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Cuscinetti a sfere a quattro punti di contatto – due in uno

Immaginate cuscinetti che reggano i carichi assiali nei due sensi e assicurino all’albero un ancoraggio molto preciso in senso assiale: grazie al loro particolare disegno costruttivo, i tipi a sfere a quattro punti di contatto della serie QJ sono in grado di farlo, anche in spazi assialmente molto ridotti.  

Autore: Thomas Forster, Manager Development Office Steyr, SKF Österreich

Cuscinetto a sfere a quattro contatti Altra industria Altri servizi

Sintesi

I cuscinetti a sfere a quattro punti di contatto (cuscinetti QJ) sono un particolare tipo di cuscinetti obliqui. In molte applicazioni un solo cuscinetto di questo tipo è una valida alternativa a una coppia di cuscinetti obliqui a una corona di sfere appaiati, in quanto fa risparmiare spazio e ha valori della velocità di base e del coefficiente di carico interessanti. Per questo motivo sono ampiamente utilizzati nei compressori, nelle pompe e nei turbo retarder.

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I cuscinetti a sfere a quattro punti di contatto (fig. 1) reggono i carichi assiali nei due sensi, in combinazione con un certo grado di carico radiale e assicurano una tolleranza di posizionamento assiale dell’albero molto precisa. Inoltre fanno risparmiare spazio, in quanto sono praticamente la riunione in uno solo di due cuscinetti obliqui a una corona di sfere. Sono pertanto una scelta eccellente in applicazioni quali i riduttori industriali, i rotismi delle locomotive, i compressori, ecc.

Disegno e caratteristiche tecniche
I cuscinetti standard SKF a sfere a quattro punti di contatto – anche denominati cuscinetti QJ – sono costituiti da un anello esterno in un solo pezzo, da due semianelli interni, dalle sfere e da una gabbia centrata sull’anello esterno. Gli anelli hanno una conformazione particolare (fig. 2): quello esterno è simile a quello dei cuscinetti radiali a sfere, però ha il profilo trasversale della pista del tutto differente da quello di questi ultimi che è circolare. L’anello esterno dei cuscinetti a sfere a quattro punti di contatto possiede due piste simmetriche – entrambe di forma circolare – che si intersecano a metà dell’anello in modo da formare un “arco gotico”. I centri della circonferenza delle due piste non coincidono e sono leggermente staccati tra di loro lungo l’asse (offset, fig. 2). L’anello interno è diviso in due semianelli e, dal punto di vista del profilo, segue lo stesso principio dell’anello esterno. Ciò dà un vantaggio rispetto ai cuscinetti radiali a sfere. La forma delle piste dell’anello esterno consente di definire l’angolo di contatto (di norma di 35°) e il gioco assiale in modo indipendente. In altre parole è possibile impostare un gioco assiale specifico senza modificare l’osculazione (il rapporto tra la curvatura della pista e il diametro della sfera).

Un cuscinetto con un angolo di contatto di 35° deve avere gli orletti delle piste molto alti e, se fosse in un solo pezzo non potrebbe permettere l’inserimento di un ragionevole numero di sfere. I cuscinetti a sfere a quattro punti di contatto hanno perciò l’anello interno diviso, il che rende possibile l’introduzione di un grande numero di sfere, limitato solo dallo spessore dei tenoni della gabbia.

Per l’assemblaggio normalmente si procede in tre fasi:

  • si inserisce la gabbia nell’anello esterno,
  • si spingono le sfere nella gabbia,
  • si dispongono i semianelli interni dalle due parti. Poiché non stanno insieme da soli, si inserisce a spinta nel foro un anello in plastica, per evitare che cadano durante il trasporto e la manipolazione.

