Sistema a guide ortogonali, attrito radente-volvente

Andrea O

Utente registrato
Professione: Studente
Software: solidworks
Regione: Piemonte
#1
Buongiorno a tutti,
sto cercando di risolvere un problema riguardante due elementi guidati, uno collegato ad una molla, uno mossa da una forza motrice costante. In figura inserisco i calcoli fatti finora, e gli schemi utilizzati :
IMG_8482.jpg E' un sistema sviluppato sul piano orizzontale, quindi non ho contributi del peso in questa vista.
Obiettivo è quello di trovare la forza motrice per spostare l'elemento 1, a cui è applicata una forza di una molla nella direzione rappresentata. Entrambi i sistemi sono guidati e vincolati a muoversi nelle direzioni x per l'elemento 2 e y per l'elemento 1.

La forza Fm calcolata risulta molto elevata, e ciò che vorrei fare sarebbe quello di ridurla per quanto possibile.
Il primo tentativo che ho fatto è stato quello di vedere dove l'attrito potesse essere ridotto: l'attrito posto a 0.3, è stata una scelta iniziale per impostare il problema, ma che non ha una base solida di scelta. La scelta del coefficiente di attrito non è mai semplice in sistemi di questo tipo, e non avendo particolare esperienza non posso far altro che basarmi su ciò che trovo su internet e sui manuali.
Valori tabellati di attrito acciaio-acciaio lubrificato(materiale ipotizzato, non definitivo) danno variazioni tra lo 0.05 e lo 0.1, ma non vengono mai specificati valori importanti come il lubrificante utilizzato, la rugosità superficiale.
Chiaramente in un sistema come questo non si potrà considerare un bagno d'olio per ridurre al minimo l'attrito, banalità.
Quindi il primo dubbio riguarda il coefficiente di attrito.

Seconda idea che ho iniziato ad impostare:
se al posto dell'elemento 2, un semplice cuneo, si pensasse di usare un sistema rullino-cuscinetto?il sistema manterrebbe sempre gli stessi vincoli, quindi il rullino potrebbe sempre solo traslare lungo x e ruotare attorno al suo asse. In questo modo sfrutterei l'attrito volvente, ma il problema che si può verificare è quello di avere strisciamento invece che rotazione.
Come procedereste in questo senso?

Ho inserito parecchia carne al fuoco, ma spero di aver reso su quale sia il problema.
 

exxon

Utente Junior
Professione: engineer
Software: inventor
Regione: veneto
#2
Difficile risponderti senza conoscere l'applicazione...

In generale, 0.3 di attrito mi sembra esagerato. Se poi i rapporti dimensionali e di corsa sono quelli dello schizzo, una soluzione interessante potrebbero essere le gabbie lineari a rullini.

GabbiaRullini.png

Sistemandole opportunamente nei tre punti di attrito ottieni coefficienti praticamente nulli.

Le superfici di scorrimento devono però essere dure e rettificate, e deve essere prevista un'opportuna lubrificazione.
 

Andrea O

Utente registrato
Professione: Studente
Software: solidworks
Regione: Piemonte
#3
Abbassare il valore di attrito a 0.2, sarebbe un azzardo senza considerare superfici rettificate?
Comunque il sistema sarebbe un sistema di contorno all'interno di un attuatore.

In pratica la molla spinge quel pattino a forma di cuneo quando non c'è Fm, quando invece ho Fm devo riuscire a spostare pattino e molla di circa 12 mm lungo y.
Considerando che io ho rappresentato le guide lateralmente, anche se credo dovranno essere inserite sotto al di sotto dei cunei, queste guide a rullini fanno solo da appoggio o garantiscono una guida?

La considerazione sull'eventuale passaggio ad un sistema rotante non credi possa essere utile?
 

exxon

Utente Junior
Professione: engineer
Software: inventor
Regione: veneto
#4
Se l'acciaio è raschiettato e la lubrificazione adeguata scendi a 0.1. Se la finitura è approssimativa, non c'è limite al peggio.

Hai considerato l'utilizzo di materiali antifrizione? A partire dal bronzo per arrivare al PTFE o alla 'turcite', puoi raggiungere abbastanza facilmente 0.05.

Devi considerare anche la differenza tra attrito di primo distacco e attrito radente. Più una superficie è liscia e più sei soggetto a "slip-stick". Attento, può essere un problema molto rognoso.

