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Autore Topic: Le viti nella bicicletta  (Letto 4549 volte)

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Offline gip

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Le viti nella bicicletta
« il: Aprile 26, 2017, 11:20:58 am »
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Poiché si tratta un argomento che periodicamente, per un motivo o l’altro, torna a galla, provo a parlare dei sistemi di collegamento meccanici che interessano le nostre bici. La bici è un meccanismo costituito da tanti pezzi che devono stare insieme tra loro. Normalmente per questi legami si utilizzano saldature e viti. La vite è un organo molto più complesso di quanto ci si possa immaginare e mi guardo bene dal descrivere la sua meccanica e la difficile fisica che ne governa il funzionamento. Mi limiterò quindi a vedere l’argomento solo sotto l’aspetto pratico.
La prima considerazione che voglio fare è chiarire la differenza che c’è tra vite, dado e bullone. Mi sono accorto, leggendo tanti post, che alcuni non lo sanno. In queste immagini credo si capisca bene la differenza:



A sinistra una vite, al centro un dado e a destra un bullone che è semplicemente il complesso vite + dado. Una vera banalità!
Di viti ce ne sono in un’infinità di tipi: da legno, autofilettanti, metriche, a filetto whitworth, in ottone, in acciaio legato e inossidabile e chi più ne ha più ne metta.
Per fortuna nelle nostre bici se ne usano pochi tipi, quasi tutte metriche di acciaio e appartenenti a standard molto comuni. Solo alcuni filetti particolari come quelli del tubo della forcella, del movimento centrale e dei pedali sfuggono a questa regola. Mi è capitato di vedere anche qualche vite di tipo autofilettante ma questo è un indice di scarsa qualità generale della bici. Le viti autofilettanti si prestano bene all’uso con sistemi automatici di avvitatura e sono molto economiche. Esse però teoricamente possono essere avvitate una sola volta e, se devono essere cambiate, vanno sostituite con qualcosa di diametro leggermente maggiore. Inoltre non sono adatte ad applicazioni strutturali ma solo al fissaggio di accessori sottili e leggeri.
Le viti hanno poi moltissime forme e standard. Qui sotto ne riporto alcune tra le più comuni usate nelle nostre bici.



Da sinistra: la classica vite a testa esagonale (TE), a testa cilindrica con inserto a esagonale (TCEI), a testa cilindrica con inserto Torx (TCTI), svasata con inserto esagonale (TSEI), svasata con inserto a croce (philips) e svasata con inserto a cacciavite.
Le Torx per la verità le ho viste solo su bici destinate al mercato americano.
Per serrare correttamente le viti bisogna sempre usare gli attrezzi giusti. Nelle foto qui sotto i più comuni:



Non vanno usati per avvitare: pinze (di tutti i tipi) e tenaglie o affini a meno di non essere in mezzo al deserto con solo una di queste in tasca. Anche per gli attrezzi le varietà sono infinite. Ad esempio chiavi a rullino o multiple possono sostituire un intero set di chiavi inglesi.



Sono utili quando si avvitano i bulloni che richiedono il blocco del dado mentre si gira la testa della vite. Eviterei però di usarle con viti di grosse dimensioni perché con questi tipi di chiave non si riesce a dare una gran coppia. Sono utili anche da portare nel borsello degli attrezzi per interventi di emergenza assieme a un buon multitool.
Come funziona un giunto avvitato? Anche in questo caso mi sono accorto che spesso le convinzioni che molti hanno non sono corrette.
La funzione della vite è di tener allineati e fermi i due fori (e naturalmente tutto ciò che sta attorno ad essi) attraverso i quali passa. È errato però pensare che sia semplicemente il fatto di essere in mezzo ai fori per impedire che questi se ne scappino via. Il vero motivo che tiene fermi i pezzi è dato dal fatto che la vite serrata crea un attrito tra le parti ed è questo che tiene fermi tra loro i pezzi. In queste due immagini cercherò di spiegare meglio.



