Tipi di elementi di fissaggio per autoveicoli: Tutto quello che c'è da sapere

L'ingegneria automobilistica è fatta di dettagli e precisione, con molti componenti che lavorano insieme per garantire che l'auto abbia buone prestazioni, sia sicura e affidabile. I dispositivi di fissaggio del settore automobilistico spesso non sono oggetto di grande attenzione, ma sono comunque componenti strutturali molto importanti.

Per gli ingegneri, i produttori e tutti coloro che operano nel settore automobilistico è importante conoscere i diversi tipi di elementi di fissaggio per autoveicoli, i materiali e i loro usi. Il processo di progettazione automobilistica pone un'enfasi significativa sulla selezione del materiale e del dispositivo di fissaggio giusto per ogni applicazione.

Cosa sono i dispositivi di fissaggio per autoveicoli e perché sono importanti?

Gli elementi di fissaggio per autoveicoli sono dispositivi meccanici che uniscono o fissano due o più piccole parti di un veicolo. La loro funzione è molto più che unire i componenti del veicolo; sono fondamentali per la resistenza strutturale del veicolo, la sicurezza durante il funzionamento e la sua durata nel tempo. Ogni dispositivo di fissaggio viene scelto in base alle condizioni specifiche a cui sarà sottoposto e al suo scopo, puntando, ove possibile, a soluzioni semplici.

I dispositivi di fissaggio per auto svolgono funzioni critiche nel settore della produzione di componenti per auto che non possono essere trascurate. Il guasto di un singolo elemento di fissaggio, in determinate situazioni, può provocare fastidiosi rumori e disallineamenti dei componenti, oppure gravi problemi che possono portare a guasti del sistema che mettono a rischio la sicurezza del veicolo. Esposto a vibrazioni, temperature e forze corrosive costanti, l'ambiente all'interno di un veicolo è incredibilmente stressante. Per questo motivo i diversi elementi di fissaggio, come quelli in plastica e quelli in metallo, devono essere affidabili e resistenti, oltre che appositamente studiati per il loro scopo. La progettazione e l'applicazione dei dispositivi di fissaggio sono oggetto di un'ampia considerazione nella produzione e nella manutenzione delle automobili. Le continue innovazioni nelle tecnologie dei veicoli, come la leggerezza, e l'aumento delle tendenze di adozione dei veicoli elettrici, pongono ulteriore attenzione alla scienza dei materiali e alla progettazione dei dispositivi di fissaggio.

Tipi comuni di elementi di fissaggio per autoveicoli

L'assortimento di elementi di fissaggio utilizzati nell'industria automobilistica è ampio, poiché ognuno di essi è realizzato per una specifica esigenza meccanica, manutenzione, processi di assemblaggio e condizioni di servizio. Di seguito sono riportati alcuni dei più comuni elementi di fissaggio per autoveicoli.

Bulloni

In tutti gli usi automobilistici, i bulloni sono uno dei dispositivi di fissaggio meccanico più utilizzati e importanti. Un bullone è definito principalmente da una testa su un'estremità e da un gambo filettato esternamente. È progettato per essere inserito attraverso fori non filettati in parti assemblate e di solito viene serrato o sbloccato mediante il serraggio di un dado di accoppiamento o di un foro filettato in uno dei componenti.

Numerose varianti, come ad esempio:

• Bulloni a testa esagonale: sono i più comuni e offrono una buona applicazione della coppia.
• Bulloni a carrello: con testa liscia e bombata e collo quadrato per evitare la rotazione.
• Bulloni a flangia: hanno una rondella incorporata nel bullone direttamente sotto la testa del bullone per distribuire il carico. I bulloni flangiati esagonali sono un'opzione molto diffusa.
• Bulloni a U: hanno l'aspetto di una lettera U, con filettature su entrambi i bracci, comunemente utilizzati per tenere insieme tubi o componenti delle sospensioni.

Tutti i tipi di bulloni sono fondamentali per i gruppi motore, le strutture di supporto come i telai, i sistemi di sospensione e i mozzi delle ruote come i cuscinetti dell'assale.

