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I cuscinetti ibridi, lo standard industriale del futuro

I cuscinetti ibridi offrono soluzioni efficaci per le sfide tecniche attuali e future. La combinazione di anelli in acciaio e corpi volventi in ceramica riduce peso e attrito ed elimina l’erosione elettrica, aumentando nel contempo affidabilità e capacità di velocità.

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Il mondo sta vivendo un periodo di rapidi cambiamenti. Le megatendenze globali stanno cambiando il modo in cui viaggiamo, facciamo affari e viviamo. L’urbanizzazione attira sempre più persone nelle città, la digitalizzazione e l’automazione accelerano le nostre vite private e professionali e la società deve affrontare diverse sfide ambientali. Allo stesso tempo, stiamo assistendo a rapidi sviluppi nell’elettrificazione, in particolare nei veicoli elettrici, e a una costante spinta verso la globalizzazione.

Queste tendenze globali sono, a loro volta, il motore del cambiamento nel campo dei cuscinetti. Molte tecnologie emergenti richiedono cuscinetti dotati di proprietà particolari, tra cui l’idoneità all’impiego di trasmissioni a velocità variabile, la riduzione dei requisiti di manutenzione, una maggiore densità di potenza e la riduzione dell’attrito.

I cuscinetti ibridi offrono soluzioni efficaci per tutte queste sfide tecniche attuali e future. La combinazione di anelli interni ed esterni in acciaio con sfere o rulli in ceramica conferisce ai cuscinetti ibridi proprietà uniche, che li rendono idonei per l’impiego in un’ampia gamma di applicazioni moderne. I corpi volventi dei cuscinetti ibridi SKF sono realizzati in nitruro di silicio e sono disponibili come cuscinetti a sfere o cuscinetti a rulli cilindrici e in design personalizzati.
Fig. 2: I cuscinetti ibridi combinano anelli in acciaio e corpi volventi in ceramica.

L’utilizzo della ceramica nei cuscinetti non è una novità. L’industria aerospaziale ne sperimentò l’impiego a livello globale dagli anni ‘60 agli anni ‘80, attratta dalla leggerezza e dalla resistenza al calore del materiale. Tuttavia, il nitruro di silicio fu commercializzato solo negli anni ‘80. Dagli anni ‘90 i cuscinetti ibridi sono stati utilizzati in diverse applicazioni, tra cui macchine utensili, generatori delle turbine eoliche, motori di trazione per veicoli elettrici e ferroviari, macchine fluidodinamiche e aerospaziali come compressori, pompe e pompe a vuoto.

I corpi volventi in nitruro di silicio utilizzati nei cuscinetti ibridi SKF hanno proprietà uniche rispetto ai loro omologhi in acciaio standard. Il nitruro di silicio offre una resistenza alla compressione decisamente maggiore di quella dell’acciaio; il suo modulo elastico è superiore di circa un terzo e contribuisce a ridurre l’attrito nel contatto di rotolamento.

Cosa ancora più importante, il nitruro di silicio è due volte più duro dell’acciaio dei cuscinetti; è pertanto la soluzione ideale per condizioni di esercizio e lubrificazione gravose. È isolato elettricamente rispetto all’acciaio, mentre la sua densità è decisamente inferiore. Infine, il suo coefficiente di dilatazione termica è nettamente inferiore; consente quindi un’accurata regolazione del gioco, ma deve essere tenuto in considerazione in determinate condizioni di esercizio, incluse le applicazioni a temperature molto basse.

Se utilizzato nei cuscinetti volventi, il nitruro di silicio assicura prestazioni migliori, tra cui, in particolare, eccellente isolamento elettrico, riduzione del peso, prestazioni tribologiche superiori ed elevata resistenza all’usura. Inoltre, la capacità di velocità è nettamente migliorata.

Quindi, in che modo queste proprietà risolvono sfide applicative specifiche? E perché i cuscinetti ibridi probabilmente diventeranno la tecnologia standard in molti settori nei prossimi anni?

Prevenzione dell’erosione elettrica in trasmissioni a velocità variabile

I cuscinetti ibridi possono offrire enormi vantaggi nelle trasmissioni a velocità variabile, che sono impiegate per il controllo ottimizzato dei macchinari rotanti, come pompe o motori di trazione. Queste trasmissioni a modulazione di larghezza di impulso generano correnti ad alta frequenza dannose per i cuscinetti. Quando la corrente attraversa un cuscinetto, gli anelli e i corpi volventi possono subire danneggiamenti, così come il lubrificante. Un elevato livello di vibrazioni è la conseguenza meno dannosa, poiché l’erosione elettrica può addirittura comportare una riduzione significativa della durata dei cuscinetti e del lubrificante.

In questo caso l’utilizzo di cuscinetti ibridi elimina il problema. Il nitruro di silicio è un isolante e impedisce il passaggio della corrente tra gli anelli del cuscinetto, anche in caso di correnti molto elevate. È possibile eliminare completamente i cedimenti dei cuscinetti conseguenti.

