Confronto tra prestazioni e coefficienti di carico dei cuscinetti a rulli conici

Confronto tra prestazioni e coefficienti di carico dei cuscinetti a rulli conici

I produttori di cuscinetti a rulli conici calcolano i valori dei coefficienti di carico dinamico facendo riferimento a norme differenti, pertanto i valori elencati nei cataloghi potrebbero essere fuorvianti o non confrontabili. Si esaminano i parametri più importanti. SKF ha appena introdotto una gamma molto ampia di cuscinetti a rulli conici SKF Explorer per un’estesa durata di servizio.

Autori:
Sebastian Krug, sviluppo prodotti cuscinetti a rulli conici, SKF Schweinfurt, Germania
Udo Krug, responsabile sviluppo prodotti cuscinetti a rulli conici, SKF Schweinfurt, Germania
Jochen Lorenscheit, gestione prodotti cuscinetti a rulli conici, SKF Schweinfurt, Germania
Michael Reugels, centro di sviluppo cuscinetti di grandi dimensioni, SKF Schweinfurt, Germania.

Ricerca e teoria Cuscinetti a rulli conici

L’ambiente naturale dei cuscinetti a rulli conici

I cuscinetti a rulli conici sono molto comuni nelle applicazioni automobilistiche e industriali con carichi pesanti. Le applicazioni tipiche sono trasmissioni e terminali ruota per autocarri/automobili, industria metallurgica e produzione di energia eolica, movimentazione dei materiali, trasmissioni industriali e settore minerario.

I tipici requisiti di queste applicazioni prevedono pesanti carichi radiali e assiali combinati, nonché geometrie con rigidezza elevata. Altri criteri importanti sono affidabilità, durata e la capacità di sopportare condizioni estreme.

Inoltre, sempre più frequentemente, i cuscinetti a rulli conici funzionano in condizioni gravose con contaminazione dove il problema principale è assicurare l’operatività.

I riduttori industriali e le trasmissioni per autocarri sono in genere dotati di cuscinetti a rulli conici.

I riduttori industriali e le trasmissioni per autocarri sono in genere dotati di cuscinetti a rulli conici.

COEFFICIENTI DI CARICO

Importanza dei coefficienti di carico

Quando si confrontano i cuscinetti di produttori diversi, è tipico considerare i coefficienti di carico come il parametro fondamentale delle prestazioni [1]. Il coefficiente di carico dinamico è un elemento la cui fondamentale importanza può essere facilmente compresa mediante l’equazione per il calcolo della durata di base del cuscinetto.

Calcolo secondo la norma ISO

Secondo la norma ISO 281, la durata di base di un cuscinetto a rulli conici si calcola con l’equazione:

la durata di base di un cuscinetto a rulli conici si calcola con l’equazione

dove
L10 = durata di base (al 90% di affidabilità)
Cr = coefficiente di carico radiale dinamico di base
Pr = carico radiale dinamico equivalente.

Secondo la norma ISO 281, il coefficiente di carico radiale dinamico di base per i cuscinetti a rulli conici si calcola con l’equazione:

il coefficiente di carico radiale dinamico di base per i cuscinetti a rulli conici si calcola con l’equazione

dove
Cr = coefficiente di carico radiale dinamico di base
bm = fattore di valutazione del tipo di cuscinetto (valore 1,1 per cuscinetti a rulli conici)
fc = fattore dipendente da materiale/geometria/dimensione
i = numero di corone
Lwe = lunghezza effettiva dei rulli
angolo di contatto= angolo di contatto
Z = numero di rulli per corona
Dwe = diametro medio dei rulli.

L’importanza di fc come fattore di prestazioni appare evidente; ad esempio applicando un fattore di prestazione di 1,23 si ottiene una durata di base L10 doppia.

Calcolo secondo le norme statunitensi

Talvolta, soprattutto nel mercato nordamericano, si possono trovare coefficienti di carico C90. Questi si basano su una durata di 90×106 giri:

L’importanza di fc come fattore di prestazioni appare evidente; ad esempio applicando un fattore di prestazione di 1,23 si ottiene una durata di base L10 doppia.

dove
C90 = coefficiente di carico dinamico di base basato su 90×106 giri
M = fattore dipendente dal materiale, definito dal produttore del cuscinetto
H = fattore dipendente dalla geometria, definito dal produttore del cuscinetto
i = numero di corone
leff = lunghezza di contatto effettiva
angolo di contatto= angolo di contatto
Z = numero di rulli per corona
Dwo = diametro medio dei rulli.

Coefficiente di carico radiale dinamico C1 per durata a 1×106 giri:

Coefficiente di carico radiale dinamico C1 per durata a 1×106 giri:

Confronto dei coefficienti di carico

Alla luce di quanto sopra è evidente che i coefficienti di carico Cr secondo la norma ISO non possono essere confrontati con i coefficienti di carico statunitensi C1. I valori C1 si ottengono dai coefficienti di carico C90 e pertanto hanno una struttura di base simile; le equazioni per Cr e C90 si avvalgono di fattori ed esponenti diversi [6]. Ne deriva un diverso peso ponderale dei singoli parametri della geometria considerata.

