Guida alla scelta dei cardini a coppia: Calcolo della coppia giusta

Le cerniere a coppia (dette anche cerniere a frizione) introducono uno smorzamento controllabile e una coppia di tenuta all'interno di un giunto rotante. Consentono a un coperchio, a un display o a una porta di mantenere la posizione a qualsiasi angolo senza ritorno elastico e assicurano una sensazione costante durante l'apertura e la chiusura.
Nei computer portatili, nelle porte di servizio delle apparecchiature industriali, nei bracci di visualizzazione medica e negli strumenti di precisione, queste cerniere influiscono direttamente sulla qualità, sulla durata e sulla sicurezza dell'HMI.
Questo articolo fornisce metodi pratici di calcolo della coppia, un flusso di lavoro per la selezione e gli elementi essenziali di materiale/processo, e include i numeri delle norme tecniche correlate per accelerare l'allineamento durante le revisioni dei disegni e la comunicazione con i fornitori.

Principi di base delle cerniere a coppia

Definizione e significato fisico della coppia

Coppia T: il prodotto della forza e del momento del braccio. Unità: N-m (vedere ISO 80000-4:2019, grandezze e unità di misura in meccanica).

In una struttura a cerniera, la gravità genera un momento gravitazionale attraverso la distanza perpendicolare all'asse di rotazione; la coppia di attrito interno della cerniera produce una coppia di attrito. L'equilibrio tra i due determina il mantenimento della posizione del pezzo.

Meccanismo di funzionamento delle cerniere a frizione

All'interno, sono comuni le piastre di attrito impilate o gli elementi elastici precaricati, che formano uno smorzamento costante o quasi costante.

Angolo di tenuta: quando la coppia di attrito ≥ la coppia di disturbo esterna (gravità, vibrazioni, forza operativa), l'angolo è stabilmente "bloccato".

Fattori d'influenza: accoppiamento del materiale d'attrito (acciaio inossidabile/bronzo fosforoso/plastiche ingegneristiche), rugosità superficiale (Ra), precarico e resistenza all'usura.

Test rilevanti:

• ISO 4287/4288 (parametri di rugosità superficiale e valutazione)
• ASTM G99 (test di usura pin-on-disk, valutazione delle tendenze di usura delle coppie di attrito)

Classificazione e caratteristiche delle cerniere dinamometriche

Per forma strutturale

• Cerniera di coppia unidirezionale: fornisce lo smorzamento principale in una direzione di rotazione; è adatto per coperture a ribalta e porte di accesso.
• Cerniera di coppia bidirezionale: smorzamento simile in entrambe le direzioni; adatto per display e tenuta multiangolo.
• Indicizzato/posizionato a gradini: "scatti" ad angoli prestabiliti; utilizzati per il posizionamento ripetibile o l'allineamento dei dati di assemblaggio.
• Non indicizzato: smorzamento continuo su tutta la corsa con una sensazione di morbidezza.

Per campo di applicazione

• Elettronica: laptop/tablet/console centrali automobilistiche; enfatizza la leggerezza, la sensazione e la durata.
• Medico/industriale: bracci di visualizzazione, porte di servizio, coperture di schermatura; enfatizza la stabilità e la robustezza ambientale.
• Mobili/porte: porte degli armadietti, coperchi a caduta morbida; enfatizza la sicurezza e la bassa rumorosità.

Tipo Confronto delle prestazioni

Tipo	Gamma di coppia tipica*	Regolazione dell'angolo	Vita (cicli)	Ambienti adatti
Unidirezionale	0,2-8 N-m	Medio	10k-50k	Generale, coperture
Bidirezionale	0,1-6 N-m	Alto	20k-100k	Display/HMI
Indicizzato	0,5-10 N-m	A gradini	20k-50k	Posizionamento industriale
Non indicizzato	0,1-5 N-m	Alto	20k-100k	Elettronica di consumo

* I valori riflettono gli intervalli comuni del settore. Per i valori esatti, utilizzare i cataloghi dei fornitori e i test sui prototipi (la vita e le distribuzioni fanno riferimento all'approccio di classificazione in ANSI/BHMA A156.1 per le cerniere delle porte; i fornitori di elettronica di consumo spesso forniscono le proprie specifiche di durata).

Parametri chiave per la selezione dei cardini di coppia

Quantità di base necessarie per la progettazione

• Peso W: in newton (N). Se la massa m è dato, convertire usando W = m×g, con g ≈ 9,81 m/s².
• Braccio di momento L: distanza perpendicolare dal baricentro all'asse di rotazione (metri).
• Angolo θ: angolo rispetto alla direzione della gravità; determina la componente del momento gravitazionale.
• Numero di cerniere n e loro distribuzione: determina la quota di coppia per cerniera e la stabilità del supporto.
• Ambiente di utilizzo: vibrazioni, temperatura/umidità, polvere, esposizione a sostanze chimiche.

