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Cuscinetti a sfere – Distribuzione del carico per cuscinetti volventi
I cuscinetti a sfere e altri cuscinetti volventi sono installati in numerose macchine. I cuscinetti installati trasferiscono le forze radiali o assiali che si presentano nell’alloggiamento della macchina e quindi consentono l’uso di vari componenti mobili. Le forze che si presentano e il carico risultante nel cuscinetto devono essere già determinati durante il processo di progettazione. La distribuzione del carico nel cuscinetto e la geometria del punto di contatto corrispondente sono fondamentali per la vita utile prevista, la funzione e l’efficienza del cuscinetto. In questo articolo esamineremo il carico esercitato su un cuscinetto volvente e come la geometria della superficie di contatto influisce sulla distribuzione del carico nel cuscinetto volvente.
Fondamenti dei cuscinetti a rulli
I cuscinetti volventi sono cuscinetti rotanti che guidano le parti mobili l’una rispetto all’altra e le fissano contro i componenti circostanti. Durante questo processo assorbono le forze e le trasferiscono come elemento di connessione tra componenti inattivi e mobili. Le loro funzioni principali sono trasportare e guidare i componenti che si muovono l’uno rispetto all’altro. In questo caso forze non insignificanti vengono esercitate sulle superfici del cuscinetto volvente e degli elementi rotanti.
Carichi esercitati sui cuscinetti volventi sul contatto con i componenti
Il carico principale dei cuscinetti volventi è solitamente perpendicolare al piano di contatto. Questo carico si concentra all’interno del cuscinetto volvente su superfici di contatto relativamente piccole tra il corpo di rotolamento e l’anello interno o esterno. Le forze incidenti portano a una compressione superficiale, che dipende, tra le altre cose, dalla forma della gara e del corpo di rotolamento e anche dalla direzione della forza e dal numero di elementi rotanti sotto carico allo stesso tempo. La compressione superficiale risultante influisce sulla vita utile e sull’usura, nonché sulla capacità di carico massima consentita del cuscinetto. Per un migliore apprezzamento l’entità della compressione nelle superfici soggette a pressione può essere determinata utilizzando le equazioni Hertz.
La compressione Hertz descrive la distribuzione locale della pressione che si verifica sulla superficie di contatto di due corpi curvi sotto carico. Utilizzando i calcoli, è possibile determinare l’area della superficie di carico, la deformazione e il carico superficiale. Per il calcolo ideale si presuppongono le condizioni seguenti: un comportamento del materiale elastico lineare, le superfici di contatto sono relativamente piccole, il contatto è privo di attrito e la pressione viene esercitata verticalmente. In pratica, queste condizioni non sono sempre soddisfatte con precisione nei cuscinetti volventi, ma la formula Hertz fornisce comunque risultati sufficientemente accurati per valutare la massima compressione dell’area. Sulla base di questi elementi i cuscinetti volventi possono essere progettati meglio e può essere determinato anche il carico massimo per i cuscinetti a sfere.
Impatto della geometria della superficie di contatto sulla distribuzione del carico
La geometria della superficie di contatto varia a seconda della geometria della gara e dei tipi di elementi rotanti utilizzati. Ha un’influenza diretta sulla distribuzione del carico. Per esempio, un cosiddetto contatto a punto si forma per le sfere, mentre un contatto di linea si forma per gli elementi rotanti cilindrici. Il contatto a punto porta a una compressione sotto carico. Sia la sfera sia la via di corsa si deformano elasticamente. Questa deformazione crea una superficie di contatto ellittica con una distribuzione diversa della compressione. La compressione è al suo massimo (deformazione massima) al centro della superficie di contatto creata dalla deformazione e quindi diminuisce verso l’esterno.
Il contatto a punto che si verifica nel cuscinetto a sfere scanalato crea una compressione superficiale relativamente elevata. I cuscinetti a rulli cilindrici o i cuscinetti a rulli a botte sono quindi più consigliati per carichi radiali elevati. Il contatto di linea degli elementi rotanti cilindrici distribuisce la pressione su un’area più ampia. Gli elementi rotanti e le vie di corsa si deformano anche con i cuscinetti a rulli cilindrici sotto carico. Per via della forma degli elementi rotanti il carico di compressione termina bruscamente in corrispondenza delle estremità degli elementi rotanti, in modo tale che i picchi di pressione si verifichino in corrispondenza di questi punti.
