Descrivere i principi di funzionamento delle frizioni, sviluppando analiticamente, in particolare, il transitorio di un sistema composto da motore e utilizzatore fra i quali sia interposta una frizione.
La frizione è un meccanismo di trasmissione che sfrutta fenomeni sia di attrito dinamico (nei transitori) sia di attrito statico (a regime). Sull’albero dell’utilizzatore è montato un disco, mentre sull’albero motore è calettata la scatola della frizione, che è composta da due superfici rotanti solidali all’albero motore (una delle quali è detta “spingidisco”, perché tramite molle precaricate fa sì che le superfici rotanti siano a contatto con il disco).
Le frizioni presentano numerosi vantaggi pratici, fra i quali la possibilità di “staccare”, cioè di separare le superfici a contatto e permettere così all’albero motore e quello utilizzatore di ruotare indipendentemente, cosa che risulta utile all’avviamento dei motori a combustione interna (che non sarebbero in grado di reggere la coppia resistente da subito e si spegnerebbero), per il cambio delle marce o per l’arresto del veicolo senza lo spegnimento del motore.
Supponiamo che i raggi delle porzioni delle superfici a contatto (corone circolari) siano r e R, e che le molle abbiano un precarico N.
Cominciamo ad analizzare un transitorio: supponiamo l’albero motore in rotazione libera, e l’albero condotto fermo. Quando le superfici vengono fatte aderire, esse strisceranno l’una contro l’altra, rispettivamente accelerando e rallentando, come si vedrà. Il precarico sarà dato da:
dalla teoria sappiamo che:
per cui:
Quando le due superfici a contatto strisciano, abbiamo che la coppia di attrito sarà:
come se ci fosse un “braccio equivalente” pari alla media fra i due raggi. Questa coppia va raddoppiata perché le superfici a contatto sono 4 e non solo 2.
Da un esame delle potenze, possiamo scrivere per il motore:
poiché in genere
(altrimenti la frizione servirebbe a ben poco!) l’albero motore rallenterà con una legge del moto del tipo:
Invece, dall’esame delle potenze sull’utilizzatore (nota: il momento d’inerzia associato all’utilizzatore deve tenere conto della massa ridotta di tutti gli organi collegati, ad esempio ruote, massa del veicolo, ecc.):
dato che:
e dunque l’albero dell’utilizzatore (inizialmente fermo) accelererà con una legge del moto del tipo:
E’ chiaro che esisterà un istante di tempo t' in cui avverrà che:
A quel punto il transitorio può considerarsi esaurito, e i due alberi saranno alla stessa velocità angolare, a patto di rispettare le condizione di adesione:
Dai conti svolti si possono fare alcune considerazioni.
La coppia trasmessa durante l’adesione può essere maggiore di quella trasmessa durante lo strisciamento; tuttavia oltre un certo limite cessa l’adesione e la coppia trasmessa scende bruscamente; questo fa si che la frizione funga anche da “giunto di sicurezza” poiché non permette agli organi di essere sollecitati oltre una certa misura (per esempio, l’albero motore durante una frenata di emergenza). Tuttavia appare allo stesso modo chiaro che la coppia che sollecita gli organi della frizione durante il transitorio è maggiore della coppia motrice, cosa di cui il dimensionamento deve tenere conto onde evitare rotture in fase di innesto. Inoltre per migliorare le prestazioni (ridurre la durata dei transitori) potrebbe essere utile ridurre l’entità dei momenti d’inerzia ridotti agli alberi, ma tuttavia questo può portare ad una minore resistenza e più facili rotture.