I CUSCINETTI VOLVENTI

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3 DEFINIZIONE Il cuscinetto volvente, detto anche cuscinetto a rotolamento o semplicemente cuscinetto, è un elemento posizionato fra perno e sopporto, nel quale il movimento relativo tra parte rotante e parte fissa viene facilitato dall'interposizione di elementi rotanti (sfere, rulli cilindrici, rulli conici o a botte)

4 VOLVENTI VS RADENTI Rispetto ai cuscinetti radenti i cuscinetti volventi trasformano l'attrito radente (strisciamento tra superfici) in attrito volvente (rotolamento tra superfici),

5 VOLVENTI VS RADENTI Cuscinetti a rotolamento - attrito mediamente dieci volte più piccolo (fv = 0,001 0,002) e indipendente dalla velocità; - limitato attrito di primo distacco (attrito costante con la velocità); - minore riscaldamento del cuscinetto; - facile e rapida intercambiabilità (dimensioni unificate, controllo qualità,...; - ridottissima usura durante il funzionamento; - minori esigenze di rugosità dei perni - ingombro assiale minore - affidabilità

6 VOLVENTI VS RADENTI Cuscinetti a strisciamento -Tolleranze dimensionali e geometriche meno strette - Minori problemi di montaggio - Maggiore silenziosità nel tempo - Minore costo - Minore ingombro radiale - Assorbono meglio vibrazioni e urti

7 ELEMENTI DI UN CUSCINETTO

8 ELEMENTI DI UN CUSCINETTO

9 ELEMENTI DI UN CUSCINETTO

10 CLASSIFICAZIONE I cuscinetti volventi possono essere classificati : A seconda della forma del corpo volvente (sfere, rulli, rulli conici, rulli a botte, rullini) A seconda del carico che assorbono (radiale, assiale, misto) (CINEMATICA) - A seconda della orientabilità relativa degli anelli (RIGIDI O ORIENTABILI) - A seconda del numero delle corone di sfere o rulli: UNA o DUE Esistono poi numerose esecuzioni speciali per soddisfare casi particolari (schermati, INOX,..)

11 CLASSIFICAZIONE CINEMATICA

12 CLASSIFICAZIONE CINEMATICA

13 CLASSIFICAZIONE CINEMATICA

14 PRINCIPALI TIPI DI CUSCINETTI : RADIALI A SFERA Sono il modello più utilizzato. Questo tipo di cuscinetto è in generale non scomponibile. Essi possono sopportare, oltre al carico radiale, lievi carichi assiali ( Fa 10% Fr ). Adatti ad elevate velocità Modesta adattabilità angolare, le sedi devono essere ben allineate Possono avere, da uno o entrambi i lati, degli schermi di protezione Esempi applicativi: elettromotori, meccanica generale, trasmissioni industriali, pompe, macchine agricole

15 PRINCIPALI TIPI DI CUSCINETTI : OBLIQUI A SFERA I cuscinetti obliqui a sfere hanno le piste degli anelli interni ed esterni spostate l una rispetto all altra nella direzione dell asse del cuscinetto, il contatto tra sfere e piste avviene per costruzione lungo un asse obliquo rispetto all asse del cuscinetto. Sono stati concepiti per sopportare carichi combinati, cioè radiali ed assiali che agiscono contemporaneamente, la capacita di carico assiale aumenta al crescere dell angolo tra la linea che congiunge i punti di contatto fra la sfera e le piste e la perpendicolare all asse del cuscinetto. I cuscinetti del tipo ad una corona sono scomponibili Necessitano di battuta laterale sull albero e sull alloggiamento Esempi applicativi: riduttori, macchine agricole, pompe

16 PRINCIPALI TIPI DI CUSCINETTI : OBLIQUI A SFERA Il montaggio in coppia si adotta quando la capacità di carico di un singolo cuscinetto non è sufficiente (disposizione in tandem) oppure quando i carichi combinati o assiali agiscono in entrambi i sensi (montaggio ad O o ad X) Montaggio ad X (convergente) : Offre poca resistenza ad azioni ruotanti con asse ortogonale al piano del foglio (sistema poco rigido) Montaggio ad O (divergente) : Offre elevata resistenza ad azioni ruotanti con asse ortogonale al piano del foglio (sistema molto rigido poiché si allontanano i centri di spinta)

