Criteri per scegliere i cuscinetti. Ecco le caratteristiche applicative da considerare!
- Meccanica Volvente
- 3 lug 2023
- Tempo di lettura: 7 min
Quando si tratta di scegliere i cuscinetti, cinghie o qualsiasi altro componente di dettaglio per i vostri progetti d’ingegneria meccanica, la gamma di opzioni può sembrare infinita. Al giorno d'oggi, soprattutto nell'era di internet dove ci sono milioni di alternative proposte, la scelta si fa sempre più ardua.
Ecco perché abbiamo creato questo articolo per guidarvi attraverso il processo di selezione del prodotto giusto con una particolare attenzione ai criteri di scelta del cuscinetto volvente.
Considerando che devono essere ponderati molti fattori nella scelta dei cuscinetti, sarebbe bello definire regole generali per agevolare l'intero progetto ma, purtroppo, non è così. Quello che ci limitiamo a fare è fornire una serie di parametri e variabili da analizzare per potersi orientare alla miglior scelta dei cuscinetti.
Un primo punto di discussione è l'applicazione. Per quale #applicazione, #utilizzo, #performance è richiesto il cuscinetto che devo progettare o fornire?
PRECISIONE, sicuramente la prima variabile da considerare.
Nel caso dei cuscinetti volventi, la #precisione viene definita dalle classi di tolleranza relative alla precisione di rotolamento e alla precisione dimensionale. La precisione di rotolamento di un cuscinetto è influenzata principalmente dalla precisione della forma e della posizione delle piste sugli anelli dei cuscinetti.
Quando si seleziona la classe di tolleranza appropriata per un determinato cuscinetto, di norma il fattore determinante per la maggior parte delle applicazioni è il massimo errore di runout radiale o assiale (in funzione del tipo di cuscinetto) dell'anello interno.
La precisione delle dimensioni d'ingombro dei cuscinetti e dei suoi componenti correlati, invece, è molto importante per ottenere l'accoppiamento adeguato. L'accoppiamento tra anello interno del cuscinetto e albero o anello esterno e alloggiamento influenza il gioco interno, o il precarico, dei cuscinetti montati. Ad esempio, i cuscinetti a rulli cilindrici con foro conico consentono scostamenti dimensionali di entità leggermente superiore rispetto ad altri tipi di cuscinetti
Ovviamente le tolleranze per la precisione e per le dimensioni sono normate e classificate con metri di confronto a seconda della territorialità degli Enti normativi. Ad esempio possiamo avere:
Categorie secondo ISO 492/199/582 valide dunque per l'UNESCO e l'ONU,
In gran parte coincidono con le categorie DIN 620 per l'Ente Tedesco.
JIS dall'Ente normativo giapponese (corrispondente agli standard UNI).
ANSI/ABMA per l'Ente Statunitense a cui corrisponde la classificazione ABEC "Annular Bearing Engineers Committee".
Prendendo come riferimento la scala ABEC, possiamo dire che rappresenta un sistema di cassificazione utilizzato per valutare la precisione dei cuscinetti a sfere. I cuscinetti con un grado ABEC più alto sono più precisi e hanno una tolleranza più stretta, il che significa che le sfere sono più uniformi e ruotano in modo più liscio.
Si illustra nella tabella di seguito un confronto tra le categorie secondo i diversi Enti. Si consideri che le tolleranze della Classe di precisione “Normale” (equivalente al P0 o ABEC 1) sono sufficienti nella maggior parte dei casi per applicazioni generiche.
ANSI/ABMA Std. 20 | ISO 492 | DIN 620 | JIS B 1514 |
|---|---|---|---|
ABEC 1 | Normale | P0 | Classe 0 Classe 6X |
ABEC 3 | Classe 6 | P6 | Classe 6 |
ABEC 5 Classe 5P | Classe 5 | P5 | Classe 5 |
ABEC 7 Classe 7P | Classe 4 | P4 | Classe 4 |
ABEC 9 Classe 9P | Classe 2 | P2 | Classe 2 |
ABEC 11 | Classe 1 | P1 | Classe 1 |
Ad esempio, per avere un riferimento applicativo, su macchine utensili con elevata precisione di rotazione, si consideri almeno:
Cat. P5 per mandrini, macchine da stampa rotative o separatori centrifughi
Cat. P4 per tavole rotanti per presse, cilindri di lavoro di laminatoi, ralle per basi di antenne paraboliche, propulsori a reazione, giroscopi, ecc.