Teoricamente una sfera ha con le piste quattro punti di contatto (fig. 3). Questo si verifica però se si applica solo un carico radiale, cosa che però non avviene nella pratica. Infatti si hanno spesso solo carichi puramente assiali (fig. 4a) e in tali casi il carico viene trasferito diagonalmente solo tra due punti di contatto. Quando il carico assiale si inverte, i due punti di contatto si spostano nella posizione opposta e ciò spiega perché questo tipo di cuscinetto può reggere i carichi assiali nei due sensi. Ci sono tuttavia applicazioni con carichi combinati, in cui però il carico assiale deve essere predominante (fig. 4b). Se si dovesse espletare la stessa funzione con due cuscinetti obliqui a una corona di sfere, ci vorrebbero due cuscinetti identici montati ad “O” o ad “X”. E’ evidente che un cuscinetto a quattro contatti messo al posto di due obliqui ad una corona di sfere fa risparmiare spazio. È importante tuttavia che sul cuscinetto a quattro contatti predomini il carico assiale: la SKF consiglia un rapporto Fa/Fr > 1,27.

I cuscinetti a sfere SKF a quattro punti di contatto sono di norma muniti o di una gabbia massiccia in ottone a feritoie (suffisso MA nell’appellativo, fig. 1a) oppure di una gabbia stampata a iniezione, a feritoie, in PEEK (polieter-eter-chetone, suffisso PHAS nell’appellativo, fig. 1b). Entrambe le gabbie sono centrate sull’anello ­esterno, il che conferisce un guida molto buona, tale da permettere di avere un limite di velocità maggiore. Il particolare disegno della gabbia simmetrica consente di inserire il massimo numero possibile di sfere di grandi dimensioni.

La fig. 5 sintetizza le caratteristiche principali dei cuscinetti della serie QJ.

Carico, durata di base e limiti di velocità
L’ingombro veramente ridotto dei cuscinetti a sfere a quattro punti di contatto potrebbe far pensare che il loro coefficiente di carico sia inferiore a quello di una coppia di cuscinetti obliqui a sfere appaiati. La fig. 6 mette a confronto i coefficienti di carico dei cuscinetti QJ delle serie diametrali 2 e 3 e i corrispondenti coefficienti delle coppie di cuscinetti obliqui a due corone di sfere appaiati, rispettivamente delle serie 72 B e 73 B. Si può vedere che non c’è quasi differenza, mentre con i cuscinetti serie QJ si ha il vantaggio di dimezzare lo spazio assiale occupato.

Si deve tuttavia considerare anche la durata di base. Il fattore primario è il carico dinamico equivalente, così calcolato:

P = 0,60×Fr + 1,07×Fa
per un cuscinetto a sfere a quattro punti di contatto (angolo di contatto 35°)

P = 0,57×Fr + 0,93×Fa
per una coppia di cuscinetti obliqui a sfere appaiati (angolo di contatto 40°)

È chiaro che il carico dinamico equivalente per il cuscinetto a quattro contatti è più elevato, per effetto del minore angolo di contatto, ma la minore durata di base è largamente bilanciata dal minore ingombro assiale.

La fig. 7 confronta le velocità di base dei cuscinetti delle serie QJ 2 e QJ 3 con quelle delle coppie di cuscinetti appaiati delle serie 72 B e 73 B e ne risulta chiaramente un 70% circa in più a favore dei primi. La cosa è spiegabile con il fatto che questi hanno un angolo di contatto minore (35° anziché 40°) e una gabbia massiccia di materiale di alta qualità (ottone o PEEK), guidata sugli orletti dell’anello esterno e munita di speciali alveoli per la lubrificazione.

Progettazione delle parti adiacenti
In molte applicazioni è previsto il montaggio di un cuscinetto a sfere a quattro punti di contatto abbinato a un cuscinetto radiale a rulli cilindrici. In tal caso è importante che quello a sfere regga solo il carico assiale e quindi il suo anello esterno non deve essere bloccato né radialmente né assialmente, anzi montato con gioco radiale nell’alloggiamento (con una luce di 1-2 mm, fig. 8), altrimenti non potrebbe compensare le dilatazioni termiche, cosa che imporrebbe una forza indesiderata sul cuscinetto stesso. Per evitarne la rotazione, molti cuscinetti hanno l’anello esterno munito di due intagli di arresto, che consentono di utilizzare una spina atta a tenerlo collegato con l’alloggiamento (fig. 8). Se non si può evitarne il bloccaggio in senso assiale, l’anello esterno deve essere almeno centrato con cura durante il montaggio.