Riguardo alle gabbie, non hanno funzione di guida, ma solo di supporto. Per fare guide è necessario utilizzarle su piani diversi per ridurre i gradi di libertà (ad esempio in una scanalatura a "V").
 

meccanicamg

Utente Senior
Professione: Technical manager - Mechanical engineer 🔩📐
Software: SolidWorks, FreeCAD, Nanocad, Me10, Excel
Regione: Lombardia
#5
Se cerchi sul forum c'è un post con tutte le formule di calcolo di doppio cuneo. La molla esercita una forza e il sistema di soluzione rimane identico.
Puoi usare materiali nitrurati o saponati o con rivestimento PVD o CVD a bassissimo attrito e pensare a dei lubrificanti sintetici. Gli attriti saranno 0,05/0,1 al massimo.
 
Mi Piace: brn

meccanicamg

Utente Senior
Professione: Technical manager - Mechanical engineer 🔩📐
Software: SolidWorks, FreeCAD, Nanocad, Me10, Excel
Regione: Lombardia
#6
Ho impostato i tre scenari con coefficiente d'attrito variabile da 0,3 a 0,1 a 0,05.

Il primo caso 0,3 può essere adatto con acciaio su acciaio rettificato grossolanamente con finitura Ra1,6 circa e un velo leggerissimo di grasso multiuso di pessima qualità.

Il terzo caso 0,04/0,05 lo ottieni con un rivestimento di teflon su uno dei due cunei mentre l'altro d'acciaio.

Se vuoi combinare altri materiali ti allego la tabella con le caratteristiche da asciutto e da bagnato.
Screenshot_20190807_002735.jpg
Inoltre ti posto le tre casistiche con le varie forze in spinta e in recesso.
Tieni presente che varrebbe la pena forse cambiare angolo dei cunei, però dipende dalle corse che ti servono. Inoltre il sistema risulta essere reversibile.
Screenshot_20190807_002049.jpg

Screenshot_20190807_002024.jpg

Screenshot_20190807_001949.jpg
Comunque se vuoi ricavare sperimentalmente il coefficiente d'attrito ti basta prendere in piano inclinato di uno dei materiali e metterci sopra l'altro pezzo e vedere a che angolo inizia a muoversi. Io attualmente al lavoro lo ricavo di volta in volta così per le applicazioni speciali.
 

Andrea O

Utente registrato
Professione: Studente
Software: solidworks
Regione: Piemonte
#7
Vi ringrazio moltissimo per le risposte, più o meno i calcoli che avevo impostato quadrano con le casiste che hai postato.
Ora devo solo capire che tipo di lubrificante sia il caso usare, dato che è un sistema che non deve necessitare di manutenzione, ed eventualmente quali materiali aggiuntivi considerare.
Per impostare i calcoli considero attrito a 0.15 e da li parto a vedere dove posso limare.

La questione della reversibilità non è un problema dato che una volta spinta la molla fino a fine corsa ci sarà un blocco a mantenere il sistema in posizione. Purtroppo la scelta dell'angolo è vincolata, necessito avere ugual spostamento orizzontale e verticale.

Grazie ancora, se avrò altri dubbi vi disturberò nuovamente!
 

meccanicamg

Utente Senior
Professione: Technical manager - Mechanical engineer 🔩📐
Software: SolidWorks, FreeCAD, Nanocad, Me10, Excel
Regione: Lombardia
#8
Sull'acciaio il grasso grafitico nero è praticamente non lavabile e se non lo metti a fortissime temperature non cola. Altra alternativa è il grasso bianco al bisolfuro di molibdeno....un po'meno duraturo ma più scorrevole.
È roba che c'è al Brico a 5€ a tubetto di 250g.
 

exxon

Utente Junior
Professione: engineer
Software: inventor
Regione: veneto
#9
Comunque se vuoi ricavare sperimentalmente il coefficiente d'attrito ti basta prendere in piano inclinato di uno dei materiali e metterci sopra l'altro pezzo e vedere a che angolo inizia a muoversi. Io attualmente al lavoro lo ricavo di volta in volta così per le applicazioni speciali.
E fai male.

In quel modo non misuri l'attrito radente, bensì l'attrito di primo distacco.

Le due grandezze hanno ben poco in comune. L'unica affermazione che si può fare a priori è che il primo è sempre inferiore al secondo.

Utilizzare il valore relativo all'attrito di primo distacco dove invece si dovrebbe utilizzare quello relativo all'attrito radente porta a errori macroscopici nei risultati. E' una cosa che proprio non si deve fare.

Per dare un'idea delle differenze tra i due valori, portiamo alcuni esempi di materiali a contatto e relativi attriti (di primo distacco e radente) che mostrano più delle parole l'assoluta mancanza di correlazione tra i due.

