I CUSCINETTI. asdf. Introduzione. 22 January 2012

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1 asdf I CUSCINETTI 22 January 2012 Introduzione I supporti sono gli elementi funzionali che sorreggono gli elementi rotanti e ne vincolano la posizione agli assi. I cuscinetti, invece, costituiscono la parte del supporto che è a contatto con l'elemento rotante; essi sono in genere vincolati al supporto ma sono costruiti con diverso materiale e con caratteristiche diverse atte a ridurre l'attrito al contatto. La seguente figura ritrae dei supporti con cuscinetti: esempio di supporti con cuscinetti In base all'attrito i cuscinetti si dividono in due categorie: cuscinetti a strisciamento o radenti; cuscinetti a rotolamento o volventi. Va poi considerato che vi sono anche cuscinetti atti a sopportare carichi in direzione I CUSCINETTI 1

2 radiale o assiale. Per i cuscinetti volventi c'è anche la possibilità di sopportare un carico misto, radiale più assiale, cioè obliquo. Cuscinetti a strisciamento I cuscinetti radenti radiali possono essere costruiti in un sol pezzo (boccole) o in due parti semicilindriche (gusci o bronzine). boccole autolubrificanti sinterizzate bronzine I materiali adoperati sono svariati e tutti caratterizzati da bassi coefficienti d'attrito oppure, qualora non siano abbastanza resistenti per sopportare da soli il carico, sono stratificati su un materiale più resistente. Il coefficiente di attrito fra le superfici in reciproco movimento può variare non solo in funzione del materiale ma anche del suo trattamento superficiale. Inoltre un notevole miglioramento del coefficiente di attrito si può conseguire con lubrificazione con olio o grasso, anche al fine di ridurre l'usura dovuta al contatto diretto delle superfici nonché per dissipare il calore. Un piccolo approfondimento sui lubrificanti... I lubrificanti possono essere di varia natura: solida, liquida o gassosa. I più diffusi sono quelli liquidi (acqua, siliconi, etc..). Esempi di lubrificanti solidi sono la grafite, il solfuro di molibdeno, la steatite, il sapone e anche la polvere di vetro nonché alcune materie plastiche. Esempi di lubrificanti gassosi sono l'aria, l'azoto e l'ossigeno. Le caratteristiche di un lubrificante dipendono dalla sua natura fisico-chimica, anche se un parametro particolarmente tenuto in considerazione è la viscosità. I CUSCINETTI 2

3 In linea generica la viscosità può essere definita come un indice dell'attrito interno del lubrificante, cioè della forza che occorre a far scorrere gli strati di lubrificante, che posti tra le superfici, uno sull'altro. Il lubrificante è costituito infatti da strati in movimento uno rispetto all'altro e la viscosità diminuisce al crescere della temperatura. Se le superfici in moto relativo non sono parallele, lo spessore dello strato di lubrificante varia tra l'ingresso e l'uscita e quindi accade che è il lubrificante stesso a generare una forza perpendicolare alla superficie mobile, "conquistando" una capacità portante (portanza idrodinamica). Il fenomeno, appena descritto, che vede cioè uno strato di fluido in grado di sorreggere un carico in determinate condizioni è spiacevolmente sperimentabile quando un pneumatico di un autoveicolo, su una strada su cui sia presente un velo d'acqua, bloccandosi per una frenata, presenta nella zona pneumatico-terreno una sorta di "intercapedine" con spessore variabile e quindi il veicolo perde aderenza galleggiando con traiettorie improvvise. E' il caso dell'aquaplaning. hydroplane...per tornare ai cuscinetti Ad esempio, nei cuscinetti idrodinamici è lo strato di lubrificante che ricopre la funzione di cuscinetto. Grande importanza assumono le posizioni e le velocità relative da cui dipendono le capacità di sostenere un carico. I CUSCINETTI 3

4 cuscinetto idrodinamico radiale a segmenti inclinabile Per la valutazione dei cuscinetti sono rilevanti il prodotto pv (p è la pressione specifica esercitata dal perno sul supporto, v è la velocità periferica) e il rapporto L / D tra la lunghezza della zona di contatto e il diametro; per cui si parla di cuscinetto corto, medio o lungo a seconda che i rapporti siano rispettivamente minori, uguali o maggiori di 1. La seguente curva ritrae la capacità di carico di cuscinetti radenti in funzione del rapporto L / D: Un altro gruppo di cuscinetti in cui il fluido sostiene le parti in movimento è quello I CUSCINETTI 4

5 dei cuscinetti idrostatici, in cui il lubrificante è iniettato tra il perno ed il supporto da una pompa esterna ed è mantenuto ad una pressione tale da sostenere il carico. cuscinetti idrostatici per mandrino Le superfici portanti presentano un determinato numero di camere di pressione, dette pozzetti o alveoli, e delimitate da diaframmi. L'olio in pressione è iniettato in queste camere e defluisce poi a partire dalle estremità attraverso il gioco radiale tra perno e superficie dei diaframmi; la pressione di alimentazione è il triplo (circa) della pressione portante. Si possono avere cuscinetti radiali anche per spinte assiali; qualora si volessero avere supporti assiali idrodinamici, le superfici portanti non possono essere parallele tra di loro giacché non si verrebbe a creare quello strato di lubrificante che occorre per la portanza idrodinamica (vista prima) e quindi si ricorre a delle superfici che hanno dei settori ad inclinazione variabile. Alcuni di questi cuscinetti sono standardizzati; vi sono anche cuscinetti idrostatici lineari (slitte). Anche se i cuscinetti idrostatici sono costosi da gestire ma anche da costruire, essi sono utilizzati grazie a: precisione di rotazione fino all'ordine di 1μm; elevata capacità di carico; assenza di attrito; usura quasi nulla. Da quanto espresso, si deduce come l'applicazione di cuscinetti radenti risulti laboriosa giacché è richiesto un calcolo ad hoc dei vari parametri e come (e perché) si faccia ricorso ad elementi normalizzati sono nelle "situazioni" più semplici. I CUSCINETTI 5

