La meccanica del cambio ruote: quello che c’è da sapere su coppia di serraggio e precarico della vite

L’importanza della coppia di serraggio

Anche a voi sarà capitato prima o poi di cambiare le ruote della vostra auto, vuoi per il cambio stagionale o vuoi per uno pneumatico forato. Durante la procedura del cambio ruote la fase più importante è sicuramente il serraggio dei bulloni, dato che da questo dipende in modo diretto il corretto funzionamento del sistema frenante e, aspetto ancora più importante, la sicurezza dei passeggeri. I bulloni, infatti, rappresentano un componente critico nella trasmissione di potenza dal motore alla ruota e come tali vanno considerati.

Contrariamente a quanto si possa pensare “più stretto” non coincide con “più sicuro”, anzi. Stringere eccessivamente i bulloni della ruota comporta una maggiore sollecitazione di questi ultimi come vedremo in seguito. Per questo motivo, limitare la massima coppia di serraggio risulta tanto importante quanto garantire la tenuta dell’accoppiamento ruota-mozzo. Per nostra fortuna il costruttore fornisce il valore di coppia che garantisce il corretto serraggio dei bulloni (qui una lista fornita da brembo), di solito intorno agli 80-150 Nm. Per rispettare le direttive del costruttore è però necessario affidarsi ad uno strumento in grado di misurare la coppia di serraggio: la chiave dinamometrica.

Il momento meccanico

Per capire perché è importante stringere i bulloni della ruota rispettando i valori di coppia forniti dal costruttore, bisogna prima comprendere il concetto di coppia, o meglio, di momento meccanico. Questa quantità si misura in Nm (newton per metro) ed esprime la tendenza di una forza a ruotare un corpo attorno ad un asse di rotazione, può anche essere vista come l’equivalente di una forza in termini di moto rotatorio. Formalmente il momento meccanico M di una forza F rispetto ad un asse di rotazione è definito in termini matematici come l’intensità della forza moltiplicata per il braccio b, ovvero la distanza che separa il punto di applicazione della forza dall’asse di rotazione.

M = Fb

Il momento meccanico è alla base della più familiare nozione di leva, infatti, si può comprendere il concetto in modo più intuitivo pensando ad un gesto tanto semplice come quello di aprire una porta. In una porta, la maniglia è posizionata all’estremità opposta rispetto alle cerniere, questo perché essendo la forza applicata sulla maniglia, il braccio risulta più lungo e di conseguenza sarà necessaria una forza minore per aprire la porta. Viceversa, se la maniglia fosse posta al centro della porta, servirebbe applicare il doppio della forza per aprirla.

Relazione fra precarico e coppia di serraggio

Quando stringete i bulloni della ruota ad un certo valore di coppia, implicitamente state generando un precarico (o pretensionamento) che agisce sui componenti da giuntare. Il precarico è quella forza dovuta alla deformazione elastica della vite che porta alla compressione dei componenti, permettendo così alle parti di non muoversi durante la guida per mezzo dell’attrito. Il precarico deve quindi essere sufficiente ad impedire lo slittamento delle parti, ma neanche eccessivamente alto per evitare la rottura della vite, peggio ancora se durante la guida del veicolo.

Per avere un’idea della correlazione fra coppia di serraggio T e precarico P si può utilizzare la seguente formula:

T = KPd

dove d indica il diametro nominale della vite e K è il coefficiente di coppia, ovvero un fattore che dipende dalla geometria del filetto e dal coefficiente di attrito. In prima approssimazione si può assumere K=0.2 per un bullone in acciaio zincato non lubrificato. Questo significa che solo il 20% della coppia viene effettivamente utilizzato per il pretensionamento della vite, mentre il restante viene perso per vincere gli attriti.

Siccome il precarico generato è alto, nell’ordine delle decine di kN (1 kN equivale a circa 100 kg_f), è necessario utilizzare la vite adatta per evitare che questa si deformi, o peggio si spezzi. Per scegliere la vite più consona si devono considerare gli sforzi di trazione generati nella vite a causa del suo pretensionamento. Se non siete pratici del concetto di sforzo, potete pensare a quest’ultimo come alla sollecitazione che il materiale deve effettivamente sostenere.

Per scegliere una vite che abbia una resistenza meccanica adeguata a sostenere il pretensionamento è sufficiente scegliere la giusta classe di resistenza, la quale è indicata sulla testa della vite mediante una o due cifre. Per esempio, se sulla testa della vite è indicato 8.8, significa che il materiale che compone il bullone ha carico di snervamento pari alla prima cifra moltiplicata per la seconda e moltiplicata per 10 (8 x 8 x 10 = 640 MPa). Mentre il carico di rottura è dato dalla prima cifra moltiplicata per 100 (8 x 100 = 800 MPa).

Articolo a cura di Axel Baruscotti