Viti

Le viti sono dispositivi di fissaggio simili ai bulloni con filettatura esterna, ma di solito sono destinate a essere inserite in un foro già filettato o a mordere la loro filettatura interna in un materiale più morbido (viti autofilettanti) mentre ruotano verso il basso. A differenza dei bulloni, le viti, comprese le comuni viti esagonali e le viti da macchina, sono solitamente serrate alla testa rotante senza l'uso diretto di un dado sull'altro lato del gruppo. Le viti per autoveicoli comprendono:

Le viti sono ampiamente utilizzate per serrare i pannelli interni e i moduli elettronici delle automobili, come le finiture della carrozzeria e i cruscotti. Ne sono un esempio la vite a testa cilindrica e la vite a testa svasata.

Noci

I dadi, compresi quelli per il settore automobilistico, sono progettati per essere fissati con la filettatura esterna di un bullone e quindi sono filettati internamente. Sono importanti per la formazione di giunti a morsetto, in quanto forniscono la pressione di serraggio necessaria durante l'avvitamento. La forma comune dei dadi è un esagono perché sono progettati per essere serrati con una chiave. I tipi più comuni sono:

• Dadi esagonali: standard per uso generale.
• Dadi di bloccaggio: dadi di bloccaggio con inserto in nylon o dadi di bloccaggio con filettatura distorta, realizzati appositamente per evitare l'allentamento in presenza di vibrazioni.
• Dadi a calotta: noti anche come dadi a ghianda, sono utilizzati per coprire l'estremità del bullone e per la protezione con una sommità a cupola.
• Dadi flangiati: con rondella annessa.
• Dadi Castle: scanalati in modo da poter utilizzare una coppiglia per evitare l'allentamento.

I dadi sono onnipresenti e vengono utilizzati insieme ai bulloni in quasi tutti i sistemi del veicolo, formando un collegamento sicuro.

Rivetti

I rivetti sono un tipo di elemento di fissaggio in grado di resistere a forti sollecitazioni. Prima dell'installazione, un rivetto è un albero cilindrico liscio con una testa a un'estremità. Una volta che il rivetto è stato inserito nel foro previsto, l'estremità posteriore viene deformata per creare una nuova testa e tenere insieme in modo sicuro le diverse parti. I rivetti per autoveicoli includono:

• Rivetti solidi: Devono essere posizionati da entrambi i lati della lamiera.
• Rivetti ciechi: Altrimenti noti come rivetti a strappo, possono essere inseriti da un solo lato e sono comunemente utilizzati per i pannelli e le finiture della carrozzeria.
• Rivetti tubolari: Hanno un'estremità cava che facilita la chiusura.

Sono apprezzati per la loro forza, la capacità di resistere alle vibrazioni e la capacità di unire materiali diversi. I rivetti sono spesso utilizzati nel telaio di un veicolo, nella struttura della carrozzeria e anche per le targhette o altri elementi di finitura.

Rondelle

La rondella è una piastra a forma di disco con un foro centrale che di solito accompagna bulloni, dadi o qualsiasi altro strumento di giunzione filettato. La loro funzione comprende la distribuzione uniforme del carico causato dal dispositivo di fissaggio, la prevenzione di eventuali danni alle parti unite offrendo una superficie liscia e agendo, quando necessario, come distanziatore, molla o meccanismo di bloccaggio. Le rondelle hanno funzioni diverse: le rondelle lisce distribuiscono il peso, mentre le rondelle elastiche aggiungono flessibilità per combattere le perdite dovute alle vibrazioni. Inoltre, le rondelle sono disponibili in diverse forme e stili, a dimostrazione della loro versatilità. Grazie alla loro versatilità, le rondelle si trovano praticamente in tutti i collegamenti bullonati o avvitati dei veicoli.

Clip

Le clip rappresentano un insieme eterogeneo di elementi di fissaggio, principalmente in plastica o metallo, destinati a mantenere i pezzi insieme o in una posizione prestabilita senza utilizzare filettature. Non essendoci filettature, si avvalgono di proprietà elastiche o di caratteristiche che si bloccano in posizione per eliminare il movimento tra i componenti. I tipi di clip per auto includono:

• Clip per finiture: utilizzate per fissare i pannelli di finitura interni ed esterni.
• Clip per cablaggio: dedicate al fissaggio del cablaggio elettrico.
• Fascette stringitubo: Morsetti che vengono spesso inseriti in questa categoria.
• Clip per pannelli: designate per le parti dei pannelli della carrozzeria.