Su macchine con minima coppia di rotolamento e ridotta variazione della stessa, si consideri ad esempio:
Cat. P4 per servomeccanismi, regolatori potenziometrici o sospensioni cardaniche
RIGIDEZZA, la seconda variabile da tenere a mente in funzione dell'applicazione.
Nelle applicazioni delle macchine utensili, la #rigidezza del mandrino è un fattore di estrema importanza, perché l'entità della deformazione elastica sotto carico condiziona fortemente il grado di produttività e di precisione dello strumento.
Anche se la rigidezza del cuscinetto contribuisce a quella dell'intero sistema, esistono altri fattori di influenza, come la sporgenza dell'utensile, il numero e la posizione dei cuscinetti.
La rigidezza si definisce come il rapporto del carico rispetto alla deflessione e dipende dal tipo, dal design e dalle dimensioni del cuscinetto. Ci sono diversi parametri che possono far variare la rigidezza ma i principali sono:
Tipologia dei corpi volventi: in virtù delle condizioni di contatto tra corpi volventi e piste, i cuscinetti a rulli presentano un grado di rigidezza più elevato rispetto a quelli a sfere.
Materiale dei corpi volventi: i corpi volventi in ceramica sono più rigidi di quelli in acciaio.
Numero e dimensioni dei corpi volventi: un maggior numero di corpi volventi di diametro più piccolo consente di aumentare il grado di rigidezza.
Angolo di contatto: un angolo di contatto prossimo all'angolo di carico si traduce in un maggior grado di rigidezza.
I cuscinetti a rulli cilindrici, di norma, costituiscono una scelta ottimale per le applicazioni che richiedono un elevato grado di rigidezza radiale. Si possono tuttavia utilizzare anche i cuscinetti obliqui a sfere con un angolo di contatto minimo. Dall'altra parte, nel caso fosse la rigidezza assiale ad essere un elemento imprescindibile, allora è preferibile utilizzare cuscinetti assiali obliqui a sfere con angolo di contatto ampio. Un suggerimento, la rigidezza può essere aumentata mediante il precarico che però può limitare la velocità ammissibile. Il precarico dei cuscinetti è una prassi standard nelle applicazioni per macchine utensili.
SPAZIO DISPONIBILE, ecco una terza variabile.
Le applicazioni di alta precisione, generalmente, richiedono cuscinetti con una bassa sezione trasversale. Questo per motivi di #spazio limitato oltre che per elevati requisiti di rigidezza e precisione di rotolamento.
I cuscinetti con una sezione trasversale bassa sono ideali per alberi con diametro relativamente grande perchè possono garantire la necessaria rigidezza in un guscio del cuscinetto relativamente piccolo.
I cuscinetti obliqui a sfere, quelli a rulli cilindrici e quelli assiali obliqui a sfere comunemente utilizzati nelle applicazioni delle macchine utensili sono quasi esclusivamente cuscinetti delle serie diametrali ISO 9 e 0.
I cuscinetti obliqui a sfere della serie diametrale 2 sono utilizzati raramente nei nuovi design ma sono spesso presenti nelle applicazioni esistenti. Se avere la sezione trasversale compatta fosse un requisito essenziale, i cuscinetti obliqui a sfera della serie diametrale 8 potrebbero essere la scelta ideale.
Ad ogni modo, per una determinata applicazione nello stesso spazio radiale, possiamo dire che con i cuscinetti delle serie diametrali 9 o 0 è possibile ottenere una disposizione ottimale in termini di rigidezza e capacità di carico.
I cuscinetti assiali obliqui a sfere per viti a ricircolo di sfere presentano una sezione trasversale di maggiori dimensioni. Per questi cuscinetti le serie diametrali tipiche sono la 2 o la 3. Lo spazio disponibile, di norma, non costituisce una problematica importante, mentre la capacità di carico è seriamente fondamentale.
CARICHI, approfondiamo ora questa importante variabile.
Abbiamo visto come precisione, rigidezza e le dimensioni del foro necessario per un albero cavo, costituiscano fattori decisivi, Parleremo anche della velocità ma ora approfondiamo un criterio di scelta fondamentale, il #carico. Quando si seleziona il tipo di cuscinetto, l'entità e la direzione del carico giocano un ruolo fondamentale. Ecco alcune considerazioni semplificative:
Nel caso di "Carichi #radiali", i cuscinetti a rulli cilindrici possono sopportare carichi radiali più pesanti, rispetto agli omologhi a sfere. Non possono sopportare carichi assiali, ma, se il design non presenta flange sull'anello interno o esterno, possono comunque consentire spostamenti assiali di entità limitata tra gli anelli interno ed esterno.
