La molla a gas ed il suo funzionamento

La molla a gas è composta da un cilindro in acciaio contenente gas (azoto) in pressione e da uno stelo che scorre nel cilindro stesso attraverso un anello di tenuta.

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Il gas comprimendosi per l’entrata dello stelo restituisce una spinta comportandosi come una molla. Rispetto alle tradizionali molle meccaniche (siano esse elicoidali, a tazza, in gomma), le molle a gas hanno una curva di forza quasi piatta anche per corse molto lunghe. Vengono utilizzate in tutti quei casi ove sia necessario ottenere una spinta proporzionata al peso da sollevare o spostare, o per controbilanciare il sollevamento di apparecchiature mobili e pesanti.

Le applicazioni più diffuse sono visibili sugli sportelli di autoveicoli, su carter di protezione di macchine industriali, su antine per mobili, su apparecchiature medicali e per il fitness, su tende e coperture motorizzate, su finestre per mansarde con apertura a vasistas, all’interno dei banchi vendita di supermercati e macellerie.

La molla a gas, nella versione più semplice è composta da un corpo cilindrico (C) e da un’asta in acciaio rettificata (S) denominata stelo, alla cui estremità è ancorato un pistone (P), che compie cicli di compressione ed estensione dal corpo (C) attraverso una guida a tenuta. Il corpo contiene gas azoto in pressione (indicato dalle frecce) e olio (O). Nella fase di compressione il gas, attraverso alcuni passaggi presenti sul pistone (F), passa dalla parte sottostante il pistone (B) alla parte superiore (A).

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In questa fase la pressione all’interno del cilindro, per effetto della diminuzione del volume disponibile dovuta all’ingresso dello stelo nel cilindro, aumenta generando un incremento di spinta (progressione).
Intervenendo sulla sezione dei passaggi (F) è possibile regolare il flusso di passaggio del gas determinando una velocità di scorrimento dello stelo più o meno elevata, intervenendo sulle diverse combinazioni di diametro corpo/stelo, sulle loro lunghezze e sulla quantità di olio si modifica la progressione.

La temperatura

La temperatura di esercizio influenza la spinta della molla a gas facendo espandere o contrarre l’azoto contenuto nel cilindro.

Poichè la variazione avviene a volume costante, l’espansione o la contrazione fa aumentare o diminuire la pressione interna. La forza di spinta della molla a gas varia per ogni °C nella misura dello 0,36% (ogni 10°C nella misura del 3,6%).
Esempio: considerando una temperatura di esercizio standard pari a 20°C ed una forza F1=100N, a 30°C F1=103,6N e così via.

Azione frenante

Nel cilindro della molla a gas viene introdotta una certa quantità di olio il quale, oltre a garantire una lubrificazione delle guarnizioni di tenuta, interponendosi tra pistone e guida, svolge un’azione di rallentamento nella fase di estensione dello stelo fornendo un movimento più dolce e senza sussulti.
Negli smorzatori idraulici si sfrutta l’effetto frenante dell’olio per rallentare per es. un’anta in caduta. (in questi casi la molla può non contenere azoto in pressione).

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Applicazioni a molla orizzontale, applicazioni nelle quali la molla venga applicata con lo stelo più in alto rispetto al corpo (sconsigliate), applicazioni in cui la molla si ribalta per effetto dei punti di fissaggio (per es. cofano posteriore delle automobili) non risentono dell’effetto frenante dell’olio e richiedono pertanto la valutazione di un prodotto alternativo (molla a gas a frenatura dinamica).

La spinta e la sua misurazione

La spinta di una molla a gas è determinata dalla pressione che l’azoto, immesso nel corpo cilindrico, esercita sulla sezione dello stelo.

Assemblando steli di maggior o minor sezione con corpi di opportuno volume, agendo sulla pressione di immissione del gas, regolando i passaggi presenti sul pistone o immettendo maggior quantità d’olio si possono ottenere, oltre alle forze desiderate, varie configurazioni di funzionamento della molla a gas tali da soddisfare ampie esigenze dell’utilizzatore.

