Competenza ingegneristica

Set di cuscinetti per bassi carichi assiali

I cuscinetti obliqui a sfere in genere hanno un angolo di contatto di 40°. SKF ha di recente ampliato la gamma di questi cuscinetti con una nuova serie con angolo di contatto di 25°. Per la prima volta è possibile produrre in modo semplice gruppi asimmetrici di cuscinetti. Questo offre grandi vantaggi in termini di durata di esercizio in applicazioni caricate assialmente, come le pompe o i motori elettrici, e consente di risolvere in modo molto efficace i ben noti problemi relativi al carico minimo.

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Tutti i cuscinetti volventi hanno un angolo di contatto che trasferisce le forze al loro interno. Un cuscinetto radiale a sfere ne è l’esempio più semplice e in questo caso l’angolo di contatto è 0°. In confronto un cuscinetto obliquo a sfere ha sempre un angolo di contatto superiore a 0°.

Più è alto l’angolo di contatto, maggiore è la capacità di carico assiale del cuscinetto volvente. In casi estremi vi è un angolo di contatto di 90°, ovvero un cuscinetto assiale puro. I cuscinetti obliqui a sfere pertanto si trovano tra i cuscinetti assiali puri e i cuscinetti radiali puri. Di conseguenza possono assorbire carichi combinati radiali e assiali.

Altre opzioni con angolo di contatto più contenuto e gabbia ottimizzata

Di recente SKF ha lanciato una gamma estesa di cuscinetti obliqui a una corona di sfere con gabbia in ottone, che presenta un angolo di contatto minore rispetto a quello solito di 40°. Nella seguente tabella è descritta la nuova gamma di cuscinetti obliqui a sfere con angolo di 25° (suffisso AC):

L’angolo di contatto più contenuto riduce leggermente la capacità di carico assiale, ma offre anche altri vantaggi. In certe condizioni, ad esempio, è possibile raggiungere velocità fino al 20% superiori a quelle di cuscinetti con un angolo di contatto di 40°. A ciò contribuiscono le condizioni cinematiche più favorevoli nel cuscinetto, che riducono al minimo la componente di strisciamento e quindi generano meno calore. Inoltre, l’angolo di contatto più contenuto assicura una maggiore rigidezza radiale, che è vantaggiosa in applicazioni con un carico prevalentemente radiale.

SKF ha anche ottimizzato la gabbia in ottone per le versioni con angolo di 25° e 40°. Il materiale più resistente e la forma ottimizzata della gabbia lo rendono ancora più robusto e consentono di raggiungere velocità più elevate.

Nonostante questi miglioramenti nelle prestazioni, la gabbia ha un ingombro ridotto rispetto a quella utilizzata in precedenza; quindi il volume disponibile per il lubrificante è maggiore e gli intervalli di lubrificazione possono essere più lunghi. Inoltre, la nuova gabbia in ottone riduce i livelli di vibrazioni e rumorosità del 15%.

Applicazioni e disposizioni

Le applicazioni più comuni per i cuscinetti obliqui a sfere sono pompe, compressori e motori elettrici. Questi componenti, grazie ai nuovi cuscinetti obliqui a sfere di SKF, possono funzionare in modo molto più efficiente e raggiungere una maggiore durata di esercizio.

In queste applicazioni i cuscinetti obliqui a una corona di sfere in genere sono montati (almeno) a coppie. Questo perché, quando un cuscinetto obliquo a sfere è sottoposto a un carico assiale puro o radiale puro, dal suo angolo di contatto si genera inevitabilmente una forza radiale o assiale corrispondente. Per via del design interno del cuscinetto le forze assiali possono essere sopportate in una sola direzione. Se venisse caricato nella direzione opposta, il cuscinetto si potrebbe rompere.

Poiché nella maggior parte delle applicazioni si generano forze assiali in entrambe le direzioni, le forze opposte devono essere contrastate da un contrapposto. Il cuscinetto appaiato più semplice è il cuscinetto obliquo a due corone di sfere montato con “disposizione a O” (seguendo la forma tracciata dalle linee dell’angolo di contatto). I cuscinetti obliqui a una corona di sfere universali possono essere combinati in diversi modi, con disposizione a O e a X.

Cuscinetti obliqui a sfere appaiati

Quando i cuscinetti obliqui a sfere sono montati a coppie, sono disponibili più opzioni per impostare un precarico o un gioco specifico del cuscinetto. Il metodo più diffuso è quello di utilizzare i cosiddetti cuscinetti “universalmente accoppiabili” (definiti anche “cuscinetti universali”). I cuscinetti universali hanno il vantaggio di essere già accoppiati tra loro in fabbrica in modo da ottenere un precarico/gioco specifico quando vengono montati sulle applicazioni. La distanza iniziale tra gli anelli interni o esterni dei cuscinetti viene colmata bloccando i cuscinetti.