Acciaio - teflon: 0,04 - 0,04
Acciaio - ottone 0,51 - 0,44
Acciaio - acciaio (con lubrificazione): 0,11 - 0,05

E' facile vedere che se ci sono casi dove i due valori praticamente si sovrappongono, in altri i due sono distanti di una piccola percentuale, in altri ancora sono l'uno oltre il doppio dell'altro.

Non è permesso sapere in anticipo quale sia questa differenza (o questo rapporto). Molto dipende dalla finitura superficiale e dai difetti microscopici delle superfici. Esistono metodi per la rilevazione sia dell'attrito radente, sia di quello di primo distacco che garantiscono valori vicini alla realtà. Come già detto, quello proposto è (con i suoi limiti) adatto solo per il rilevamento di uno dei due.
 

+forte

Utente registrato
Professione: astronauta , mi piace "spaziare"
Software: inventor solidworks hypermill camworks solidcam spaceclaim adams kisssoft 3dsmax freecad blender catia creo geomagic rhino zbrush dialux microstation autocad ele mep pid plant3d mech rasterdesign magicad sw gewiss daikin schneider
Regione: asgard
#10
mai sentito il coefficiente di attrito di primo distacco
il primo valore è il coefficiente attrito statico,il secondo dinamico o radente
Acciaio - teflon: 0,04 - 0,04
Acciaio - ottone 0,51 - 0,44
Acciaio - acciaio (con lubrificazione): 0,11 - 0,05
.
 

TECNOMODEL

Utente Senior
Professione: Progettista/Disegnatore
Software: Cimatron E/Inventor/Creo Direct Modeling
Regione: Emilia Romagna
#11
mai sentito il coefficiente di attrito di primo distacco
il primo valore è il coefficiente attrito statico,il secondo dinamico o radente
E' comunemente chiamato anche attrito di primo distacco, mi sembra un post con una vena inutilmente polemica.
 

Stan9411

Utente Junior
Professione: Studente
Software: PTC Creo parametric, Matlab
Regione: Lombardia
#12
Credo che sia meccanicamg che l’OP conoscano la differenza. Quest’ultimo ha anche usato il pedice ”s” nelle formule che comunemente sta per statico. Credo sia di suo interesse considerare quel valore, perché vuole muovere un sistema che parte da una condizione statica. Quindi l’approccio sperimentale di meccanicamg potrebbe essere accettabile.
Se si parla di “spunto” (condizione nella quale si considera l’attrito di primo distacco) però, andrebbero considerate anche le inerzie, cosa che non mi sembra sia stata fatta. Magari le accelerazioni sono trascurabili, peró se quegli affari sono pesanti un certo contributo potrebbe esserci.

Insomma, c’e un piccolo minestrone concettuale, ma niente che non si possa ricalcolare velocemente. La domanda comunque era più pratica e penso che le risposte siano arrivate, la parte concettuale era solo di supporto.
 

meccanicamg

Utente Senior
Professione: Technical manager - Mechanical engineer 🔩📐
Software: SolidWorks, FreeCAD, Nanocad, Me10, Excel
Regione: Lombardia
#13
Credo che sia meccanicamg che l’OP conoscano la differenza. Quest’ultimo ha anche usato il pedice ”s” nelle formule che comunemente sta per statico. Credo sia di suo interesse considerare quel valore, perché vuole muovere un sistema che parte da una condizione statica. Quindi l’approccio sperimentale di meccanicamg potrebbe essere accettabile.
Se si parla di “spunto” (condizione nella quale si considera l’attrito di primo distacco) però, andrebbero considerate anche le inerzie, cosa che non mi sembra sia stata fatta. Magari le accelerazioni sono trascurabili, peró se quegli affari sono pesanti un certo contributo potrebbe esserci.

Insomma, c’e un piccolo minestrone concettuale, ma niente che non si possa ricalcolare velocemente. La domanda comunque era più pratica e penso che le risposte siano arrivate, la parte concettuale era solo di supporto.
Infatti se si vuole muovere il meccanismo da fermo occorre vincere l'attrito statico di primo distacco che è quello che sperimentalmente si determina con piano inclinato.
Chiaramente una volta messo in moto si avrà un attrito radente che sarà inferiore dalle due alle tre volte circa rispetto a quello di primo distacco.
 

Stan9411

Utente Junior
Professione: Studente
Software: PTC Creo parametric, Matlab
Regione: Lombardia
#14
In tal caso però l’OP non ha considerato le inerzie ... non so se il tuo foglio di calcolo lo faccia .. non so se entrambi assumiate questo aspetto come trascurabile.