17 PRINCIPALI TIPI DI CUSCINETTI : ORIENTABILI A SFERA Reggono carichi radiali ed assiali. I cuscinetti radiali orientabili a sfere sono costituiti da due corone di sfere. L anello interno è costituito da due piste, ed è analogo a quello dei cuscinetti rigidi. L anello esterno ha invece un unica pista sferica che permette il corretto rotolamento del cuscinetto anche quando gli assi non coincidono. Sono cuscinetti non scomponibili. Esiste una versione con schermi a tenuta stagna. Sono impiegati quando possono verificarsi inflessioni abbastanza grandi o errori di allineamento (alberi Esempi applicativi: macchine agricole, chimica, pompe lunghi e sottili)

18 PRINCIPALI TIPI DI CUSCINETTI : ASSIALI A SFERA Esempi applicativi: Alberi verticali

19 PRINCIPALI TIPI DI CUSCINETTI : ASSIALI A SFERA MONTAGGIO CUSCINETTO ASSIALE

20 PRINCIPALI TIPI DI CUSCINETTI : ASSIALI ORIENTABILI A SFERA

21 PRINCIPALI TIPI DI CUSCINETTI : RADIALI A RULLI Esempi applicativi: trasmissioni industriali, presse meccaniche, elettromotori, pompe e compressori, motori di trazione e supporti per assali per veicoli su rotaia, acciaierie

22 PRINCIPALI TIPI DI CUSCINETTI : RADIALI A RULLI

23 PRINCIPALI TIPI DI CUSCINETTI : ORIENTABILI A RULLI I corpi volventi sono costituiti da rulli a botte, sopportano forti carichi radiali ed urti, capacita di carico assiale è limitata, Il loro utilizzo è indicato quando si prevedono disassamenti di lieve entità tra l albero e l alloggiamento, o in situazioni che comportino una sensibile flessione dell albero. I cuscinetti radiali orientabili a rulli possono essere ad una o più frequentemente a due corone di rulli. Esempi applicativi: macchine pesanti (per es. macchine per l edilizia e l industria estrattiva), laminatoi, trasmissioni, vibrovag

24 PRINCIPALI TIPI DI CUSCINETTI : A RULLI CONICI Esempi applicativi: trasmissioni, pompe, compressori

25 PRINCIPALI TIPI DI CUSCINETTI : A RULLI CONICI

26 PRINCIPALI TIPI DI CUSCINETTI : ASSIALI ORIENTABILI A RULLI Esempi applicativi: alberi verticali pesanti, macchine per stampo a iniezione

27 RIGIDI VS ORIENTABILI Cuscinetti orientabili Cuscinetti rigidi Occorre garantire perfetta coassialità tra perno e sede del supporto. Consentono una rotazione dell asse del perno rispetto all asse della sede esterna (disassamento dovuto a errori di montaggio, assestamento durante il funzionamento o inflessione di alberi molto lunghi). Le sedi devono essere vicine e possibilmente eseguite insieme

28 RIGIDI VS ORIENTABILI Nella scelta del cuscinetto occorre anche tenere presente le condizioni di installazione (disassamenti) Se il disassamento è costante, si possono adottare degli appoggi sferici a superficie continua sia sul cuscinetto sia sui supporti Se il disassamento è variabile si devono adottare dei cuscinetti di tipo orientabile L orientabilità è ottenuta tra gli anelli e i corpi volventi

29 CUSCINETTI A TENUTA Dotati di uno o due schermi laterali finalizzati a proteggere dalla polvere o a trattenere il lubrificante interno E' in generale non scomponibile e di solito possiedono degli schermi di protezione che hanno lo scopo di impedire l ingresso di detriti che potrebbero solcare le gole. Tali schermi possono essere : non a tenuta stagna (lasciano una luce radiale e vengono impiegati schermi in acciaio) a tenuta stagna (non viene lasciata una luce radiale e vengono impiegati degli schermi in gomma)

30 CUSCINETTI CON SCANALATURE Le scanalature, praticate sulla ralla esterna, consentono il bloccaggio assiale del cuscinetto mediante anello di ancoraggio i cuscinetti possono essere vincolati assialmente nell'alloggiamento mediante un anello di ancoraggio. In questo modo si ottiene una disposizione più compatta ed è possibile ridurre considerevolmente il tempo di montaggio.