Supponiamo di avere una massa metallica di 10 kgm posata su una base dello stesso materiale. Se vogliamo spostare la nostra massa facendola strisciare che forza dobbiamo applicare? Il coefficiente di attrito statico k tra metalli è circa 0.15 che moltiplicato per il peso P da 1,5 kgf, e questa è la forza F necessaria per spostare la nostra massa (F = k x P). Proviamo ora ad avvitarla alla base attraverso un’asola in modo che mantenga un grado di libertà per scorrere. Applichiamo un bullone M6 e tiriamo la vite alla sua massima coppia di serraggio. Se usiamo una vite di classe 6 potremo tirare sino a che la sua tensione interna  arriva a 40 kgf/mm2. L’area del gambo di una vite M6 è di circa 28 mm2 per cui la nuova forza P che si genera è di circa 1130 kgf che moltiplicati per il coefficiente di attrito di 0,15 porta la forza necessaria a spostare la massa a 169 kgf. Se sostituiamo la nostra vite M6 con una M8 di pari qualità, arriviamo a una forza di spostamento F di oltre 300 kgf. Usare viti di classe 8.8 moltiplica ulteriormente per 1.5 le forze di spostamento.
Bene! Ciò che accade quando si usa una vite è esattamente creare attrito tra le parti. Nella successiva figura sono mostrati tre casi:



Nella prima immagine si vede l’avvitatura corretta. Nella seconda mostra il caso in cui la coppia di serraggio è insufficiente e le parti cominciano a scorrere tra loro annullando il gioco tra gambo e fori, e iniziando a sollecitare a taglio la vite e questo non deve MAI accadere. Nell’ultima una vite allentata dove subentrano deformazioni.
Tornando alla prima immagine, la linea rossa indica la superficie di attrito (in meccanica si chiama ‘flangia’) che è la vera responsabile del bloccaggio dei due pezzi. Qui, infatti, si scarica la forza di serraggio che provoca l’attrito che lega gli elementi.
Capito (spero) questo meccanismo si comprende quanto sia importante avere le viti della bici serrate bene. Gli allentamenti possono provocare deformazioni, spesso invisibili, capaci di generare sforzi interni non previsti dal progetto e che, alla lunga, possono anche causare danni come deformazioni dei fori e delle parti attigue a esse o rovinare le filettature.

   

Inutile dire che se l’allentamento arriva al punto di causare la perdita della vite o del dado i pezzi divorziano e se ne vanno per gli affari loro. Questi fenomeni non sono provocati solo da stress e vibrazioni. Può sembrare una sciocchezza ma anche le vernici possono dare allentamenti. Le vernici tendono sempre a contrarsi nel tempo a causa della perdita di solvente (l’essicazione completa può durare molti giorni). Se si avvitano tra loro parti appena verniciate bisogna poi procedere a un controllo dei serraggi dopo un certo tempo. È una cautela presa molto sul serio nelle costruzioni automobilistiche e ferroviarie dove non sono ammessi allentamenti che possono provocare conseguenze gravi. Altra cosa da non fare è interporre materiali come gomma o plastiche cedevoli tra gli organi da avvitare. All’inizio creano bloccaggi molto buoni aumentando il coefficiente di attrito ma nel tempo questi materiali invecchiano, riducendo le loro elasticità e dimensioni, provocando allentamenti nei giunti avvitati. Le case produttrici più serie propongono sempre un tagliando dopo qualche mese per il controllo dei serraggi. A me poi non piace l’acquisto di bici on-line, che solitamente arrivano parzialmente smontate. Se finiscono nelle mani di gente poco abile o senza attrezzi adeguati, possono poi avere problemi. E’ meglio sempre farla vedere alla fine del montaggio da un meccanico professionista.
Le viti più critiche in assoluto sono quelle che fissano gli organi rotanti che devono mantenere la possibilità di muoversi. In particolare i pedali, i rotismi del cambio, delle leve freno, ma anche le viti che fissano i freni V.brake alla forcella. In questi casi se ila bici è ben progettata, non ci sono problemi. Ma se la parte rotante interferisce con la testa o il gambo della vite e il senso di rotazione e contrario al senso di avvitatura si possono creare allentamenti. Altro motivo per cui la vite non deve mai toccare i fori di passaggio, Nei pedali, dove è inevitabile qualche attrito, il senso di avvitatura è diverso tra destra (orario) e sinistra (antiorario).
E ora alcune riflessioni sull’alluminio. Se i fissaggi avvengono tramite bulloni, i metodi e le forze da applicare sono le medesime di quelle per l’acciaio. Diverso è invece il caso di viti che vanno avvitate su filettature ricavate nell’alluminio. L’acciaio e l’alluminio hanno caratteristiche meccaniche diverse e, tra i due, chi ha la peggio è l’alluminio. Serrare troppo una vite di acciaio su un filetto in alluminio significa correre il rischio di spanare il filetto e quindi non si possono usare coppie di serraggio elevate. Questo riduce la resistenza del giunto avvitato che, in questi casi, deve essere calcolato con cura. Sui telai di alluminio è bene che le filettature siano il minor numero possibile e limitate al fissaggio di organi secondari non soggetti a forti stress come portapacchi, parafanghi, fanali, etc.
Per terminare due parole sulle rondelle. Questi elementi sono più importanti di quello che si possa pensare e, dove previste, devono sempre esserci. Il loro scopo principale è distribuire lo sforzo di serraggio su un’area più grande possibile riducendo il carico specifico nei materiali interessati. Un altro compito è far si che viti o dadi, durante i serraggi, non striscino sulle superfici rovinando le verniciature o i trattamenti superficiali, scoprendo il metallo che col tempo potrebbe ossidarsi. Anche le rondelle hanno un’infinità di standard con forme e dimensioni differenti e alcune di esse son fatte per evitare allentamenti dei giunti avvitati.
Questo però lo vedremo in un successivo post in cui parlerò dei sistemi anti svitamento.
Ciao a tutti.