L’OP ha pubblicato i calcoli, quindi suppongo sia aperto alla discussione anche da quel punto di vista. Anche se poi la sua domanda è tutt’altra e credo abbia ricevuto sufficienti suggerimenti.
 

exxon

Utente Junior
Professione: engineer
Software: inventor
Regione: veneto
#15
Se l'unico attrito considerato è quello di primo distacco, allora lo stesso viene utilizzato anche per determinare le forze scambiate durante il moto e all'inversione.

Così facendo, i risultati ottenuti sono senza senso.

Per calcolare correttamente le forze di meccanismi soggetti ad attrito è necessario separare le forze di spunto da quelle in condizione di moto (per ogni particolare in movimento relativo). Qualsiasi scorciatoia porta a risultati che ben che vada sono imprecisi, ma che nella maggior parte dei casi sono poco più che casuali.
 

meccanicamg

Utente Senior
Professione: Technical manager - Mechanical engineer 🔩📐
Software: SolidWorks, FreeCAD, Nanocad, Me10, Excel
Regione: Lombardia
#16
Calcolando di dover vincere, in ogni modo e in ogni punto l'attrito di primo distacco perché il meccanismo potrebbe partire da fermo in ogni posizione per svariate ragioni, si avrà sicuramente da vincere le forze di attrito e le forze di inerzia se non trascurabili. Quindi un sistema calcolato di primo dimensionamento potrebbe comunque essere sufficiente sovradimensionato e funzionare. Poi non è il rigore scientifico....ma alle volte è meglio così che sbagliare ed essere troppo precisi (almeno lo si crede).
 

meccanicamg

Utente Senior
Professione: Technical manager - Mechanical engineer 🔩📐
Software: SolidWorks, FreeCAD, Nanocad, Me10, Excel
Regione: Lombardia
#17
Sicuramente se il sistema funzionasse in regime di moto accelerato con forte dinamica si avrebbero dei comportamenti strani perché all'inversione di moto si dovrebbe passare da un tratto fermo e quindi ripartite con l'attrito di primo distacco ma se l'inversione è istantanea abbiamo comunque attrito radente (inferiore al primo distacco). Addirittura i due cunei potrebbero anche staccarsi se la forza della molla non equilibra le varie forze d'attrito e le inerzie.
Comunque non sembra il caso spiegato dal nostro Andrea, quindi è tutto in regime quasi statico, con accelerazioni trascurabili e con la semplificazione del sovradimensionamento con coefficiente di primo distacco.
 

exxon

Utente Junior
Professione: engineer
Software: inventor
Regione: veneto
#18
ma se l'inversione è istantanea abbiamo comunque attrito radente (inferiore al primo distacco).
E' un'idea tua ho hai dei riferimenti?
Per quanto ne so io, nel contatto tra metalli, all'inversione, l'attrito di primo distacco si ripristina in tempi inferiori al millisecondo. In meccanismi come questi, a causa degli inevitabili giochi ed elasticità dei materiali, il tempo di immobilità è ampiamente superiore.

con la semplificazione del sovradimensionamento con coefficiente di primo distacco.
Può essere anche una scelta di nomenclatura, ma io gli errori di calcolo non li definisco né semplificazioni, né sovradimensionamenti.
 

meccanicamg

Utente Senior
Professione: Technical manager - Mechanical engineer 🔩📐
Software: SolidWorks, FreeCAD, Nanocad, Me10, Excel
Regione: Lombardia
#19
E' un'idea tua ho hai dei riferimenti?
Per quanto ne so io, nel contatto tra metalli, all'inversione, l'attrito di primo distacco si ripristina in tempi inferiori al millisecondo. In meccanismi come questi, a causa degli inevitabili giochi ed elasticità dei materiali, il tempo di immobilità è ampiamente superiore.
se il tempo di inversione è istantaneo e le rigidezze del sistema lo permettono, non si ha realmente un intervallo nel quale il sistema è fermo.

È il problema inverso che c'è su alcune frizioni a lamelle multi pacco che una volta scattate anche se inverti il moto istantaneamente non si riarmano perché non passa abbastanza tempo "fermo" per riprendere l'attrito di primo dustacco e sei obbligato a fermare la macchina.
 

exxon

Utente Junior
Professione: engineer
Software: inventor
Regione: veneto
#20
se il tempo di inversione è istantaneo e le rigidezze del sistema lo permettono, non si ha realmente un intervallo nel quale il sistema è fermo.
Quindi è un'idea tua.

Lo sai che "inversione istantanea" significa accelerazione infinita, vero?
Forza infinita...
Potenza infinita...

Ok, basta capirsi.