Formula di calcolo della coppia

Di base:
T_req = W × L × sin θ

Cerniere multiple che condividono il carico (ipotesi di ripartizione uguale, installazione simmetrica):
T_per = T_req / n

Insidie comuni

• Utilizzando la massa direttamente come peso, si ottiene una coppia sottostimata.
• Prendendo L come centro geometrico anziché come distanza perpendicolare dal baricentro all'asse.
• Ignorando la variazione dell'angolo: θ cambia nel corso della corsa; il picco si verifica spesso in prossimità dell'orizzontale.
• Assumendo una perfetta ripartizione dei carichi e ignorando le differenze di attrito e di polarizzazione dell'assemblaggio.

Fattore di sicurezza

Fattore di sicurezza consigliato SF = 1,2-1,5.
T_design = SF × T_req

La coppia di progetto definisce l'intervallo di selezione; la sensazione e la tenuta devono essere verificate mediante test sui prototipi.

La misurazione e la calibrazione della coppia possono fare riferimento ISO 6789 (taratura degli strumenti di serraggio manuali) e ISO/IEC 17025 (competenza di calibrazione del laboratorio).

Esempi di calcolo per diverse applicazioni

Tutti gli scenari utilizzano il peso W (N), braccio di momento L (m)e l'angolo θ (°). Le condizioni di picco sono date e SF = 1,3 per ottenere la coppia di progetto.

Display del computer portatile

Condizioni: massa del modulo di visualizzazione 0,45 kg → W = 0,45 × 9,81 = 4,415 N; L = 0,10 m dal centro di gravità all'asse.

Angolo chiave: intorno all'orizzontale, sin θ ≈ 1.

Coppia richiesta: T_req = 4,415 × 0,10 = 0,4415 N-m.
Coppia di progettazione: T_design = 0,4415 × 1,3 = 0,574 N-m.
Due cerniere, quota uguale: per obiettivo di cerniera T_per ≈ 0,29 N-m.

Ottimizzazione: modellare la curva dell'angolo di attrito (più bassa all'inizio, più alta in prossimità dell'orizzontale, che poi si assottiglia) per migliorare la sensibilità.

Copertura del servizio di assistenza per le apparecchiature industriali

Condizioni: massa del coperchio 3,0 kg → W = 29,43 N; L = 0,18 m.

Segmento orizzontale: sin θ = 1.

Coppia richiesta: T_req = 29,43 × 0,18 = 5,30 N-m.
Coppia di progettazione: T_design = 6,89 N-m.
Due cerniere: per cerniera ≈ 3,45 N-m.

Note sullo scenario: in presenza di vibrazioni ad alta frequenza o di spruzzi di polvere/sale all'aperto, scegliere un precarico più elevato e materiali più resistenti alla corrosione (vedere materiali e standard di seguito).

Per gli ambienti soggetti a vibrazioni ad alta frequenza o a spruzzi di polvere/sale all'aperto, si consiglia di fare riferimento a IEC 60068-2-6 o IEC 60068-2-64 per la verifica delle vibrazioni; effettuare prove di corrosione in nebbia salina secondo le indicazioni di ISO 9227e, se è richiesta una protezione contro la polvere, seguire le indicazioni riportate di seguito. IEC 60068-2-68.

Braccio per display medicale (a più punti)

Articolazione A (vicino alla base): trasporta l'intera massa del braccio e le periferiche.
Giunto B (regolazione fine dell'estremità): porta la parte di visualizzazione.

Approccio di impilamento: modellare ogni articolazione in modo indipendente e sovrapporre gli effetti periferici; prendere il picco locale per ogni articolazione.

Esempio: display finale 2,5 kg → W = 24,53 N, L = 0,12 m, segmento orizzontale T_req = 2,94 N-m, T_design = 3,82 N-m.

Raccomandazioni per l'ambiente medico: Compatibilità materiale-pulitore, bassa emissione di particelle, durata ≥ 50k-100k cicli; eseguire test di cicli di temperatura e di pulizia chimica (vedere IEC 60068-2-14 cicli di temperatura).