Dal canto loro, i due semianelli interni devono sempre essere bloccati in senso assiale.

Applicazioni
Se ci sono esigenze di spazio, carichi assiali elevati nei due sensi o velocità elevate, i cuscinetti a sfere a quattro punti di contatto possono essere la soluzione ideale. È il caso di pompe, turbo retarder per autocarri, compressori, riduttori industriali, cambi di autoveicoli, motori di trazione o piantoni di sterzo. Di seguito descriviamo alcuni esempi:

I compressori a vite (fig. 9a) si impiegano per comprimere vari tipi di gas, quali aria, gas aggressivi, ossigeno, refrigeranti, ecc. Il processo di compressione avviene per mezzo della rotazione continua di due viti elicoidali. La differenza di pressione tra le due estremità delle viti genera forze assiali che spesso vengono fatte supportare da cuscinetti a sfere a quattro punti di contatto. La piccola luce tra le due viti e tra queste e l’alloggiamento del compressore esige un sistema di cuscinetti rigido e con piccolo gioco assiale.

I turbo retarder (fig. 9b) servono a convertire in calore l’eccesso di energia cinetica degli autocarri. Questa applicazione richiede cuscinetti con velocità di base elevata e capaci di reggere rapide variazioni di velocità, come è il caso dei cuscinetti obliqui a sfere a quattro contatti.

Le pompe multistadio (fig. 9c) consentono di sfruttare i giacimenti di petrolio in modo più efficiente dei metodi tradizionali. Poiché sono sistemate in fondo al mare e si utilizzano per aumentare la pressione della miscela di petrolio e gas in risalita, devono essere molto affidabili. Normalmente per reggere i carichi assiali si usano i cuscinetti a sfere a quattro punti di contatto.

I moltiplicatori di giri delle turbine eoliche (fig. 9d) trasferiscono l’energia dell’albero principale in rotazione molto lenta (circa 18 giri/min) al generatore che ruota a una velocità circa 100 volte superiore. Sull’albero ad alta velocità i rotismi elicoidali generano forti carichi assiali. In questo caso si impiega la combinazione di un cuscinetto radiale a rulli cilindrici e un cuscinetto a sfere a quattro punti di contatto.

In ferrovia (fig. 9e) ci sono due applicazioni, i riduttori e i motori di trazione, che spesso montano la combinazione di un cuscinetto a rulli cilindrici e un cuscinetto a sfere a quattro punti di contatto. Poiché i cuscinetti dei motori di trazione devono essere protetti dai passaggi di corrente, comunemente si usano tipi di cuscinetti isolati (tipi INSOCOAT). Nei cuscinetti a sfere a quattro punti di contatto con intagli di arresto si isolano i semianelli interni.

INSOCOAT è un marchio registrato del Gruppo SKF

Fig. 1: Cuscinetti a sfere a quattro punti di contatto – Esecuzione QJ.Fig. 2: Spostamento dei centri delle piste dell’anello esterno (offset).Fig. 3: Trasmissione teorica del carico in un cuscinetto a sfere a quattro punti di contatto.Fig. 4: Possibile trasmissione del carico in un cuscinetto a sfere a quattro punti di contatto.Fig. 5: Vista esplosa e caratteristiche principali.Fig. 6: Confronto delle capacità di carico dinamico: rispettivamente tra le serie QJ 2 e QJ 3 e le serie 72B e 73B di coppie di cuscinetti appaiati.Fig. 7: Confronto delle velocità di base: rispettivamente tra le serie QJ 2 e QJ 3 e le serie 72B e 73B di coppie di cuscinetti appaiati.Fig. 8: Disposizione dei cuscinetti. Il cuscinetto a sfere a quattro punti di contatto (libero radialmente) regge il carico assiale, mentre il cuscinetto a rulli cilindrici regge quello radiale.Fig. 9a: Compressore a viti.Fig. 9b: Turbo retarder. Fig. 9c: Pompa multistadio.Fig. 9d: Moltiplicatore di giri di turbina eolica. Fig. 9e: Applicazioni ferroviarie – organi di trasmissione e motori di trazione.

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