31 CUSCINETTI CON FORO CONICO Consentono il bloccaggio assiale del cuscinetto mediante bussola di trazione senza bisogno di spallamento I cuscinetti con foro conico, montati direttamente su sedi coniche, di norma sono fissati sull'albero per mezzo di ghiere di bloccaggio Nel caso di alberi trafilati senza spalle incorporate l attrito tra l albero e la bussola determina la capacità di carico assiale del cuscinetto

32 LE SEDI Gli spallamenti devono essere proporzionati in base alla forma e alle dimensioni dell anello. I raccordi fra la sede e gli spallamenti devono avere un raggio minore di quello Se si fosse degli anelli, altrimenti questi ultimi non vincolati ad potranno assumere la giusta posizione avere l altezza Raggi troppo grandi Raggi unificati dello spallamento sensibilmente inferiore rispetto a quella richiesta, si possono utilizzare degli anelli ausiliari

33 LE SEDI Sugli alberi e negli alloggiamenti il passaggio dalla sede allo spallamento, oltre che con un raccordo, può essere realizzato con uno scarico

34 LE SEDI

35 LE SEDI Tolleranze sulle sedi ricavate sull albero (indicazioni di larga massima) IT5/2 IT6/2 IT7

36 BLOCCAGGIO DEI CUSCINETTI Il bloccaggio radiale dei cuscinetti è necessario per evitare rotazioni o scorrimenti degli anelli rispetto alle sedi. Lo scorrimento relativo può infatti portare a danneggiamento per usura degli anelli o delle sedi, ed in generale a malfunzionamenti. Il bloccaggio radiale dei cuscinetti si realizza montando gli anelli con un adeguato grado di interferenza. I fattori che influenzano il grado di interferenza da assegnare sono: Condizione di rotazione: Se l anello ruota rispetto alla direzione di applicazione del carico si parla di carico rotante, altrimenti di carico fisso, l anello soggetto a carico rotante deve sempre montarsi con interferenza. Se un anello sottoposto a carico rotante fosse montato libero tenderebbe a ruotare rispetto alla sede provocando l'usura delle superfici a contatto. Se la direzione del carico e indeterminata, in presenza di carichi di forte entità, entrambi gli anelli saranno montanti con interferenza. Entità del carico: Maggiore l entità del carico, maggiore l entità del forzamento richiesto. Gioco interno del cuscinetto: L entità del forzamento deve essere tale da non ridurre il gioco interno del cuscinetto al disotto di un valore critico. Cuscinetto assialmente libero: Nel montaggio di un cuscinetto assialmente libero l anello fisso rispetto al carico deve potersi muovere ed e quindi montato senza interferenza

37 MONTAGGIO CON INTERFERENZA DEI CUSCINETTI Carico rotante: quando il carico è fermo e l anello ruota o viceversa (tutti i punti dell anello sono soggetti al carico durante un giro) Carico fisso: quando anello e carico sono fissi Carico con direzione indeterminata: altre situazioni Gli anelli soggetti a carico rotante devono essere montati con interferenza; (nel caso di albero rotante: l anello interno dei cuscinetti. Regola: montare a caldo l'anello interno ad una temperatura di C.). I cuscinetti soggetti a carichi con direzione indeterminata devono avere entrambi gli anelli montati con interferenza. L interferenza non serve per bloccare assialmente i cuscinetti.

38 MONTAGGIO CON INTERFERENZA DEI CUSCINETTI

39 MONTAGGIO CON INTERFERENZA DEI CUSCINETTI

40 BLOCCAGGIO LATERALE DEI CUSCINETTI Regole essenziali (cuscinetti radiali) considerando due cuscinetti: Un cuscinetto deve essere ancorato assialmente e deve essere in grado di sostenere i carichi assiali L altro cuscinetto deve permettere gli spostamenti assiali dell albero, dovuti p.e. a dilatazioni termiche; lo spostamento può essere interno al cuscinetto (rulli senza orletti) o esterno al cuscinetto (fra anello e alloggiamento/albero) Þ accoppiamento libero