I rulli del tamburo sono usati per esempio per evitare l’interruzione brusca del carico di compressione. Per i rulli del tamburo simmetrici la superficie esterna è leggermente curva sulla lunghezza del cilindro, il che crea una distribuzione della pressione ellittica. Per i cuscinetti a rulli a botte non simmetrici il carico di compressione si sposta minimamente verso la curvatura più grande. Ciò consente, ad esempio, di compensare eventuali disallineamenti.
Tra gli altri tipi di elementi rotanti con contatto di linea figurano il rullo conico e gli elementi rotanti a forma di ago. La direzione del carico su un rullo conico corrisponde all’angolo di conicità. È possibile accogliere sia carichi assiali sia radiali. Il disallineamento consente anche di assorbire carichi combinati particolarmente elevati. Per gli elementi rotanti a forma di ago i picchi di pressione in corrispondenza dell’estremità sono ridotti al minimo dal contatto di linea esteso grazie alla forma dell’ago.
Istruzioni per la progettazione dei cuscinetti a sfere
La progettazione del cuscinetto influenza significativamente la funzione e la vita utile dei cuscinetti a sfere. Il movimento relativo di un anello del cuscinetto può avere un effetto negativo sulla vita utile. Il movimento è causato spesso da un montaggio errato: L’anello del cuscinetto non è allineato correttamente o non è fissato correttamente. Durante l’installazione è quindi essenziale garantire che siano installati correttamente il fissaggio dei cuscinetti a rulli degli anelli (anello interno e anello esterno) e anche le rondelle sull’asse o sul foro dell’alloggiamento. Evitare che questi scivolino sotto carico.
Non solo un’installazione eccessivamente allentata, ma anche un’installazione eccessivamente serrata può avere conseguenze negative: Se gli anelli dei cuscinetti sono troppo serrati o deformati a causa di una forza eccessiva durante il montaggio, ciò porta a una distribuzione del carico irregolare. Possono verificarsi picchi di carico con conseguente guasto prematuro del materiale e rischio di incrinature. Un anello del cuscinetto deformato può creare nuove superfici di contatto per l’attrito e la generazione di calore, il che influisce negativamente anche sulla vita utile.
Oltre a garantire il corretto adattamento, è necessario definire anche il tipo di carico desiderato prima dell’installazione. In alternativa è possibile valutare a quale tipo di carico sarà esposto l’anello. Il tipo di carico definisce il modo in cui l’anello del cuscinetto viene fissato o spostato rispetto alla fonte di carico e quale sede del cuscinetto selezionare. Esistono i tipi seguenti:
- Carico circonferenziale: Un carico circonferenziale sul cuscinetto si verifica quando l’anello è in funzione rispetto alla direzione del carico. L’intero anello viene sollecitato una volta durante la rivoluzione. Se la sede è allentata, l’anello può migrare, quindi è necessario selezionare una sede stretta.
- Punto di carico: Un carico puntuale sul cuscinetto si verifica quando l’anello è posizionato rispetto alla direzione del carico. Lo stesso punto è costantemente sotto carico. Anche quando la sede è allentata, l’anello non migra.
La tabella seguente mostra diversi casi di carico dei cuscinetti radiali:
| Carico periferico | Schema semplificato | Descrizione | Accoppiamento |
|---|---|---|---|
| Anello esterno: Punto di carico |  |
Anello interno: rotante Alloggiamento e carico: stazionario |
Accoppiamento fisso: Anello interno Accoppiamento libero consentito: Anello esterno |
 |
Anello interno: stazionario Anello esterno: Alloggiamento e carico: rotante |
||
| Anello interno: Punto di carico |  |
Albero e carico: stazionario Anello esterno rotante |
Accoppiamento fisso: Anello sterno Accoppiamento libero consentito: Anello interno |
 |
Albero e carico: rotante Anello esterno: stazionario |
Entrambi i tipi di carico hanno applicazioni diverse. Nella maggior parte dei casi, tuttavia, il carico circonferenziale sarà l’opzione di ripartizione del carico uniforme prevista. Le tolleranze per i cuscinetti e le sedi dei cuscinetti in generale sono disponibili nel nostro blog su accoppiamenti e tolleranze ISO per alberi e alesaggi.