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« Ultima modifica: Maggio 03, 2017, 06:51:21 pm by occhio.nero »


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Offline djslump

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Le viti nella bicicletta
« Risposta #1 il: Aprile 27, 2017, 12:03:22 am »
Grande gip! Aspetto con ansia la seconda puntata!


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Alessandro
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Le viti nella bicicletta
« Risposta #2 il: Aprile 27, 2017, 06:37:46 am »
Complimenti e grazie Gip, un altro interessante contributo di ispirazione "tecnico-divulgativa" come solo tu sai scriverne!  :)
Ho apprezzato particolarmente l'argomento "viti", visto che pochi giorni fa mi si è staccata la vite che blocca un'astina del parafango anteriore. Evidentemente si era allentata già da un po' ma non me ne ero accorto... Si tratta di vite in acciaio inox direttamente impanata nell'acciaio hi-ten verniciato della forcella. Ora capisco...  :-[
Direi che un giro di controllo del serraggio delle viti a fine manutenzione di solito lo faccio, evidentemente quella mi era sfuggita...  :(

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Offline Matt-o

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Le viti nella bicicletta
« Risposta #3 il: Aprile 27, 2017, 12:54:42 pm »
Grazie Gip, sempre un piacer leggere questi tuoi contributi.

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Offline gip

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Le viti nella bicicletta
« Risposta #4 il: Aprile 28, 2017, 04:02:50 pm »
Nel precedente post abbiamo visto per grandi linee come funzionano una vite e un giunto avvitato. Abbiamo anche visto che le viti non devono allentarsi per evitare di avere danni sulla bici. In realtà l’allentamento di tante viti non provoca veri e propri disastri, ma la perdita di qualche pezzo e svariate parolacce sì >:(! Ve ne sono alcune però che, in caso di rilascio o perdita, portano a danni più importanti sino a mettere fuori combattimento ila bici. Serie sterzo, movimento centrale, pedali, guarnitura, pastiglie dei freni, snodi, rotelle del cambio è proprio meglio che se ne stiano al loro posto e che funzionino sempre come si deve, pena farsi qualche chilometro a piedi :-[. Come fare perché le viti siano sempre al loro posto ben serrate?
Prima di parlare di sistemi anti svitamento è opportuno fare qualche considerazione.
La prima è capire perché le viti si possono allentare. La vite resta al suo posto se l’attrito che si crea tra testa della vite e pezzo e tra i filetti di vite e madrevite non scende sotto una certa soglia. Sotto questa soglia le vibrazioni possono pian piano muovere e far girare la vite.



Nella figura sono riportate in rosso le zone di attrito rispettivamente in un bullone e in una vite. Quest’attrito è garantito dalla coppia di serraggio corretta ma nel tempo le cose possono cambiare. Il caldo e il freddo, le sollecitazioni e lo stesso carico interno alle viti generato dal serraggio modificano la lunghezza dei gambi e col tempo il materiale può rilassarsi allungandosi pian piano. Parliamo di microns ma sono sufficienti. Per meglio capire il fenomeno del rilassamento solitamente faccio questo esempio. Se si prende un normale elastico e si allunga fissandolo a un piano con due puntine e dopo due ore si libera, lui se ne tornerà alla lunghezza originale. Se però lo lasciamo allungato un anno quando lo libereremo, lo troveremo allungato in modo permanente e privo di elasticità. E questo avviene, con le debite proporzioni, anche nei metalli (nello specifico nel gambo delle viti).
La seconda riguarda i tipi di sollecitazione che interessano i giunti avvitati. Non tutti gli accoppiamenti sono soggetti a sforzi di taglio, che richiedono attrito sulle flange, ma possono essere interessati a semplice trazione.