41 BLOCCAGGIO LATERALE DEI CUSCINETTI

42 BLOCCAGGIO LATERALE DEI CUSCINETTI : PERNI DI ESTREMITA' (a) è costituita da un dado filettato che blocca assialmente l anello interno. Tra il dado e l anello è posta una rosetta di lamiera con un dente sul bordo interno che entra in una apposita scanalatura dell albero, e, in genere, cinque denti sul bordo esterno, uno dei quali va ripiegato in corrispondenza di uno dei quattro intagli del dado. In tal modo, effettuato il serraggio, viene assicurata la posizione del dado. La soluzione (b) rappresenta un bloccaggio effettuato con dado e controdato. Quando però si è in presenza di sforzi assiali particolarmente elevati, e nel caso di cuscinetti con foro maggiore di 70 mm, conviene adottare la soluzione (c) costituita da una piastra assicurata frontalmente all estremità dell albero con tre viti, a loro volta assicurate con un lamierino di sicurezza.

43 BLOCCAGGIO LATERALE DEI CUSCINETTI Se l albero non termina in corrispondenza del cuscinetto, ma si prolunga oltre, si può adottare una soluzione come la (d), oppure se un altro elemento di macchina è montato vicino al cuscinetto si può bloccarlo con un distanziale (e). A volte si può bloccare l anello interno semplicemente con un anello elastico inserito in un apposita scanalatura dell albero, a condizione che questa scanalatura non pregiudichi la resistenza dell albero stesso

44 MONTAGGIO CUSCINETTI RADIALI

45 MONTAGGIO CUSCINETTI RADIALI Cuscinetto aperto tipo N l assenza di orletti sull anello esterno consente la dilatazione dell albero Cuscinetto tipo NJ La presenza di orletti sull anello esterno non consente la dilatazione dell albero Se entrambi i cuscinetti bloccassero assialmente l albero, le variazioni di temperatura, dando luogo a dilatazioni diverse tra albero e carcassa, indurrebbero delle sollecitazioni che deteriorerebbero la trasmissione in breve tempo

46 MONTAGGIO CUSCINETTI RADIALI

47 MONTAGGIO CUSCINETTI RADIALI Non reagisce a sollecitazioni assiali

48 MONTAGGIO CUSCINETTI RADIALI Nelle trasmissioni lunghe si fissa assialmente il cuscinetto alloggiato in uno dei supporti situati verso la mezzeria In quelle di lunghezza limitata si fissa il cuscinetto del sopporto radialmente più caricato Cuscinetto bloccato assialmente

49 MONTAGGIO CUSCINETTI RADIALI OBLIQUI Configurazione ad O: generalmente utilizzato per basse velocità di rotazione (n < 1000 rpm) o quando la sede ruota rispetto all'albero. Le dilatazioni assiali dell albero, conseguenti al riscaldamento, tendono a far diminuire il precarico. Inoltre, aumenta la possibilità di supportare momenti ribaltanti. La registrazione si effettua generalmente sull anello interno che perciò deve essere calettato a spinta (h6).

50 MONTAGGIO CUSCINETTI RADIALI OBLIQUI Configurazione ad X: particolarmente indicata per frequenze di rotazione elevate (n > 1000 rpm) o quando l'albero ruota rispetto alla sede. Al contrario del caso precedente, le dilatazioni assiali dell albero aumentano il precarico. La registrazione si effettua generalmente sull anello esterno

51 MONTAGGIO CUSCINETTI RADIALI OBLIQUI

52 RAPPRESENTAZIONE

53 RAPPRESENTAZIONE

54 RAPPRESENTAZIONE

55 RAPPRESENTAZIONE

56 RAPPRESENTAZIONE

57 CALCOLO : DURATA DI BASE L10 : numero di milioni di giri, a velocità costante, che il 90 % dei cuscinetti può garantire prima che si verifichi il primo segno di danneggiamento L10h : ore di funzionamento, a velocità costante, che il 90 % dei cuscinetti può garantire prima che si verifichi il primo segno di danneggiamento L10 = 60 * n * L10h/106