Soluzioni basate sulla progettazione per cuscinetti flottanti e fissi
Per i cuscinetti volventi esistono due configurazioni di cuscinetti comuni: Cuscinetti flottanti e cuscinetti fissi. I cuscinetti fissi sono progettati per assorbire le forze radiali e assiali. Bloccando l’albero in direzione assiale si evita che si muova. Tra i cuscinetti fissi idonei figurano cuscinetti a sfera a contatto angolare a doppia fila. I cuscinetti flottanti sono utilizzati esclusivamente per assorbire le forze radiali. Entrambi i tipi di cuscinetti sono disposti solitamente in modo da poter assorbire idealmente questi carichi e compensare i cambiamenti termici sulla lunghezza dell’albero o dell’alloggiamento supportato. Tra i cuscinetti flottanti idonei figurano cuscinetti a rulli cilindrici e cuscinetti a rullini. La corona a rulli può spostarsi lungo la corsa dell’anello del cuscinetto senza nervature.
Le due figure seguenti mostrano la diversa distribuzione del carico quando si installa un cuscinetto a sfera scanalato con un precarico diverso (montaggio):
Per sostenere un albero è necessario utilizzare almeno due cuscinetti. Tali cuscinetti multipli sono costituiti da un cuscinetto fisso e da qualsiasi numero di cuscinetti flottanti. I cuscinetti flottanti di un albero rotante sono progettati per assorbire le forze radiali consentendo al contempo il movimento assiale. Pertanto può essere bilanciata l’espansione termica dell’albero e dell’alloggiamento.
Le istruzioni seguenti si applicano quando si progetta il cuscinetto e il montaggio:
- Controllare l’allineamento dell’albero: Per un disassamento dell’albero i cuscinetti oscillanti sono un’opzione (nell’intervallo di compensazione del cuscinetto oscillante).
- Assicurare una distribuzione ottimale del carico e una distribuzione uniforme sugli elementi rotanti (gli anelli non devono scivolare nella direzione circonferenziale, tenendo conto dei cuscinetti fissi e flottanti).
- Verificare l’eccentricità e planarità.
Fattori di influenza sulle prestazioni e sulla vita utile dei cuscinetti volventi
Oltre alla corretta installazione, altri parametri influiscono sulle prestazioni e sulla vita utile dei cuscinetti a sfere e dei cuscinetti volventi. Come già detto, anche la distribuzione dinamica del carico del cuscinetto ha un impatto. Di seguito esamineremo in dettaglio il carico nominale dinamico di cuscinetti e cuscinetti a sfere, nonché il carico statico nominale. Indicheremo inoltre come calcolare il carico dinamico e statico nominale dei cuscinetti. Considereremo quindi brevemente la temperatura come un esempio per ulteriori fattori di influenza.
Influenza del carico dinamico e statico nominale
I cuscinetti a sfere possono essere descritti in base al carico dinamico e statico nominale. Il carico nominale dinamico C viene utilizzato per calcolare la vita utile nominale di un cuscinetto sotto l’influenza di un carico X. Lo standard secondo ISO 281 è che il cuscinetto è in uso per almeno 1 milione di giri. Il carico statico nominale C0 a sua volta indica il carico massimo che può essere esercitato sul cuscinetto a riposo senza deformazione permanente (o con una deformazione massima di 1/10000). Maggiore è il carico nominale dinamico, più alti sono i carichi che possono agire sul cuscinetto in funzione. Maggiore è il carico statico nominale, migliore è la protezione del cuscinetto dalla deformazione in caso di carichi pesanti.
Generalmente il carico nominale dinamico viene indicato dal produttore. Viene calcolato il carico dinamico del cuscinetto, che viene quindi confrontato con il carico nominale dinamico. Il carico dinamico del cuscinetto viene calcolato come segue:
P = X \times F_{r} \times F_{a} \times Y
- P = Carico dinamico del cuscinetto in N
- Fr = forza radiale in N
- Fa = forza assiale in N
- X = fattore di carico radiale
- Y = fattore di carico assiale
- I fattori di carico X e Y dipendono dal tipo di cuscinetto selezionato e dal rapporto tra Fr e Fa (solitamente le specifiche del produttore)
Il carico nominale dinamico C deve essere maggiore o uguale al carico del cuscinetto dinamico P determinato, altrimenti esiste il rischio di sovraccarico del cuscinetto. Il carico statico nominale C0 può essere calcolato come segue:
C_{0} = P_{0} \times S_{0}
- C0 = Carico statico nominale in N
- P0 = Carico equivalente del cuscinetto statico
- S0 = fattore di sicurezza del carico statico per il trasporto del carico, a seconda della modalità operativa e dei requisiti di fluidità
Il carico del cuscinetto è influenzato da temperature diverse. Le alte temperature riducono la resistenza del materiale degli elementi rotanti e delle vie di corsa. A tal fine vi sono fattori di declassamento che devono essere presi in considerazione per gli usi in condizioni di temperatura più elevata quando si progettano i cuscinetti volventi.