Test di comparazione

Sono stati eseguiti numerosi test di comparazione con tipi di cuscinetti a rulli conici differenti. I risultati per i cuscinetti testati tipo 32011 X sono commentati di seguito.

Tabella 1: Benchmark – condizioni dei test con cuscinetto di tipo 32011 X.

Tabella 1: Benchmark – condizioni dei test con cuscinetto di tipo 32011 X.

Sintesi

È importante che gli utilizzatori di cuscinetti sappiano che può esserci un’enorme differenza tra i valori indicati nei cataloghi e le prestazioni effettive dei cuscinetti in un’applicazione. Al momento di selezionare un cuscinetto specifico, è sempre consigliabile esaminare attentamente i parametri fondamentali del calcolo del coefficiente di carico utilizzati da un produttore.

I coefficienti di carico C90 e C1 non possono essere confrontati direttamente con i metodi di calcolo ISO.

È di vitale importanza che i produttori di cuscinetti sostengano i dati espressi mediante i coefficienti di carico con i risultati dei test condotti.

È consigliabile che gli uffici tecnici analizzino i valori di C nei cataloghi dei cuscinetti con occhio critico e ne verifichino la conformità alla norma ISO 281 o a pratiche di verifica consolidate dai produttori di cuscinetti. È possibile verificare rapidamente i valori di C misurando le dimensioni dei componenti dei cuscinetti con alcuni semplici metodi; vedere [7].

Inoltre, quanto più i dati dei coefficienti di carico sono consistenti e affidabili, maggiore può essere la densità di potenza dell’applicazione [8].

La sfida futura per i produttori di cuscinetti sarà sviluppare soluzioni che rappresentino al meglio le prestazioni dei cuscinetti sul campo, a vantaggio dei clienti.

I test di comparazione sono stati eseguiti in due casi: condizione di esercizio pulita e condizione di esercizio contaminata. I test condotti in condizioni di pulizia sono eseguiti con il cuscinetto e l’olio nuovi. Nei test in condizioni di contaminazione, sono state aggiunte all’olio le particelle di contaminante solido e, inizialmente, i cuscinetti sono stati rodati in questa condizione. Successivamente l’olio contaminato è stato rimosso e i cuscinetti sono stati mantenuti con olio pulito fino al cedimento. Le condizioni dei test sono descritte nella tabella 1.

In figura 1 è mostrato il confronto dei coefficienti di carico a catalogo SKF (identificato come valore di riferimento 100) e di altri due produttori di cuscinetti. Rispetto ai valori indicati da SKF le altre due aziende produttrici di cuscinetti dichiarano coefficienti di carico superiori del 17% e del 19%.

Fig. 1: Coefficienti di carico dinamico radiale, cuscinetto di tipo 32011 X, valori Cr relativi a catalogo.

Fig. 1: Coefficienti di carico dinamico radiale, cuscinetto di tipo 32011 X, valori Cr relativi a catalogo.

Risultati dei test

In figura 2 sono mostrati i risultati dei test di comparazione eseguiti in condizione di esercizio pulita.

In figura 3 sono mostrati i risultati dei test di comparazione eseguiti in condizione di esercizio contaminata.

Fig. 2: L10 – risultati dei test [h], cuscinetto di tipo 32011 X, dal test comparativo in condizioni di esercizio pulite.

Fig. 2: L10 – risultati dei test [h], cuscinetto di tipo 32011 X, dal test comparativo in condizioni di esercizio pulite.

Risultati: nonostante i valori di capacità indicati siano inferiori, i cuscinetti a rulli conici SKF hanno mostrato prestazioni decisamente superiori rispetto ai cuscinetti della concorrenza sia nei test eseguiti in condizione di pulizia sia in quelli eseguiti in condizione di contaminazione.

Fig. 3: L10 – risultati dei test [h], cuscinetto di tipo 32011 X, test comparativo in condizioni di esercizio contaminate.

Fig. 3: L10 – risultati dei test [h], cuscinetto di tipo 32011 X, test comparativo in condizioni di esercizio contaminate.

Test termici di velocità

Oltre ai test di comparazione sulla durata, sono stati eseguiti test in merito alle capacità di velocità con cuscinetti di tipo 32011 X. Un carico assiale puro di 2,3 kN è stato applicato al cuscinetto testato prima dell’avvio del test. Successivamente il test è stato condotto applicando velocità variabili da 2.000 giri/min a 9.000 giri/min, con intervalli di 1.000 giri/min (fig. 4).

Fig. 4: Test termici di velocità – Temperature medie di esercizio [°C]: blu: SKF, grigio: CC 1, nero: CC 2; rosso: velocità [giri/min].

Fig. 4: Test termici di velocità – Temperature medie di esercizio [°C]: blu: SKF, grigio: CC 1, nero: CC 2; rosso: velocità [giri/min].