Servono per le parti che richiedono manutenzione o assistenza frequente, in quanto possono essere smontate e rimontate rapidamente intorno al veicolo.

Morsetti

I morsetti sono strumenti realizzati appositamente per trattenere o fissare saldamente gli oggetti per limitarne il movimento o la separazione attraverso l'applicazione di una pressione verso l'interno. Nel contesto automobilistico, sono importanti per i sistemi di fluidi e aria. I morsetti sono noti soprattutto come fascette stringitubo, che sigillano le estremità dei tubi ai raccordi situati nei sistemi di raffreddamento, di alimentazione e di aspirazione dell'aria. Altri tipi prevalenti sono le fascette a vite senza fine, le fascette a molla e le fascette ad orecchio, che variano nel modo di tensionamento, nella tenuta e nel design complessivo.

Spille

Si tratta di perni che sono elementi di fissaggio, cilindrici o conici, che svolgono funzioni di localizzazione, allineamento o giunzione. In alcuni casi, può essere consentita una funzione rotazionale o girevole, mentre in altri casi la connessione può essere rigida e resistente alle forze di taglio. Nell'industria automobilistica, possiamo includere:

• Perni di fissaggio: per fissare insieme due parti, come le metà di un blocco motore.
• Perni di sicurezza: perni spaccati che vengono inseriti all'interno del foro di un bullone e fissati con un dado di bloccaggio per mantenerne il movimento rotatorio.
• Perni a forcella: Utilizzati con una coppiglia per il fissaggio dei giunti a perno negli alberi.
• Perni a molla: perni arrotolati o a spirale che vengono inseriti in un foro e applicano una forza radiale verso l'esterno.

Sono fondamentali per i collegamenti, le trasmissioni e il fissaggio dei componenti rotanti.

Borchie

Le viti prigioniere sono un tipo di elemento di fissaggio filettato esternamente. Assomigliano ai bulloni, ma possono anche essere intesi come barre filettate. Un lato della vite prigioniera è progettato per essere inserito in un componente per un'installazione permanente (ad esempio avvitato in un foro filettato, saldato o pressato). L'altra estremità è filettata per consentire il fissaggio di un dado. Un buon esempio sono i prigionieri delle ruote, che vengono inseriti nel mozzo della ruota e utilizzati per fissare le ruote con i dadi. Un altro esempio importante sono i prigionieri della testa del motore, che si avvitano nel blocco motore e consentono di fissare la testa del cilindro con i dadi. Rispetto ad altri tipi di elementi di fissaggio, come i bulloni, i prigionieri sono più utili in caso di montaggio e smontaggio ripetuti, grazie alla loro minima usura dei fori filettati.

Sorgenti

Le molle, in particolare, non sono percepite come elementi di fissaggio primari come lo sono i bulloni o le viti, tuttavia svolgono una funzione di fissaggio o di mantenimento estendendo una forza costante. Ad esempio, la molla di una valvola del motore tiene chiuse le valvole e le molle utilizzate in altri dispositivi mantengono la pressione e assicurano i componenti. Inoltre, le molle elicoidali e a balestra svolgono un ruolo cruciale nel sistema di sospensioni di un'automobile. Esse agiscono come elemento fondamentale dei sistemi di sospensione, fissando efficacemente il gruppo assale al telaio del veicolo e consentendo allo stesso tempo il movimento.

Elementi di fissaggio speciali

Oltre ai tipi comuni, esistono tipi di dispositivi di fissaggio specializzati che vengono solitamente creati per particolari usi automobilistici o per soddisfare determinate esigenze di produzione. Questi includono:

• Chiusure a sgancio rapido: per pannelli che richiedono una rimozione frequente.
• Elementi di fissaggio autobloccanti: Dadi, prigionieri e distanziatori PEM® che si legano magistralmente alle parti in lamiera.
• Inoltre, i produttori di automobili propongono progetti personalizzati, come le viti a filettatura per materiali specifici.
• Tali dispositivi sono solitamente inventati per rendere più rapido l'assemblaggio, ridurre il peso complessivo o migliorare le prestazioni per usi specifici.

