Il principio del giunto cardanico è vecchio di secoli (lo sapevate che prende il nome dal matematico, filosofo e medico italiano Gerolamo Cardano del XVI secolo) ma è con lo sviluppo dell’industrializzazione che la sua applicazione pratica si è sviluppata in meccanica.
Nonostante sia forse “banalizzato” dal punto di vista concettuale, il comportamento di un giunto cardanico è governato da relazioni matematiche precise che determinano la trasmissione del moto tra albero motore e albero condotto. E vi risparmiamo l’equazione funzionale, le dinamiche e le sollecitazioni che si devono considerare nella progettazione di questi componenti.
In estrema pratica due forcelle collegate da una crociera centrale dotata di quattro perni ortogonali. Cuscinetti a rullini consentono la rotazione relativa tra perni e forcelle, permettendo il movimento angolare per la compensazione del disallineamento. Fondamentale una buona lubrificazione per garantire la durata operativa.
Superano le limitazioni in presenza di angoli di disallineamento elevati. Due giunti cardanici vengono collegati da un albero intermedio, una configurazione che permette di ottenere l’isocinetismo (mantenimento di una velocità di rotazione indipendentemente dal carico o dalla resistenza). Questa condizione richiede che gli angoli di funzionamento dei due giunti siano uguali e che le forcelle dell’albero intermedio siano sullo stesso piano. La progettazione dell’albero intermedio richiede particolare attenzione perché deve resistere a sollecitazioni di torsione, a momenti flettenti indotti dalle reazioni vincolari dei giunti.
Il dimensionamento di un giunto cardanico deve considerare: i carichi, le condizioni operative, la durata. La verifica strutturale deve essere particolarmente approfondita sui componenti critici che sono i perni della crociera, i cuscinetti (gli elementi più sollecitati del sistema) e i semiasse.
L’angolo di funzionamento è certamente il parametro più critico. Nel caso di giunti semplici si raccomanda di non superare i 25-30° nel caso di applicazioni continue, 45° nel caso di funzionamento intermittente.
La velocità di rotazione è limitata dalle sollecitazioni centrifughe sui componenti e dalle vibrazioni. Nei giunti cardanici convenzionali di grandi dimensioni si deve stare sui 3000-4000 rpm. Per giunti cardanici di piccole dimensioni si possono raggiungere anche velocità superiori.
Le condizioni termiche influenzano molto le prestazioni di un giunto cardanico. Nel caso di temperature elevate la viscosità del lubrificante è ridotta, aspetto che accelera il processo di ossidazione. Al contrario temperature troppo basse possono compromettere la fluidità del lubrificante all’avviamento.
Nel settore automobilistico le trasmissioni cardaniche trovano applicazione primaria nella trasmissione di potenza dal differenziale alle ruote nei veicoli commerciali pesanti e nei sistemi di trazione integrale. La configurazione tipica prevede giunti cardanici doppi per minimizzare le vibrazioni trasmesse all'abitacolo. Le specifiche automotive richiedono componenti in grado di operare in condizioni estremamente variabili, da temperature di -40°C a +120°C, con carichi dinamici elevati e cicli di funzionamento prolungati. I materiali impiegati devono garantire resistenza alla corrosione e agli agenti atmosferici. Spesso richiedendo trattamenti superficiali specializzati.
Nell’industria pesante i giunti cardanici sono particolarmente utilizzati negli impianti siderurgici, nei laminatoi, nelle macchine utensili di grandi dimensioni.
Nelle energie rinnovabili, in particolare l’eolico, in cui le condizioni operative e ambientali richiedono ai giunti cardanici requisiti di durata elevata.
Nelle macchine agricole, particolarmente utilizzati nei sistemi di presa di forza, nelle attrezzature da taglio come le falciatrici rotative, nei decespugliatori. Nelle macchine per la lavorazione del terreno, come erpici, fresatrici, seminatrici pneumatiche. Nelle attrezzature per la raccolta come le imballatrici, le mietitrebbia trainate, ecc.
La focalizzazione primaria riguarda lo sviluppo di nuovi materiali. Acciai di nuova generazione per i cuscinetti consentono durate operative molto superiori rispetto ai materiali convenzionali. Così come la scoperta di nuovi trattamenti superficiali, come la nitrurazione ionica e i rivestimenti DLC (Diamond Like Carbon) che migliorano la resistenza all’usura e i coefficienti di attrito. L’integrazione di sensori intelligenti e sistemi di comunicazione wireless trasformano le trasmissioni cardaniche in componenti intelligenti capaci di autodiagnosi e comunicazione con sistemi di controllo centrali per il monitoraggio di manutenzione predittiva.
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