Effetti dei materiali e dei processi di produzione sulla coppia

Materiali e caratteristiche comuni

Materiale	Vantaggi	Rischi/Note	Standard correlati
Acciaio inossidabile (SUS304/316)	Forza + resistenza alla corrosione	Usura da sfregamento, costi più elevati	ISO 9227 nebbia salina; ISO 3506 elementi di fissaggio
Leghe di alluminio (6061/6063)	Leggero, estrudibile	Bassa durezza superficiale; necessita di anodizzazione	ISO 7599 anodizzazione; ISO 2081 Zn (acciaio)
Plastiche tecniche (POM/PA+GF/PTFE)	Basso attrito, silenzioso	Deriva termica, scorrimento	UL 94 infiammabilità; dati sull'attrito del fornitore

Gli accoppiamenti di attrito devono essere stabili: acciaio-PTFE, acciaio-POM, bronzo fosforoso-acciaio inossidabile, ecc.

Rischio di corrosione: per ambienti esterni o chimici utilizzare 316L, rivestimenti anodici duri o verniciatura a polvere; effettuare test in nebbia salina e test ciclici di calore umido.

Produzione e assemblaggio

• Rugosità della superficie: piastre di attrito consigliate Ra 0,2-0,8 μm per un attrito stabile.
• Distanza e coassialità: controllare le deviazioni per evitare il "sovraccarico" di una cerniera.
• Coerenza della coppia: ispezione in ingresso + confronto prima/dopo il test di durata; calibri tracciabili secondo ISO 6789 o tramite laboratori accreditati ISO/IEC 17025.

Flusso di lavoro della selezione e raccomandazioni tecniche

Fasi di selezione rapida (pronte da incollare nelle checklist di progettazione)

• Definire l'orientamento dell'installazione, l'intervallo di rotazione e la condizione di angolo di picco.
• Calcolare T_req = W × L × sin θ picco.
• Set SF e ottenere T_design.
• In base al numero di cerniere e al layout, ottenere l'obiettivo per cerniera T_per.
• Scegliere il modello (o i modelli) di cerniera la cui gamma di coppia/forma di curva corrisponde (unidirezionale/bi-direzionale, indicizzata/non indicizzata).
• Verifica del prototipo: sensibilità, tenuta, gioco, deriva termica e durata.
• Registrare i valori misurati rispetto a quelli progettati e riportare la distinta base e le annotazioni 2D/3D.

Problemi e soluzioni comuni

• Coppia troppo elevata, funzionamento pesante
  Ridurre il precarico; scegliere una curva dipendente dall'angolo; aggiungere molle di assistenza/ puntoni a gas.
• Coppia troppo bassa, cedimento o ritorno a molla
  Aumentare il grado di coppia, aggiungere cerniere, ottimizzare il baricentro o accorciare il braccio del momento.
• La variazione di temperatura causa la deriva del tatto
  Utilizzare coppie di attrito a bassa temperatura e deriva; verificare per IEC 60068-2-1/-2 (bassa/alta temperatura) e -2-14 (cicli di temperatura).
• Effetti della corrosione e dei detergenti
  Utilizzare 316L, anodizzazione dura o nichel elettrolitico; verificare secondo la norma ISO 9227; eseguire test di compatibilità dei materiali con i detergenti.

FAQ (Compatibile con i dati strutturati)

D1: Utilizzare la massa o il peso durante la selezione?
Utilizzo peso W (N). Se si dispone di massa m (kg), convertire con W = m×g.

D2: Perché il picco si verifica spesso in prossimità dell'orizzontale?
Perché peccato θ è uguale a 1 a θ = 90°. A questo punto, il braccio di gravità intorno all'asse è massimo e la coppia raggiunge il suo picco.

D3: Due cerniere ripartiscono il carico in modo perfettamente uguale?
Non perfettamente. Le distorsioni di montaggio e le differenze di attrito portano a una ripartizione disuguale. Lasciare margini di sicurezza nella selezione e nelle tolleranze.

D4: Come bilanciare "sensazione di leggerezza" e "forte tenuta"?
Utilizzare una curva di coppia dipendente dall'angolo o uno schema composito (cerniera a frizione + puntone a gas/molla di torsione) per fornire una coppia di tenuta più elevata agli angoli critici.

D5: Come prevenire la corrosione delle attrezzature per esterni?
Scegliere il 316L o l'anodizzazione dura/nickel senza metalli; sottoporsi alla nebbia salina ISO 9227; aggiungere il calore umido ciclico e l'invecchiamento UV, se necessario.

Conclusione

Prima calcolare, poi verificare.
Utilizzo T = W × L × sin θ per trovare il picco; utilizzare SF = 1,2-1,5 per bloccare la coppia di progetto; selezionare il tipo di struttura e i materiali in base allo scenario.
Scrivere la curva angolo-coppia, la durata e i test ambientali nei disegni e nelle specifiche. Costruire il piano di convalida in base agli standard di cui sopra.
In questo modo, le coperture non si afflosciano, i paraventi reggono, la manutenzione è più sicura e la produzione di massa è più stabile.