Per una rapida consultazione, la tabella seguente contiene un riepilogo dei tipi di elementi di fissaggio discussi in precedenza, classificati in base ai loro usi e vantaggi nelle applicazioni automobilistiche:

Materiali comuni utilizzati nei dispositivi di fissaggio per autoveicoli

La scelta del materiale per un elemento di fissaggio automobilistico gioca un ruolo fondamentale ed è influenzata da diversi fattori, quali la resistenza, la superficie, l'area di applicazione, la resistenza alla corrosione, la temperatura di esercizio, il peso, la sinergia con altri materiali utilizzati e il costo totale, in particolare in relazione alle parti del motore. Di seguito sono riportati i materiali più comuni utilizzati nei dispositivi di fissaggio per autoveicoli:

Acciaio

L'acciaio, nelle sue forme legate, è il materiale più utilizzato per i dispositivi di fissaggio per autoveicoli, grazie al suo rapporto resistenza/costo e alla versatilità di lavorazione e modellazione. La protezione dalla ruggine viene spesso applicata tramite rivestimenti.

• Acciaio a basso tenore di carbonio: Utilizzato per applicazioni meno importanti, come alcune viti, clip, bulloni per impieghi leggeri e altri componenti che non richiedono resistenza.
• Acciaio a medio tenore di carbonio: Sottoposti a una qualche forma di trattamento termico (bonifica) per ottenere una maggiore resistenza alla trazione (ad esempio, gradi SAE 5 e 8, o classi ISO 8.8, 10.9, 12.9). Questi elementi di fissaggio svolgono importanti funzioni strutturali in motori, trasmissioni, sospensioni e telai.
• Acciai legati: Componenti come cromo, molibdeno e nichel vengono aggiunti per migliorare alcune caratteristiche come il cromo, la tempra e la resistenza alle alte temperature. Vengono utilizzati per bulloni e prigionieri ad altissima resistenza in applicazioni complesse.

Gli elementi di fissaggio in acciaio sono comunemente rivestiti (ad esempio con zinco, fosfato o rivestimenti proprietari) per migliorare la resistenza alla corrosione.

Alluminio

Le applicazioni dei dispositivi di fissaggio in alluminio sono in aumento nell'industria automobilistica, in particolare in aree come i pannelli della carrozzeria e le parti costitutive del motore e degli interni, a causa dell'obiettivo di ridurre il peso. L'alluminio offre un'adeguata resistenza alla corrosione in una serie di ambienti, oltre a possedere un favorevole rapporto forza-peso. A fronte di questi vantaggi, l'alluminio ha difficoltà a competere con l'acciaio, poiché possiede una resistenza inferiore e un maggiore coefficiente di espansione termica. Occorre prestare particolare attenzione alla progettazione del dielettrico quando gli elementi di fissaggio in alluminio vengono utilizzati con altri metalli, in particolare l'acciaio, a causa della corrosione galvanica.

Plastica

Diversi tipi di tecnopolimeri, tra cui il nylon, il polipropilene e l'acetale, sono utilizzati per vari elementi di fissaggio in plastica, in particolare per le clip, i fermi e la gamma leggera di elementi di fissaggio a pressione insieme alle viti. Rispetto ai metalli, le materie plastiche sono molto leggere, immuni alla corrosione, elettricamente isolanti, buoni ammortizzatori e possono essere modellate in diversi stampi per un montaggio a scatto senza sforzo. Tuttavia, la resistenza offerta dalle materie plastiche è notevolmente inferiore a quella dei metalli e ne limita le applicazioni per le finiture e i componenti interni a basso carico.

Titanio

Le leghe di titanio sono materiali eccezionali per gli elementi di fissaggio, in quanto offrono un rapporto forza-peso senza pari (più forte di diversi acciai ma più leggero di 40%) e un'impareggiabile resistenza alla corrosione, anche alle alte temperature). Tuttavia, il titanio costa molto di più dell'acciaio o dell'alluminio. La sua applicazione nei veicoli di serie è per lo più limitata alle alte prestazioni, alle corse o alle situazioni di estrema riduzione del peso, come i sistemi di scarico, le parti delle sospensioni e i componenti del treno valvole del motore per alcune auto esotiche, dove le considerazioni sui costi sono secondarie.