Prolungamento degli intervalli di manutenzione aumentando la durata del grasso

Un altro importante vantaggio dei cuscinetti ibridi è rappresentato dal prolungamento degli intervalli di manutenzione e della durata di esercizio. L’utilizzo di corpi volventi in ceramica nei cuscinetti migliora enormemente la durata del lubrificante; questo significa che il cuscinetto può funzionare per periodi più lunghi, prima che sia necessario eseguire interventi di manutenzione. I corpi volventi in ceramica consentono una migliore erogazione del lubrificante al contatto di rotolamento e, poiché attrito ed erosione elettrica sono ridotti e il conseguente deterioramento termico è eliminato, la capacità lubrificante si mantiene più a lungo.

Nei test condotti da SKF la durata del lubrificante in un cuscinetto radiale a sfere ibrido era da due a sette volte maggiore di quella del cuscinetto in acciaio. In test analoghi per i cuscinetti a rulli cilindrici il lubrificante durava da due a quattro volte di più nella versione ibrida.

Maggiore densità di potenza grazie a velocità di esercizio più elevate

Il terzo vantaggio dei cuscinetti ibridi consiste nel favorire velocità di esercizio più elevate e una maggiore densità di potenza. Si riscontra una tendenza generale dei produttori di motori elettrici ad aumentare la densità di potenza, in particolare per treni e veicoli su strada e fuoristrada. Semplicemente la potenza si può definire in funzione di coppia e velocità. Se si può aumentare la velocità di rotazione dei cuscinetti, allora aumenta anche la potenza del motore.

Perché aumentare la densità di potenza?

• Maggiore potenza da un motore elettrico delle stesse dimensioni

• Stessa potenza da un motore di dimensioni inferiori

P = M • n

• Velocità massima limitata (anche) dai cuscinetti

Poiché i cuscinetti ibridi hanno una massa inferiore rispetto ai cuscinetti in acciaio, la loro capacità di velocità è fino al 25% superiore. Inoltre, i cuscinetti ibridi riducono l’attrito, che a sua volta si traduce in temperature di esercizio inferiori e durata di esercizio maggiore a velocità elevate. Oltre a ciò, la maggiore rigidezza dei cuscinetti consente una migliore accuratezza delle macchine e un rischio inferiore che si verifichino problemi di dinamica al rotore.

Riduzione dell’attrito

Infine, un vantaggio fondamentale dei cuscinetti ibridi è la riduzione dell’attrito, che in un cuscinetto può aiutare a limitare il consumo di energia, che è un requisito essenziale per l’industria moderna. I corpi volventi in ceramica dei cuscinetti ibridi influiscono direttamente sull’attrito generato dalle coppie di rotolamento e strisciamento. Le perdite di energia dovute alla coppia di rotolamento sono ridotte nei cuscinetti ibridi a causa dell’ellisse di contatto inferiore, che deriva da un modulo di Young più alto. Inoltre, la coppia di attrito radente è ridotta a causa della migliore qualità della superficie dei corpi volventi in ceramica.

Fig. 3. Nei cuscinetti ibridi l’attrito radente e volvente è ridotto.
Nei test condotti da SKF la coppia di attrito è risultata tra il 5 e l’8% più bassa a velocità elevate nei cuscinetti ibridi, rispetto alle versioni in acciaio. Allo stesso tempo, i test hanno dimostrato che i cuscinetti ibridi possono sopportare volumi di lubrificante e livelli di viscosità inferiori, due fattori che favoriscono la riduzione dell’attrito. Regolando i parametri di lubrificazione e ottimizzando l’applicazione, è possibile ridurre l’attrito fino al 50%, senza compromettere la durata di esercizio dei cuscinetti.

Cuscinetti ibridi: da soluzione di problemi a elemento chiave

I settori automobilistico e industriale stanno cercando di ottimizzare la propria produzione, per affrontare a livello mondiale le sfide legate alla sostenibilità e rimanere al passo con le tendenze sociali e tecnologiche. I cuscinetti ibridi dotati di corpi volventi in ceramica e anelli in acciaio sono in grado di risolvere un’ampia gamma di problemi correlati al design e alla manutenzione, assicurando quindi una maggiore affidabilità. Oltre alla capacità di risolvere i problemi, i cuscinetti ibridi consentono una maggiore economicità in esercizio e una potenza in uscita superiore. È pertanto molto probabile che i cuscinetti ibridi diventeranno la soluzione standard per un’ampia gamma di applicazioni e settori nei prossimi anni.

Nuove tecnologie della gabbia consentono velocità di rotazione ancora più elevate

Velocità più elevate sono un enorme vantaggio dei cuscinetti ibridi rispetto ai loro omologhi in acciaio. Tecnologie della gabbia dei cuscinetti d’avanguardia possono essere la soluzione ideale per chi desidera aumentare ulteriormente la velocità di rotazione. SKF ha introdotto un innovativo design della nuova gabbia, adatta per i cuscinetti ibridi, realizzata in polietereterchetone (PEEK), un materiale polimerico leggero. Il nuovo design della gabbia in due metà può sopportare velocità di esercizio elevate, riducendo nel contempo la generazione di calore e il deterioramento del lubrificante ad alte velocità. Consente un aumento delle velocità del 60% rispetto alle gabbie in ottone e del 100% rispetto alle versioni in polimero tradizionali.
Fig. 4: Il nuovo design della gabbia di SKF per cuscinetti radiali a sfere combina le caratteristiche di un design innovativo e un materiale polimerico a elevate prestazioni.