Come si misura la spinta di una molla a gas

La forza di spinta (F1) della molla si misura con uno speciale dinamometro ad una temperatura ambiente di circa 20°C con lo stelo compresso di circa 10 mm e liberato degli attriti delle guarnizioni; si esprime in N (Newton) ed è un valore statico (FS) cui normalmente si fa riferimento quando si definiscono le caratteristiche di una molla.

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Altre componenti interagiscono con questo dato di base e si rilevano soprattutto nella fase “dinamica” della molla. Ci riferiamo in particolare agli attriti prodotti dalle guarnizioni di tenuta e dalle guide di supporto stelo. La resistenza che gli attriti esercitano agisce nel verso opposto alla direzione di movimento dello stelo, può avere un valore variabile dai 20 ai 50 Newton e si somma o si sottrae alla spinta “statica”.
Nel grafico è espressa la forza in chiusura F3 e la forza in apertura F1. Si noti come F3 e F1 siano rispettivamente maggiore e minore alla linea media che identifica la forza di spinta statica FM. Questa differenza è l’attrito che viene indicato con FR. La differenza tra F2 e F1 è la progressione della molla a gas.

Calcolo della forza

Formula per il calcolo della forza di una molla a gas in funzione dell’applicazione

F1={[( M x D) : L] : nm } + (10% ~ 15%)

F1: Forza di spinta della molla che si oppone al peso dell’oggetto da spostare disegnato come vettore; in questo caso F1, che è espresso in Kg, deve essere trasformato in Newton e questo si ottiene moltiplicando il valore ottenuto per 9.81.

M: Peso in Kg dell’oggetto da alzare disegnato come vettore.

D: Distanza in mm. misurata in orizzontale tra il baricentro B ed il punto di rotazione O.

B: Punto di applicazione del peso dell’oggetto da alzare esso corrisponde al Baricentro.

O: Fulcro e punto di rotazione dell’oggetto mobile.

L: Lunghezza in mm. del braccio di lavoro della molla a gas; corrispondente alla minore delle distanze tra l’attacco S o l’attacco C ed il centro di rotazione O; la maggior parte delle volte è uguale alla corsa della molla a gas, in ogni caso non può essere maggiore di quest’ultima.

S: Punto di attacco della molla a gas sulla parte fissa.

C: Punto di attacco della molla a gas sulla parte mobile.

nm: Numero molle da utilizzare nell’applicazione (1 o 2 o più).

La maggiorazione del 10~15% della forza così calcolata è dovuta al fatto che il vettore della spinta della molla non è parallelo alla direzione del vettore peso dell’oggetto da sollevare ed inoltre per compensare eventuali attriti presenti nel sistema che sottraggono efficienza alla spinta della molla.

Alcuni esempi

Esempio 1

In questo esempio (tipica applicazione della molla a gas per il sollevamento di ante e sportelli) si consiglia di fissare il punto S arretrandolo di 30/40 mm. rispetto al bordo del mobile/vano al fine di evitare che l’anta sbatta in fase di chiusura.

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Esempio 2

Nel caso di applicazioni quali quella a molla orizzontale il punto di attacco S deve consentire alla molla di mantenere, nella posizione di tutto chiuso, una inclinazione verso il basso pari almeno a 10° ciò per poter sfruttare la molla anche per accompagnare senza sbattimenti la caduta del coperchio.
In questo caso il risultato F1 è da intendersi come F2 (forza in tutto chiuso). Pertanto il risultato ottenuto va diviso per il fattore di incremento di spinta. Inoltre non si applica in questo caso il fattore di correzione del 10/15%.

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Esempio 3

In questo esempio (tipica applicazione su portelloni posteriori automobili) la figura mostra la molla con lo stelo rivolto verso l’alto. L’applicazione è corretta perchè la molla, a portello chiuso, ha lo stelo inclinato verso il basso.

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Consigli per una corretta applicazione

La lunga durata è funzione di una corretta lubrificazione delle guarnizioni di tenuta. Per questo motivo la molla deve essere installata sempre con lo stelo rivolto verso il basso o con la guida dello stelo a livello più basso dell’attacco del corpo cilindrico.