58 CALCOLO : DURATA DI BASE

59 CALCOLO : CAPACITA' DI CARICO La capacità di carico è una caratteristica tipica di ogni cuscinetto e viene espressa dal coefficiente di carico dinamico C e dal coefficiente di carico statico C o riportati nei cataloghi delle ditte costruttrici. Il coefficiente di carico dinamico C viene utilizzato nei calcoli dei cuscinetti sollecitati dinamicamente (cioè che ruotano sotto carico), ed esprime il carico sul cuscinetto a cui corrisponde una durata di base di di giri. Il coefficiente di carico statico Co viene utilizzato nei calcoli di cuscinetti sollecitati staticamente (cioè che ruotano a velocità molto basse o soggetti ad oscillazioni molto lente o a restare fermi sotto carico), ed esprime quel carico che produce sui corpi volventi e sulle piste una deformazione permanente pari a circa 1 / del diametro del corpo volvente.

60 CALCOLO : CARICO DINAMICO EQUIVALENTE P : carico dinamico equivalente È il carico gravante sul cuscinetto quando risulta costate in grandezza, direzione e verso P = X * F r + Y * Fa Fr : carico radiale effettivo [N] Fa : carico assiale effettivo [N] X : fattore relativo a carico radiale Y : fattore relativo a carico assiale X e Y sono tabellati per ogni tipo di cuscinetto C = P * (L10) 1/p p=3 p = 10/3 per cuscinetti a sfere per cuscinetti a rulli

61 CALCOLO : CARICO STATICO EQUIVALENTE P0 : carico statico equivalente È il carico gravante sul cuscinetto quando risulta costate in grandezza, direzione e verso P0 = X 0 * F r + Y 0 * F a Fr : carico radiale effettivo [N] Fa : carico assiale effettivo [N] X0 : fattore relativo a carico radiale Y0 : fattore relativo a carico assiale X0 e Y0 sono tabellati per ogni tipo di cuscinetto Eventuali altre condizioni sono fornite dalle ditte costruttrici

62 CALCOLO : CARICO STATICO EQUIVALENTE C 0 = P0 * s 0 s0 = coefficiente di sicurezza

63 CALCOLO

64 IL CEDIMENTO

65 LA LUBRIFICAZIONE Senza una adeguata lubrificazione i cuscinetti si deteriorano con grande rapidità Nei cuscinetti a rotolamento il lubrificante deve agire in piccole quantità. In caso contrario si genererebbero, per effetto del moto degli elementi rotolanti e della gabbia, dei moti vorticosi che causerebbero un rapido surriscaldamento La lubrificazione a grasso è normalmente preferita perché più semplice, sicura e bisognosa di minore sorveglianza Si deve usare l olio per velocità molto elevate e quando si abbia la necessità di far passare attraverso il cuscinetto l olio destinato alla lubrificazione di ingranaggi e simili. Si deve usare olio anche quando si ha l esigenza di raffreddare il supporto per mezzo di liquido circolante

66 LA LUBRIFICAZIONE Criterio di scelta del tipo di lubrificazione per d< 50mm (solo orientativo) d n d n > lubrificazione a grasso lubrificazione ad olio d diametro del foro del cuscinetto in mm n numero di giri al primo Per cuscinetti con foro più grande di 50 mm, il valore limite diminuisce approssimativamente secondo la relazione: d 50

67 LA LUBRIFICAZIONE Il tipo più comune di lubrificazione per basse velocità è quello cosiddetto a bagno d olio. Il principio è molto semplice: le parti in rotazione trascinano il lubrificante distribuendolo per tutto il supporto facendolo infine ricadere nel bagno. Il livello dell'olio, a riposo, deve essere leggermente al di sotto del centro del corpo volvente più basso. In caso contrario si creerebbero del. moti vorticosi che, ostacolando la rotazione provocherebbero un dannoso innalzamento della temperatura. Quando le velocità di regime sono particolarmente elevate, il sistema a bagno d'olio, non smaltendo una sufficiente quantità di calore, risulta inadeguato e si ricorre alla lubrificazione a circolazione d'olio. In tal caso il lubrificante, dopo essere passato attraverso il cuscinetto viene filtrato, eventualmente raffreddato, per poi di nuovo ritornare in ciclo. Per evitare l'introduzione di una quantità eccessiva d'olio è opportuno predisporre nel circuito di mandata un parzializzatore di portata.