Risultati dei test

  • I cuscinetti SKF hanno fatto registrare le temperature più basse in tutte le condizioni di velocità. Le differenze di temperatura, tra i cuscinetti testati, sono maggiori a livelli di velocità superiori. Al limite di velocità massimo la temperatura media dei cuscinetti SKF è stata registrata inferiore di 11,5 °C rispetto alla temperatura media dei cuscinetti del principale concorrente (CC 2).
  • A velocità fino a 4.000 giri/min, i cuscinetti della concorrenza hanno operato a temperature medie superiori a quelli SKF.
Tabella 2: Test termici di velocità.

Tabella 2: Test termici di velocità.

CUSCINETTI A RULLI CONICI SKF, NUOVO ASSORTIMENTO CONSOLIDATO E SKF EXPLORER

Per presentare al meglio le prestazioni effettive dei cuscinetti a rulli conici della SKF, è stato lanciato un nuovo e consolidato assortimento a catalogo.

I punti principali sono:

  • ampio assortimento di cuscinetti SKF Explorer (fig. 5); i cuscinetti di piccole dimensioni e quasi tutti quelli di medie dimensioni sono SKF Explorer; la gamma ampliata di continuo
  • i cuscinetti a catalogo di dimensioni più grandi per il momento mantengono la designazione
  • la gamma a catalogo di cuscinetti con dimensioni in pollici verrà ampliata
  • gli assortimenti preferenziali di settore e i prodotti personalizzati (come la serie CL7C) rimarranno, ma non saranno inclusi nell’assortimento standard descritto a catalogo.
Fig. 5: Gamma di cuscinetti a rulli conici con dimensioni metriche nel nuovo catalogo dei cuscinetti volventi SKF (pubblicazione SKF 17.000); blu scuro = SKF Explorer; azzurro = SKF Basic.

Fig. 5: Gamma di cuscinetti a rulli conici con dimensioni metriche nel nuovo catalogo dei cuscinetti volventi SKF (pubblicazione SKF 17.000); blu scuro = SKF Explorer; azzurro = SKF Basic.

Contatto vendite

evolution@skf.com

Gamma estesa di cuscinetti a rulli conici SKF Explorer – coefficienti di carico aumentati

I continui miglioramenti nelle tecniche di produzione hanno reso possibile produrre la maggior parte dell’assortimento di cuscinetti a rulli conici nella classe di prestazioni SKF Explorer, come evidenziato nel catalogo dei cuscinetti volventi. Questa include tutti i prodotti della linea TQ così come molti altri prodotti, principalmente grazie a nuove geometrie di corpi volventi conformi alla classe di prestazioni SKF Explorer.

I risultati dei test di comparazione dei cuscinetti a rulli conici mostrano prestazioni decisamente competitive in termini di durata di esercizio, momento di attrito, livelli di rumore e vibrazione, nonché velocità ammissibile.

Come avvenuto in passato, i miglioramenti implementati portano tutti i cuscinetti a rulli SKF Explorer a essere caratterizzati da un coefficiente di carico dinamico maggiore del 15%. Questo ovviamente si applica anche all’assortimento a catalogo dei cuscinetti a rulli conici SKF Explorer.

Benefici per i clienti

I principali vantaggi dei cuscinetti a rulli conici SKF Explorer per i clienti includono:

  • affidabilità migliorata
  • maggiore produttività
  • numero inferiore di cedimenti prematuri
  • livelli di rumore e vibrazione ridotti
  • possibilità di downsizing
  • consumo ridotto di energia e lubrificante.

SKF Explorer è una marchio registrato del Gruppo SKF.

Bibliografia
[1] Parker, N., Desktop Engineering – How to Calculate Dynamic and Static Load Ratings, Power Transmission Engineering, February 2015, p. 40
[2] International Standard ISO 281:2007(E): Rolling bearings – Dynamic load ratings and rating life, 2007, p. 16, formula (16)
[3] International Standard ISO 281:2007(E): Rolling bearings – Dynamic load ratings and rating life, 2007, p. 13, formula (13)
[4] SAE – Society of Automotive Engineers, Rating and Life Formulas for Tapered Roller Bearings, SAE Paper 841121, 1984, p. 3
[5] SAE – Society of Automotive Engineers, Rating and Life Formulas for Tapered Roller Bearings, SAE Paper 841121, 1984, p. 4
[6] SAE – Society of Automotive Engineers, Rating and Life Formulas for Tapered Roller Bearings, SAE Paper 841121, 1984, p. 13
[7] Parker, N., Desktop Engineering – How to Calculate Dynamic and Static Load Ratings, Power Transmission Engineering, February 2015, p.41
[8] Gabelli, A., Doyer, A., Morales-Espejel, G.E., The Modified Life Rating of Rolling Bearings – A Criterion for Gearbox Design and Reliability Optimization, AGMA Technical Paper 14FTM16, 2014, p.14

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