In alcune applicazioni (per es. apertura baule automobili) il movimento di apertura della molla a gas potrebbe far ruotare la molla sotto sopra tra la posizione di tutto aperto e tutto chiuso (es. pag. 10).  Anche in queste applicazioni si deve considerare di posizionare la molla a gas con lo stelo rivolto verso il basso quando è nella posizione di tutto chiuso con lo stelo compresso nel cilindro. La posizione consigliata facilita la lubrificazione della guida e delle guarnizioni.

La superficie dello stelo è importante per la tenuta della pressione del gas, per tale motivo non deve essere intaccato da corpi contundenti od abrasivi o da eventuali sostanze chimiche corrosive. La molla a gas deve essere applicata allineando l’attacco superiore ed inferiore per non porre sotto stress la guarnizione. L’allineamento deve essere mantenuto durante tutta la corsa dello stelo, qualora ciò non sia possibile si devono utilizzare degli attacchi snodati che ne permettano l’allineamento.

Vibrazioni presenti nell’applicazione possono scaricarsi sulle guarnizioni di tenuta attraverso attacchi troppo rigidamente collegati al telaio, lasciare un piccolo gioco tra le viti di fissaggio e gli attacchi oppure fissare la molla facendo uso almeno di un attacco snodato.

Si raccomanda di fissare le molle con spine lisce e non bulloni filettati in quanto la cresta del filetto a contatto con il foro dell’attacco esercita un attrito che può essere in contrasto con il corretto funzionamento della molla a gas.

L’applicazione della molla a gas deve essere fatta evitando che le forze traenti siano superiori alla forza di spinta della molla a gas, in questo modo non si supera la normale velocità di scorrimento dello stelo.

La temperatura di esercizio è -30° +80° C. Per applicazioni in ambienti con temperature maggiori (fino a 200°C) richiedere la configurazione ad alta temperatura.

Condense e basse temperature possono produrre sottilissimi strati di ghiaccio sullo stelo; l’esistenza di questa condizione può compromettere la vita della molla a gas.

La molla a gas è concepita e costruita per alleggerire o controbilanciare un peso diversamente oneroso per l’utente o per la struttura in cui viene inserita. Ogni utilizzo ulteriore ed anomalo (ammortizzatore, deceleratore, fine corsa) deve essere attentamente valutato dal progettista e dai costruttori sia ai fini della durata nel tempo della molla sia ai fini della sicurezza.

Nel caso in cui la molla a gas rimanga inutilizzata per molto tempo possono verificarsi fenomeni di incollaggio dei particolari. É buona norma eseguire alcuni cicli lentamente prima di un utilizzo regolare.

Applicazione corretta

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Applicazione errata

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Informazioni sullo smaltimento

Attenzione: nel cilindro di una molla a gas è contenuto azoto in pressione!

La pressione di carica di una molla a gas nuova può raggiungere valori molto elevati, perciò i cilindri delle molle a gas non vanno tagliati né con seghetti né con scalpelli, né con macchine ad asportazione di truciolo poiché potrebbero scoppiare con conseguente proiezione di schegge e ferire gravemente chi si trova nelle vicinanze.Per rottamare la molla a gas è necessario attenersi alla procedura indicata.

Come rottamare una molla a gas

Procurarsi adeguate protezioni per il viso e per le mani;

Prendere la molla a gas da rottamare ed assicurarsi che lo stelo sia tutto fuori quindi, dopo averla fissata in modo sicuro su una morsa di un trapano, procedere a forare il cilindro facendo uso di una punta di diametro compreso tra 1 e 2 mm. (punte più sottili in caso di rottura potrebbero essere proiettate dal gas in uscita dal foro);

Il cilindro va forato ad una distanza di circa 5 mm. dall’attacco inferiore;

Procedere nella foratura lentamente al fine di evacuare i trucioli e, non appena la parete del cilindro viene forata, il gas contenuto nel cilindro uscirà velocemente. Poiché una molla a gas potrebbe contenere dell’olio, prestare particolare attenzione alle nebbie oleose;

Poiché nella guida sono contenute due guarnizioni che formano una piccola camera stagna con possibilità di contenere gas in pressione, forare anche questa zona utilizzando le stesse precauzioni sopra riportate;

Scaricare infine l’olio contenuto nel cilindro in appositi contenitori che dovranno essere smaltiti presso gli enti preposti o in appositi luoghi conformemente alle leggi nazionali.

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