Invece, per "Carichi #assiali", i cuscinetti assiali obliqui a sfere a doppio effetto sono progettati per sopportare carichi esclusivamente assiali che agiscono in una sola direzione. I gruppi di cuscinetti obliqui a sfere costituiscono anch'essi una soluzione praticabile soprattutto in quelle applicazioni ad alta velocità. Per le disposizioni di cuscinetti di grandi dimensioni o quelle soggette a carichi assiali molto pesanti, sono consigliati speciali cuscinetti assiali a sfere a semplice effetto o cuscinetti assiali a rulli cilindrici.
Per "Carichi #combinati, invece, si parla di un carico radiale e uno assiale che agiscono contemporaneamente. In questi casi si utilizzeranno tipi di cuscinetti che possono sopportare sia carichi radiali che assiali. I cuscinetti con tali caratteristiche possono essere selezionati nelle tipologie:
Cuscinetti obliqui a sfere
Cuscinetti assiali obliqui a sfere a semplice effetto
Cuscinetti assiali obliqui a sfere a doppio effetto
Cuscinetti a rulli cilindrici assiali-radiali
Tecnicamente, la capacità di un cuscinetto di sopportare carichi assiali o radiali è determinata dall'angolo di contatto α.
Per angolo di contatto si intende l’angolo fra la linea che congiunge i punti di contatto fra sfere e piste sul piano radiale, lungo il quale il carico è trasmesso da una pista all’altra, e una linea perpendicolare all’asse del cuscinetto.
Un cuscinetto con un angolo di contatto di 0° può sopportare solo carichi puramente radiali. La capacità di sopportare carichi aumenta proporzionalmente con l'aumentare dell'angolo di contatto. Quando l'angolo di contatto raggiunge 90°, il cuscinetto diventa completamente assiale e può sopportare solo carichi assiali. La capacità di sopportare la velocità, tuttavia, è inversamente proporzionale all'angolo di contatto, quindi:
Maggiore è l'angolo di contatto e minore sarà la capacità di sopportare la velocità.
VELOCITA', per nostra esperienza, un ultimo criterio di scelta che non può mancare.
Le #velocità ammissibili per i cuscinetti dipendono in primo luogo dal tipo, design e materiale del cuscinetto, dal tipo e dall'entità del carico, dal lubrificante utilizzato e dal metodo di lubrificazione. Non meno importante è la temperatura di esercizio.
La massima velocità a cui possono operare i cuscinetti volventi è ampiamente determinata dalla temperatura di esercizio ammissibile. La temperatura di esercizio dei cuscinetti dipende proprio dal calore di attrito prodotto dagli stessi, da eventuali fonti di calore esterne e dalla quantità di calore che può essere dissipata dal cuscinetto stesso.
Grazie alle loro basse temperature di esercizio, i cuscinetti che generano bassi livelli di attrito sono quindi la soluzione ottimale per applicazioni ad alta velocità.
Rispetto ai cuscinetti a rulli di dimensioni simili, quelli a sfere offrono una minora capacità di carico, ma l'area di contatto di rotolamento ridotta gli consente di operare a velocità molto più elevate.
Un ultimo (ma non meno importante) criterio di scelta è potersi affidare a fornitori e aziende affidabili che possano garantire un #supporto tempestivo e continuativo.
Nonostante tutti gli strumenti digitali a disposizione, nonostante tutte le possibilità di schematizzare le informazioni tecniche e applicative, nonostante orientarsi a calcoli e formule matematiche, a volte non c'è nulla di meglio che parlare con un esperto.
Il team di Meccanica Volvente è sempre pronto a rispondere alle vostre domande e a offrire consigli personalizzati per il vostro progetto. Potete utilizzare il modulo su questa pagina o contattarci via e-mail tramite meccanicavolvente@gmail.com. Noi come team offriamo un servizio di risposta H24 perchè diamo priorità al contatto e alla relazione con i Clienti. Contattateci per ogni esigenza.
Concludento, per gestire al meglio la scelta dei cuscinetti e di tutti i componenti meccanici coinvolti nella dinamica delle macchine, basta avere le informazioni applicative, comprendere le diverse opzioni disponibili, investire su fornitori affidabili e utilizzare tool digitali.
Ad esempio, noi di Meccanica Volvente offriamo uno strumento digitale che permette di configurare velocemente #guide lineari e #alberi. Un #Configuratore che offre una vasta gamma di possibilità e, con 4 semplici click, si può richiedere il preventivo su misura.
Al prossimo articolo...
Commenti