68 IL CEDIMENTO : LO SFALDAMENTO Esaminare con cura un cuscinetto che è ceduto prematuramente ed analizzare le condizioni di lubrificazione e le condizioni di montaggio per individuare il processo che ha portato al cedimento è importante, per evitare che il danno si ripeta. Le cause probabili sono incuria nel montaggio, nella manipolazione o nella lubrificazione; struttura incompleta della tenuta; sottostima degli effetti termici Anche se lo sfaldamento su un cuscinetto appare inizialmente molto limitato, in poco tempo si estende notevolmente. Non è facile capire se lo sfaldamento è dovuto all invecchiamento del cuscinetto, che subisce inevitabilmente questo fenomeno nel normale funzionamento, oppure ad un carico anomalo. Oltre al carico anomalo, le cause di sfaldamento possono essere disallineamento, errori nella scelta del gioco del cuscinetto, problemi di lubrificazione ed una scarsa precisione dell alloggiamento.

69 IL CEDIMENTO : CRICCHE E ROTTURE La Figura 30 mostra una cricca dell orletto di ritegno dell anello interno di un cuscinetto a rulli conici. Questo fenomeno si verifica quando il cuscinetto è soggetto ad un carico assiale anomalo o ad un carico d urto, oppure quando viene applicata una forza anomala sull orletto di ritegno in fase di montaggio o smontaggio del cuscinetto. La cricca può essere dovuta all applicazione di un carico d urto molto intenso (Figura 31) e ad interferenza eccessiva.

70 IL CEDIMENTO : LA BRINELLATURA La brinellatura delle piste di rotolamento può verificarsi in seguito a manipolazione incauta o montaggio errato del cuscinetto, ingresso di particelle contaminanti o carico d urto elevato applicato quando il cuscinetto è stazionario. Questo danneggiamento si manifesta sulla spalla della gola della pista di rotolamento. Inoltre, un danneggiamento simile alla brinellatura può essere provocata da abrasione sulla zona di contatto fra i corpi volventi e la pista di rotolamento, a causa di vibrazioni o movimenti oscillatori. Questo fenomeno, detto anche falsa brinellatura, si riscontra frequentemente laddove il cuscinetto è già montato sulla macchina e quest ultima viene trasportata in maniera non adeguata (Figura 32).

71 IL CEDIMENTO : ABRASIONE In un cuscinetto a rulli si verificano cedimenti sulla superficie dell orletto o all estremità dei rulli in seguito all accumulo di piccoli grippaggi dovuti a lubrificazione insufficiente o detriti sulla superficie dell orletto o sull estremità dei rulli I fattori che conducono all usura sono l ingresso di detriti, la lubrificazione insufficiente ed un lubrificante inadeguato (Figura 35), oppure l infiltrazione d acqua che provoca un usura corrosiva sulla superficie di strisciamento o di rotolamento. Inoltre, la superficie dell albero può essere soggetta ad abrasione da strisciamento dovuta a montaggio inadeguato.

72 IL CEDIMENTO : USURA I fattori che conducono all usura sono l ingresso di detriti, la lubrificazione insufficiente ed un lubrificante inadeguato (Figura 35), oppure l infiltrazione d acqua che provoca un usura corrosiva sulla superficie di strisciamento o di rotolamento. Inoltre, la superficie dell albero può essere soggetta ad abrasione da strisciamento dovuta a montaggio inadeguato.

73 IL CEDIMENTO : RUGGINE La ruggine all interno del cuscinetto si forma in seguito all infiltrazione di umidità o all uso di un lubrificante inadeguato. La Figura 36 mostra un esempio di ruggine causata da lubrificazione insufficiente dovuta all infiltrazione di umidità. Sulla superficie dell albero può comparire polvere abrasiva rossastra, marrone o nera, fra albero/alloggiamento ed anello interno/esterno. L ossido si forma per ossidazione della superficie dell albero dovuta al minimo slittamento fra albero/alloggiamento ed anello interno/esterno che si verifica quando il contatto fra le due parti è insufficiente, spesso nelle zone soggette a vibrazioni o carichi elevati. Questo fenomeno, conosciuto come usura da strisciamento (o corrosione da contatto), può sembrare simile alla ruggine.

74 ESERCIZIO