a qualsiasi tipo di materiale. Per contro il sistema di giunzione è caratterizzato da un basso rendimento: solo una modesta quantità della coppia esercitata al serraggio viene effettivamente convertita in forza assiale. Inoltre la forza assiale ottenuta presenta tipicamente valori variabili all’interno di un ampio intervallo. Questo comportamento è dovuto all’effetto combinato di due distinti momenti d’attrito che nascono in un caso tra il sottotesta della vite o del dado e la superficie di uno degli elementi da bloccare, nell’altro tra i filetti di vite e madrevite. La relazione tra coppia di serraggio ed effettiva forza assiale ottenibile è molto sensibile all’effetto dei vari coefficienti d’attrito: questi coefficienti a loro volta presentano una significativa variabilità dovuta sia ai processi produttivi utilizzati per realizzare i vari componenti che ai diversi parametri di serraggio, come ad esempio la presenza di lubrificazione o la velocità di serraggio. I collegamenti filettati trovano ampia applicazione sia nel campo delle costruzioni civili che nel campo della meccanica, dove a causa di una sempre maggiore spinta verso una riduzione dei pesi ed una maggiore automatizzazione delle procedure di montaggio (si pensi al settore automotive), è necessario avere un accurato controllo sulle prestazioni del collegamento al fine di garantire la sicurezza della giunzione con tempi di assemblaggio e costi ridotti. Al fine di controllare un collegamento filettato occorre focalizzare l’attenzione sui tre principali fenomeni che lo governano: andamento dei coefficienti d’attrito in fase di serraggio, self-relaxation (diminuzione del tiro assiale offerto dalla vite nei primi secondi successivi al serraggio, dovuto ad un assestamento elastoplastico del materiale), self-loosening (perdita di tiro assiale nel tempo tipicamente sotto l’azione di carichi taglianti esterni). Di seguito verrà presentata una panoramica generale sull’argomento tratta dalla letteratura esistente, un’indagine sperimentale sull’effetto della lubrificazione con lubrificante solido sui coefficienti d’attrito per serraggi ripetuti e diversi trattamenti superficiali e l’effetto del numero di filetti in presa sulle prestazioni di un frenafiletti anaerobico. Queste analisi sono partite dallo studio di un caso reale di self-loosening su un collegamento filettato in un albero pignone di una trasmissione per macchine movimento terra, dove si evidenziano i vari fenomeni che caratterizzano questo tipo di collegamenti. L’attività di ricerca si pone l’obbiettivo di aumentare le conoscenze sull’effetto della lubrificazione sui diversi fenomeni che concorrono a determinare le prestazioni di un collegamento bullonato.