Ottone

L'ottone, una lega contenente rame e zinco, viene utilizzato per i dispositivi di fissaggio automobilistici in applicazioni limitate in cui sono necessarie una buona conduttività, resistenza alla corrosione (in particolare dei carburanti e di alcune sostanze chimiche) e caratteristiche non magnetiche. Pur essendo più debole dell'acciaio, ha il suo scopo. Viti, dadi e terminali in ottone possono essere utilizzati negli impianti elettrici e in alcuni componenti del sistema di alimentazione. Il suo colore brillante può essere interessante per alcuni usi non funzionali, ma è poco diffuso nel design automobilistico moderno.

Suggerimenti per la scelta del dispositivo di fissaggio ideale per il settore automobilistico

La scelta dei dispositivi di fissaggio è fondamentale per garantire la sicurezza, l'affidabilità e la durata di un gruppo automobilistico. È necessario tenere conto di diversi fattori, tra cui il coefficiente di attrito e i requisiti di carico.

Requisiti di carico

Il tipo e l'entità dei carichi sul dispositivo di fissaggio sono le prime aree critiche su cui concentrarsi. Si tratta di carichi di trazione (distacco), di taglio (scorrimento), di torsione (torsione) e anche di carichi dinamici dovuti a urti e vibrazioni. Inoltre, il materiale dell'elemento di fissaggio, il diametro e l'entità dell'impegno della filettatura devono possedere una resistenza sufficiente per far fronte a questi carichi, oltre a fattori di sicurezza adeguati.

Ambiente di lavoro

La scelta più rapida è fortemente influenzata dall'ambiente operativo. Questi includono:

• Temperatura: Il superamento di intervalli (come quelli che si trovano nei sistemi di scarico e nei componenti del motore) può indebolire la resistenza di un elemento di fissaggio e causarne l'allentamento a causa del surriscaldamento e del raffreddamento. In queste regioni sono necessari materiali con il giusto livello di stabilità termica.
• Corrosione: Il sale stradale, le sostanze chimiche e le condizioni di umidità sottopongono gli elementi di fissaggio alla corrosione. Sono necessari materiali resistenti alla corrosione, come l'alluminio, l'acciaio inox o la plastica, nonché un rivestimento protettivo per gli elementi di fissaggio in acciaio.
• Vibrazioni: I veicoli sono sottoposti a vibrazioni costanti che sottopongono gli elementi di fissaggio a un lento allentamento. Sono indispensabili speciali caratteristiche antiallentamento e particolari design dei dispositivi di fissaggio.

Materiale delle parti unite e compatibilità dei dispositivi di fissaggio

I componenti da unire sono altrettanto importanti nella scelta del dispositivo di fissaggio.

• Corrosione galvanica: In presenza di umidità, l'unione di metalli diversi con un elemento di fissaggio può provocare la corrosione galvanica. Si raccomanda inoltre che il dispositivo di fissaggio utilizzato sia galvanicamente isolante o compatibile.
• Resistenza del materiale: Prima di ottenere il carico di serraggio adeguato, un elemento di fissaggio non deve essere troppo debole, tanto da cedere, né troppo forte, tanto da danneggiare i materiali uniti più morbidi quando vengono serrati.
• Espansione termica: È necessario prestare particolare attenzione alle parti che subiscono grandi differenze di temperatura a causa della presenza di coefficienti di espansione diversi rispetto all'elemento di fissaggio e ai pezzi uniti, soprattutto in intervalli termici con notevoli oscillazioni di temperatura.

Costo

Il costo sarà sempre una componente della produzione di massa, mentre le prestazioni e l'affidabilità restano fondamentali. Il dispositivo di fissaggio scelto deve soddisfare tutte le aspettative ingegneristiche, ma con un valore migliore. In genere si tratta di un equilibrio tra il costo del materiale, la complessità della produzione del dispositivo di fissaggio e il suo assemblaggio. L'applicazione di materiali esotici o di progetti altamente specializzati è solitamente riservata ai casi in cui le opzioni standard non sono sufficienti.