E’ bene chiarire che un conto è la sollecitazione sul giunto (il complesso dei pezzi uniti tra loro) e un conto è la sollecitazione nella vite che deve sempre essere di sola trazione. Perché dico questo? Perché lo sforzo di trazione esercitato sul giunto si aggiunge a quello intrinseco del serraggio e favorisce l’allungamento nel tempo del gambo e di conseguenza la riduzione degli attriti che bloccano la vite.
In sostanza i giunti a taglio tendono ad allentarsi meno di quelli a trazione anche se sono meccanicamente più critici.
La guarnitura della bici è un esempio dove troviamo entrambe le situazioni. Nella foto ho provato a evidenziarle:



Come si può vedere la vite che fissa la guarnitura al movimento centrale è soggetta a sola trazione mentre i boccioli che fissano la corona al ragno creano giunti sollecitati a taglio. Altro caso tipico di giunto a taglio è quello blocca le ruote alle forcelle mentre esempi di avvitatura soggetta a trazione o compressione sono: morsetti, snodi, freni, etc. In questi ultimi casi non serve un attrito tra le parti ma il serraggio garantisce che la vite resti al suo posto.

E veniamo ai sistemi anti svitamento. Vi è più di un sistema che la meccanica mette a disposizione per questo scopo.
Il primo, e più banale, è quello di serrare correttamente le viti. Come detto le viti e gli organi che esse vanno a fissare presentano sempre un piccolo grado di elasticità. Parliamo di micron di deformazione. Essi bastano però per dare un effetto molla che consente alle teste delle viti e ai dadi di restare aderenti ai pezzi che legano durante le sollecitazioni e le vibrazioni. Per avere un corretto serraggio è necessario dare la giusta coppia quando avvitiamo. Qui sotto una tabella che mi porto dietro da una vita e che ho sempre usato anche in ambito professionale. 



La tabella (valida per bulloni a filetto MA che sono quelli che si comprano in ferramenta) si ferma alle viti da 12 mm di diametro perché sulle bici normalmente non vi sono filetti oltre i 10 mm salvo serie sterzo, movimento centrale e pedali che però hanno filetti di standard anglosassone. La lettura, nonostante la complicazione della tabella, è in realtà semplice. S’incrociano le righe individuate con “secco” della fascia di ciascuna qualità con la colonna che si riferisce alla dimensione del bullone. Ad esempio per viti M6 di qualità 6.9 andranno serrate a 10,02 Nm, per la classe 8.8 a 11,82 Nm e per la classe 10.9 a 16.48 Nm e cosi via. Attenzione però! Questa tabella è valida per i bulloni! Per viti avvitate in filetti ricavati direttamente sul pezzo, non conoscendo spesso la qualità dei materiali, è meglio restare nell’ambito della qualità 6.9 per gli acciai e non superare i valori previsti per la qualità 4.6 per l’alluminio. Questo per non creare danni ai filetti. E come si può essere sicuri di dare la coppia precisa? La risposta è semplice. Se non si ha una chiave dinamometrica non si può! Le chiavi dinamometriche sono attrezzi costosi e pochi ne dispongono. Non vale la pena spendere 30/50 € per procurarsene una e usarla una volta l’anno.  Questa nella foto è della Mighty e può serrare da 2 a 24 Nm (da viti M4 fino a viti M8).



Per coloro cui interessasse la cosa, questi strumenti sono in vendita anche su eBay, Amazon, AliExpress, etc.
Se non si ha una chiave dinamometrica comunque ci si può arrangiare. Basta un piccolo calcolino. Poiché la coppia è data dalla forza applicata per il braccio di leva sapendo le dimensioni della chiave si cerca di applicare la forza giusta. Ad esempio se vogliamo fare un serraggio a 10 Nm di un bullone a brugola M6 sapendo che la chiave è lunga 11,5 cm e il punto di applicazione della forza è a circa 9 cm dal fulcro abbiamo:
10 Nm = 1 kgm, rapporto dei bracci 100 cm/9 cm = 11,11, che significa applicare una forza di circa 11 kgf alla nostra chiave. Se dobbiamo tirare i dadi delle ruote che normalmente sono M10 con una chiave da 15 mm, dalla tabella ricaviamo la coppia di serraggio che è circa 24 Nm (2,4 kgm). Se il punto di applicazione della nostra forza sulla chiave si trova a 15 cm dal fulcro, abbiamo un rapporto tra bracci di 100/15 = 6,66 che moltiplicati per 2,4 da una forza di circa 16 kgf. Non avremo una coppia di serraggio certa ma almeno si va vicini. Più difficile è tirare le viti con testa a cacciavite. Ma questo tipo di vite va usata solo per fissaggi leggeri come parafanghi e portapacchi. Personalmente cerco di evitarle se possibile. In questo caso si tira in modo ‘ragionevole’. Più di cosi non si può fare ma esistono sistemi che ci possono aiutare che vedremo poi.

