Carico di pre-serraggio: definizione, formula e calcolo

Il carico di pre-serraggio (o forza di precarico) è la forza con cui una vite viene allungata elasticamente durante il serraggio per serrare insieme i componenti collegati. È fondamentale per la sicurezza funzionale, la durata e la capacità di carico di un collegamento a vite. Un carico di pre-serraggio correttamente impostato impedisce l'allentamento, lo spostamento o il cedimento per fatica del collegamento – specialmente nel caso di componenti soggetti a carichi dinamici nell'ingegneria meccanica, nell'impiantistica e nelle costruzioni metalliche.

Carico di pre-serraggio – Definizione e importanza

Per carico di pre-serraggio (simbolo della formula FV) si intende la forza di trazione nella vite che si genera durante il serraggio per effetto della coppia di serraggio applicata. In questo processo, la vite viene allungata elasticamente, mentre i componenti serrati vengono compressi elasticamente.

Dal carico di pre-serraggio deriva la forza di serraggio (o forza di serraggio residua), con cui i componenti vengono premuti l'uno contro l'altro. Finché i carichi operativi esterni o le forze trasversali sono inferiori a questa forza di serraggio, il collegamento rimane chiuso e privo di gioco.

Carico di pre-serraggio, forza di serraggio e carico esterno

È importante distinguere chiaramente i concetti:

• Carico di pre-serraggio: forza di trazione nella vite dopo il montaggio
• Forza di serraggio: forza di compressione tra i componenti

Sotto l'azione di un carico esterno (ad es. trazione o vibrazione), la forza di serraggio diminuisce mentre il carico sulla vite aumenta. Solo quando la forza esterna diventa maggiore della forza di serraggio presente, il collegamento si apre parzialmente o completamente.

Carico di pre-serraggio – Formula e relazione fisica

Il carico di pre-serraggio si genera attraverso la coppia di serraggio MA. La relazione può essere descritta in forma semplificata come segue:

MA = FV × ( p / 2π + μG × d2 / 2 + μK × DK / 2 )

Dove:

• MA = coppia di serraggio
• FV = carico di pre-serraggio
• p = passo della filettatura
• μG = coefficiente di attrito nella filettatura
• μK = coefficiente di attrito sotto la testa della vite o il dado
• d2, DK = diametri efficaci

Nota: questa equazione rappresenta un'approssimazione e serve alla comprensione di base. Per la progettazione sicura di collegamenti a vite ad alto carico, nella pratica si fa riferimento alla norma VDI 2230, che modella in dettaglio il sistema vite–componente.

Gran parte della coppia di serraggio – tipicamente l'80–90% – viene assorbita dall'attrito nella filettatura e sotto la testa della vite. Solo una quota relativamente piccola contribuisce direttamente alla generazione del carico di pre-serraggio. Per questo motivo, le variazioni del coefficiente di attrito (ad es. dovute a rivestimento o lubrificazione) hanno un impatto notevole sul risultato del montaggio.

FATTORI DI INFLUENZA SUL CARICO DI PRE-SERRAGGIO

Il carico di pre-serraggio effettivamente raggiunto dipende da numerosi fattori:

• Coppia di serraggio e precisione dell'utensile
• Coefficienti di attrito nella filettatura e sotto testa (materiale, rivestimento, lubrificazione)
• Rugosità superficiale dei componenti
• Comportamento di assestamento del collegamento
• Proprietà del materiale e classe di resistenza della vite
• Impiego di sistemi di bloccaggio come dadi di sicurezza o rondelle Nord-Lock

Le rondelle Nord-Lock non influiscono sull'entità del carico di pre-serraggio, ma servono alla sicurezza e al mantenimento del carico di pre-serraggio in presenza di carichi dinamici.

Carico di pre-serraggio ottimale – Intervalli target tipici

Il carico di pre-serraggio ottimale viene scelto in modo da:

• evitare l'allungamento plastico della vite
• garantire una forza di serraggio sufficiente per l'esercizio
• tenere conto delle perdite per assestamento

Nella pratica, l'intervallo target si attesta frequentemente intorno al 65–75% del limite di snervamento della vite. Valori più elevati, fino a circa l'80%, sono possibili ma richiedono un montaggio controllato con grande precisione e un concetto di sicurezza adeguato. La definizione esatta avviene di norma secondo la norma VDI 2230.

Misurazione e controllo del carico di pre-serraggio

Il carico di pre-serraggio può essere verificato in diversi modi:

• In modo indiretto tramite la coppia di serraggio, ad es. con chiavi dinamometriche o banchi di prova
• In modo diretto tramite viti dinamometriche, estensimetri o metodi ad ultrasuoni
• Tramite l'incremento di lunghezza della vite (allungamento elastico)

Nelle applicazioni rilevanti per la sicurezza – come nel caso delle viti flangiate o nelle costruzioni metalliche – il carico di pre-serraggio viene spesso documentato o monitorato.

Esempio pratico: carico di pre-serraggio di una vite M12

Una vite a testa esagonale M12 con classe di resistenza 10.9 ha un limite di snervamento di circa 900 N/mm². La sezione resistente As è di circa 84,3 mm².

Il carico teorico allo snervamento risulta pari a:

FS ≈ 900 N/mm² × 84,3 mm² ≈ 75 kN

Se si sceglie un carico di pre-serraggio pari a circa il 60–70% di questo valore, si ottiene un valore target compreso tra circa 45 e 52 kN. La relativa coppia di serraggio si colloca tipicamente – a seconda dei coefficienti di attrito – nell'intervallo compreso tra 80 e 100 Nm.

Applicazioni del carico di pre-serraggio

Il carico di pre-serraggio è un principio costruttivo centrale di quasi tutti i collegamenti a vite tecnici, ad es. in:

• Ingegneria meccanica e impiantistica (alloggiamenti di cuscinetti, motori, pompe)
• Costruzioni metalliche (collegamenti di travi, piastre e flange)
• Settore automobilistico (ruote, assi, telaio)
• Tecnica di fissaggio con viti a testa esagonale, rondelle, rondelle elastiche di sicurezza o molle a tazza

Carico di pre-serraggio spiegato in modo semplice

Il carico di pre-serraggio è la forza di trazione che si genera nella vite durante il serraggio. Tiene saldamente uniti i componenti e garantisce che il collegamento rimanga sicuro, privo di gioco e stazionario nel tempo anche sotto carico – un principio fondamentale della tecnica di avvitamento professionale.