Come prevenire l'allentamento degli elementi di fissaggio per autoveicoli？

Nell'ingegneria automobilistica, le vibrazioni, i cicli termici e altri carichi dinamici sono tra le cause principali dell'allentamento degli elementi di fissaggio, che desta grande preoccupazione a causa dei potenziali costi di riparazione. Ecco alcune strategie per prevenire questo fenomeno:

Applicazione dei dispositivi di bloccaggio

È possibile incorporare diverse funzioni di bloccaggio meccanico:

• Dadi di bloccaggio: I dadi di bloccaggio con inserto in nylon e i dadi a coppia prevalente interamente metallici (ad esempio, i dadi a filettatura distorta o a disassamento ellittico) resistono alla rotazione grazie all'attrito che creano sulla filettatura del bullone.
• Rondelle di sicurezza: Le rondelle elastiche (elicoidali o coniche/Belleville) esercitano un carico sul giunto. Le rondelle dentate (rondelle a stella) si inseriscono negli elementi di fissaggio e nelle superfici del giunto.
• Adesivi bloccafiletti: Gli adesivi anaerobici in forma liquida vengono applicati alle filettature levigate. Polimerizzano in assenza di aria bloccando le filettature e sigillando contro la corrosione.
• Bulloni/dadi a flangia dentellata: le dentellature si incastrano nella superficie adiacente per impedire l'allentamento dei bulloni.

Selezione del materiale e resistenza alle vibrazioni

L'elasticità intrinseca dei materiali dei dispositivi di fissaggio e dei giunti può contribuire a mantenere il precarico. Anche la scelta di materiali con un'adeguata resistenza alla fatica è altrettanto fondamentale. Alcuni modelli di elementi di fissaggio sono più resistenti di altri all'allentamento da vibrazioni. Anche la rigidità totale del giunto, creata dagli elementi di fissaggio e dai componenti da bloccare, è un fattore importante.

Applicazione corretta della coppia e chiavi dinamometriche

Per evitare l'allentamento, il metodo più semplice è il corretto precarico (forza di serraggio) ottenuto con la coppia di serraggio specificata, che rappresenta la forza di rotazione applicata.

• Specifiche di coppia: Ogni giunto ha un valore di coppia specifico stabilito dagli ingegneri. Un serraggio insufficiente provoca un allentamento del carico del morsetto, mentre un serraggio eccessivo danneggia le filettature o fa cedere il dispositivo di fissaggio.
• Chiavi dinamometriche: Le chiavi a scatto, a raggio e digitali sono strumenti di coppia calibrati che devono essere tenuti in mano mentre vengono controllati meccanicamente durante l'assemblaggio e la manutenzione. Vengono impostati per applicare la coppia specifica richiesta. Per i giunti critici, il serraggio ad angolo di coppia mira a una precisione ancora maggiore.

Programmi di ispezione e manutenzione regolari

Per alcuni elementi di fissaggio critici, in particolare nei veicoli pesanti o ad alte prestazioni, i controlli regolari e le verifiche della coppia di serraggio (se specificati dal produttore) fanno parte del programma di manutenzione. L'ispezione visiva può identificare i segni di corrosione o di affaticamento osservabili dall'esterno che potrebbero causare allentamenti o guasti.

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FAQS

Quali sono i tre tipi di elementi di fissaggio per il settore automobilistico?

I bulloni, le viti e i rivetti sono tre elementi di fissaggio automobilistici comuni utilizzati per assemblare e fissare i componenti dell'automobile.

Quanti elementi di fissaggio ha un'automobile?

La maggior parte delle auto contiene tra i 3.000 e i 5.000 elementi di fissaggio, a seconda della complessità del veicolo.

I dispositivi di fissaggio per auto sono riutilizzabili?

Alcuni elementi di fissaggio in metallo, come i bulloni e i dadi standard, possono essere riutilizzati se non sono danneggiati. Tuttavia, i bulloni con coppia di serraggio, i dadi di bloccaggio e molte clip in plastica sono progettati per essere utilizzati una sola volta e devono essere sostituiti per garantire sicurezza e affidabilità.