Per ottenere precisione nella forza di precarico o nel gioco dei cuscinetti, è necessaria una tolleranza molto ristretta – solo qualche micrometro – sul “salto facciale” degli anelli.

I cuscinetti universali pertanto semplificano notevolmente il montaggio. Gli altri metodi di montaggio convenzionali sono associati ad attenzioni significativamente maggiori. Ad esempio, il precarico dei cuscinetti si può regolare anche inserendo speciali anelli distanziatori nell’alloggiamento o sull’albero. Per fare questo, tuttavia, i cuscinetti devono essere misurati sotto uno sforzo notevole e occorre disporre di anelli distanziatori per ogni coppia di cuscinetti.

Per ridurre i costi di montaggio, i nuovi cuscinetti obliqui a sfere AC con angolo di contatto di 25° sono già disponibili in coppie universali secondo la classe SKF Explorer. Su richiesta si possono realizzare anche classi diverse di precarico e di gioco dei cuscinetti.

Gruppi di cuscinetti misti

Spesso la forza assiale dei gruppi di cuscinetti obliqui a sfere è predominante in una direzione, come nel caso, ad esempio, dei ventilatori o delle pompe che ruotano principalmente in una direzione. In tali applicazioni il primo cuscinetto obliquo a sfere assorbe la forza assiale, mentre il secondo, il cosiddetto “cuscinetto di backup”, è scaricato.

Tuttavia, i cuscinetti volventi richiedono sempre un certo carico minimo per ruotare senza strisciamenti ed esiste un rischio elevato che questo carico minimo sia inferiore a quello del cuscinetto scaricato. Questo può disturbare il rotolamento delle sfere (con movimenti di strisciamento nel contatto di rotolamento) e provocare il cosiddetto “smearing”, che porta a un aumento della temperatura e al cedimento prematuro dei cuscinetti a causa di danneggiamenti superficiali e/o della rottura della gabbia.

Vantaggi dei gruppi di cuscinetti misti

In precedenza i gruppi di cuscinetti composti da due cuscinetti a una corona di sfere identici con angolo di 40° spesso si installavano in applicazioni con un carico assiale predominante su un lato. Tuttavia, questa non è una disposizione ottimale, perché l’angolo di 40° è più suscettibile ai problemi di carico minimo quando il cuscinetto è scaricato.

La nuova serie con angolo di contatto di 25° consente la produzione di gruppi asimmetrici di cuscinetti con angoli di 40° e 25°. Questa coppia di cuscinetti offre grandi vantaggi. Nel gruppo asimmetrico di cuscinetti la forza assiale predominante viene assorbita attraverso l’angolo di contatto ampio (B = 40°), mentre il cuscinetto scaricato con un angolo di contatto più contenuto (AC = 25°) riduce il rischio di smearing, perché aumenta la soglia della forza di distacco, cioè la forza assiale esterna alla quale un cuscinetto di backup in un gruppo precaricato di cuscinetti è completamente scaricato e il carico minimo richiesto non è più garantito.

In pratica, questo significa che con un angolo di contatto più contenuto di 25°, il cuscinetto di backup si scarica meno quando è sottoposto allo stesso carico esterno. Questo riduce drasticamente il rischio di cedimento prematuro dei cuscinetti, che a sua volta aumenta l’affidabilità operativa.

Deformazione e distribuzione delle forze in gruppi asimmetrici e precaricati di cuscinetti

I vantaggi di un gruppo asimmetrico di cuscinetti per quanto riguarda la distribuzione interna del carico possono essere illustrati con l’esempio di un gruppo precaricato di cuscinetti costituito da due cuscinetti obliqui a sfere in una disposizione a O e sottoposto a una forza assiale pura F (freccia rossa). Il cuscinetto con un angolo di contatto di 40° assorbe la forza assiale, mentre il cuscinetto con un angolo di contatto di 25° viene scaricato dalla forza assiale.

Nel sistema di coordinate è rappresentata la deformazione sull’asse x e la forza sull’asse y. La curva verde rappresenta il cuscinetto con un angolo di contatto di 25° e la curva blu rappresenta il cuscinetto con un angolo di contatto di 40°. La posizione 1 indica i rapporti di carico senza carico esterno. La posizione 2 indica i rapporti di carico con una forza assiale esterna F1 al livello della forza di distacco del cuscinetto con angolo di 40°. La posizione 3 indica i rapporti di carico con una forza assiale esterna F2 al livello della forza di distacco del cuscinetto con angolo di 25°.