Il secondo sistema anti svitamento è l’uso di dadi autobloccanti. E’ applicabile solo ai bulloni. Questo tipo di dadi, di cui si è già parlato in altri topic, funziona sul principio di inserire attrito artificiale tra vite e madrevite. In genere è ottenuto inserendo nella madrevite (dado) un inserto in nylon più piccolo del diametro della vite la quale, mentre si fa strada nel dado, lo deforma e se lo appiccica addosso. Altri tipi di dado hanno delle molle che fanno la stessa funzione stringendo con forza il dado contro la vite. I dadi autobloccanti a molla richiedono coppie di serraggio inferiori ai dadi normali. Poiché però l’attrito dei pezzi da fissare deve essere quello di calcolo, con questi tipi di dado serve usare viti leggermente più grosse per garantire le pressioni previste nelle flange.



Altro sistema anti svitamento è l’uso di rondelle ad-hoc. Ve ne sono di vari tipi.



Nella foto si possono vedere: la rondella a tazza, la rondella grover, la rondella schnorr e una rondella dentata. Le prime due fungono da molla per garantire sempre il contatto tra testa della vite e pezzo mentre le altre utilizzano piccoli denti che penetrano leggermente tra le parti a contatto aumentando gli attriti (la schnorr lavora anche da molla). Le rondelle dentate si usano per piccoli diametri (fino a 8 mm). La rondella grover ha un inconveniente. Una volta allentata, va sostituita perché si deforma permanentemente e perde efficacia per cui è usata solo in sistemi stabili dove non vi è necessità di rimuovere le viti.

Infine il sistema più in voga oggi è l’uso di frena filetti. Si tratta di veri e propri adesivi che vanno messi sul gambo delle viti.



La loro funzione è aumentare l’attrito tra i filetti tra vite e madre vite impedendo loro di muoversi. Di questi prodotti ne esistono di molte marche ma, soprattutto di tre tipi: debole, medio e forte. Solitamente hanno colori normalizzati: verde per il debole, blu per il medio e rosso per quello forte. Nelle bici normalmente si usa quello medio (blu) per svitare senza problemi. Quelli forti si usano per applicazioni industriali. Sono in vendita presso qualsiasi buona ferramenta ma anche on-line. I frena filetti possono essere usati con qualsiasi tipo di vite o bullone. Sconsiglio però di adoperarlo la dove si sia necessario rimuovere le viti periodicamente come i dadi che fermano le ruote. Sono invece utilissimi sulle viti di piccole dimensioni che avvitano in filetti in alluminio o che trattengono organi rotanti come le leve dei freni V-brake. Per chi volesse saperne di più, qui un ottimo articolo: https://www.mtb-mag.com/frenafiletti-un-utile-alleato/

Conclusioni. Come si può vedere l’argomento non è semplicissimo e spero di non aver generato confusione. Come scegliere il sistema anti svitamento? Non c’è una regola assoluta e bisogna vedere di volta in volta. Personalmente con i bulloni mi fido del solo serraggio o uso i dadi autobloccanti per i piccoli diametri. Con le viti preferisco usare il frena filetti. E’ un sistema pratico e veloce e un boccettino dura moltissimo tempo.  Ciò non toglie che, sulle mie bici, abbia anche preso altri provvedimenti. Per esempio ho sostituito tutte le viti a cacciavite con quelle a brugola. Questo per due motivi. Il primo è che riesco ad avvitarle con un semplice multitool, il secondo è che posso serrarle con più facilità. Inoltre è inutile dire che le viti vanno periodicamente controllate. specialmente su bici anzianotte.
Bene mi fermo qui. Vi sono molti altri sistemi per non far allentare le viti. Su quest’argomento sono stati scritti libri. Ma per le nostre bici credo basti.
Ciao a tutti.


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