Posizione 1: rapporti di carico dopo il montaggio senza carico esterno

All’intersezione tra le linee blu e verde (esattamente sull’asse y) non si applica alcuna forza esterna. Entrambi i cuscinetti sono caricati solo con il precarico impostato. In questo esempio si ipotizza una forza di precarico Fprecarico = 1 per semplificazione.

Posizioni 2 e 3 in generale: rapporti di carico quando viene applicata una forza assiale esterna oltre al precarico

Quando si applica una forza assiale esterna F in aggiunta al precarico, si deve passare dall’intersezione in centro a quella nella parte destra di questo diagramma. La forza F carica il cuscinetto con angolo di 40° (blu) oltre alla forza di precarico impostata, quindi la curva blu aumenta. Allo stesso tempo, la forza F scarica il cuscinetto con angolo di 25° (verde), quindi la curva verde diminuisce. Quando la curva verde raggiunge l’asse x, il precarico è esaurito e il cuscinetto è scaricato. Questo deve essere evitato a tutti i costi.

La curva grigia tratteggiata serve per il confronto con un cuscinetto di backup con angolo di 40°. Mostra la deformazione nel caso di un gruppo convenzionale di cuscinetti con angoli di contatto identici (40°+40°).

Posizione 2 nel dettaglio: forza F1 (40°) e forza F1 (25°)

Qui la differenza tra un gruppo convenzionale (40°+40°) e un gruppo asimmetrico (40°+25°) diventa particolarmente chiara. La forza esterna è esattamente la stessa in entrambi i casi (F1 (40°) = F1 (25°) = 2,8 x Fprecarico). Tuttavia, i gruppi di cuscinetti si deformano in modo diverso.

La forza F1 (40°) è rappresentata da una linea tratteggiata, la forza F1 (25°) da una linea continua. Con un gruppo convenzionale di due cuscinetti con angolo di 40° il punto della forza di distacco sarebbe già raggiunto. Questo si può vedere dalla curva grigia tratteggiata che mostra la deformazione di un cuscinetto di backup con angolo di 40° che interseca l’asse x. Qui il precarico è completamente esaurito (intersezione delle linee tratteggiate, riquadro giallo). Questo punto è circa 2,8 volte la forza di precarico.

Con il gruppo asimmetrico, tuttavia, nel cuscinetto rimane ancora un certo precarico quando si applica la stessa forza. In questo caso la curva verde è ancora sopra l’asse x (intersezione delle linee continue, riquadro giallo).

Posizione 3 nel dettaglio: forza F2

Qui è rappresentato il punto della forza di distacco per il cuscinetto di backup con angolo di 25°. Si noti che la forza F2 è decisamente maggiore della forza F1. In pratica, questo punto è circa 5,2 volte la forza di precarico. Ciò significa che il gruppo asimmetrico di cuscinetti può assorbire quasi il doppio delle forze assiali, rispetto a un gruppo omogeneo di cuscinetti, senza scaricare il cuscinetto di backup.

Il cuscinetto con angolo di 25° è quindi molto più adatto come cuscinetto di backup.

Conclusioni

La nuova generazione di cuscinetti obliqui a sfere di SKF con un angolo di 25° rappresenta una soluzione di cuscinetti di backup ideale. Soprattutto nelle applicazioni con una forza assiale predominante da una direzione si consiglia di includere un gruppo asimmetrico di cuscinetti nel progetto, per prevenire problemi legati al carico minimo non raggiunto e per evitare cedimenti prematuri dei cuscinetti.

Inoltre, i cuscinetti con un angolo di contatto di 25° si possono utilizzare anche in applicazioni in cui sono richieste velocità elevate e/o una maggiore rigidezza radiale.

Se usato correttamente, il gruppo di cuscinetti si può anche progettare con un precarico inferiore o un gioco assiale più elevato quando si impiegano cuscinetti con un angolo di contatto di 25°, che consente pressioni di contatto interne inferiori e quindi una maggiore durata del cuscinetto e un minore attrito.

Grazie all’ampliamento della gamma di cuscinetti obliqui a sfere con angolo di contatto di 25° di SKF per i progettisti si aprono nuove possibilità di fornire un’assistenza ottimale per moltissime applicazioni. Il servizio di consulenza tecnica di SKF può anche offrire consigli sulla scelta dei cuscinetti più adatti a specifici progetti.