6 Motivo per cui spesso si ricorre all'utilizzo più semplice dei cuscinetti volventi che, rispetto a quelli lisci, presentano le seguenti caratteristiche in più: riduzione della potenza consumata per attrito; lubrificazione ridotta al minimo con eliminazione delle cause di grippaggio; eliminazione di continue registrazioni 8richieste invece dai cuscinetti radenti); calcoli da effettuare più semplici e più semplici sono anche le operazioni di verifica. Fra gli svantaggi va ricordata anche l'impossibilità di utilizzo in caso di carichi molto molto elevati a causa del valore raggiunto dalle pressioni al contatto tra i corpi rotolanti e le piste, e, dalla parte opposta, il funzionamento migliore dei cuscinetti a strisciamento nelle applicazioni ad altissima velocità, grazie all'assenza di corpi dotati di inerzia e frequenza proprie da portare in rotazione. Va infine ricordato che mentre nei cuscinetti radenti la lubrificazione è fondamentale perché il lubrificante crea la portanza del cuscinetto, in quelli a rotolamento serve a proteggere dall'ossidazione le superfici delle piste e degli organi di rotolamento. Cuscinetti volventi I cuscinetti volventi sono perlopiù formati da due anelli: uno esterno che va alloggiato in una sede opportuna ed uno interno che va posizionato sul perno o l'albero: fra i due anelli sono posti i corpi volventi, sfere o rulli, distaccati tra loro dalla gabbia distanziatrice. Nella figura che segue sono ritratti gli elementi e le dimensioni caratteristiche di un cuscinetto a sfere: I CUSCINETTI 6

7 Le dimensioni normalizzate dei cuscinetti sono D,d,B e il raggio di raccordo r che va considerato quando si predispongono le sedi del montaggio. La normalizzazione I CUSCINETTI 7

8 prevede varie serie dimensionali che vanno da extra-leggera a pesante, in cui a parità di D o d, aumenta il valore (D d). Rispetto ai cuscinetti radenti quelli volventi hanno un attrito costante anche se si variano le velocità di rotazione, la costanza delle dimensioni e del posizionamento dell'asse del perno rispetto alla sede, lubrificazione semplice e perdita minore di potenza e quindi una minore usura. D'altro canto presentano limiti alla velocità di rotazione, alla capacità di carico ed un maggiore ingombro radiale rispetto ai cuscinetti radenti. In precedenza abbiamo accennato ad una distinzione dei cuscinetti in radiali, assiali ed obliqui; essi possono essere distinti anche in rigidi e orientabili. Un'altra distinzione considera gli elementi volventi adoperati. Nella seguente tabella vediamo vari tipi di cuscinetti volventi radiali: rigido a sfere rigido a due corone di sfere I CUSCINETTI 8

9 rigido a rulli a rullini a rullini senza anello interno I CUSCINETTI 9

10 orientabile a doppia corona di sfere orientabile a doppia corona di rulli a botte I cuscinetti a rulli riescono a sopportare carichi superiori a quelli sopportabili dai tipi a sfere a parità di ingombro radiale. Per migliorare la capacità di carico si possono affiancare, come visto, due corone di sfere o rulli. Per ridurre l'ingombro si ricorre ai rullini. Nella seguente tabella sono presentati invece i cuscinetti obliqui: I CUSCINETTI 10

11 a sfere a rulli conici a doppia corona di sfere I CUSCINETTI 11

12 Come si vede, per i carichi obliqui si può ricorrere anche a rulli conici: questi cuscinetti sono scomponibili e tendono ad allontanare assialmente gli anelli sotto carico e quindi occorrono delle registrazioni adeguate. Cuscinetti assiali Nel caso di spinte assiali, si ricorre ai cuscinetti assiali o reggispinta: gli anelli o ralle portano le piste di rotolamento ricavate sulle facce laterali tra cui rotolano le sfere ed uno di essi ha un diametro interno di poco minore poiché destinato al fissaggio sull'albero rotante, che invece deve passare liberamente nell'altro. Tali cuscinetti, oltre a non posizionare l'asse di rotazione, funzionano in un verso solamente: per sopportare delle spinte assiali in entrambi i versi sono necessari i cuscinetti a doppio effetto. Esistono forme orientabili anche per i cuscinetti assiali, basate su ralle sdoppiate al fine di realizzare un appoggio sferico o basate anche su rulli conici sagomati in modo adeguato per ruotare su un segmento sferico e quindi capace di consentire spostamenti angolari tra gli assi delle due ralle. Vediamo una rassegna dei cuscinetti assiali in questa tabella: rigido a semplice effetto I CUSCINETTI 12

13 orientabile a doppio effetto orientabile a rulli Va infine precisato che accanto ai cuscinetti appartenenti alle categorie fondamentali finora viste esistono svariate tipologie di cuscinetti particolari, realizzati con caratteristiche adeguate a determinate applicazioni, per i quali si rimanda alla consultazione dei cataloghi. Nella tabella che segue sono presentati solo alcuni di questi cuscinetti particolari: assiale a rulli I CUSCINETTI 13

14 combinato a sfere a quattro contatti (per spinte oblique nei due sensi) a rulli incrociati (per forti carichi obliqui e basse velocità) I CUSCINETTI 14

15 Bibliografia Disegno tecnico industriale - Chirone, Tornincasa. Estratto da " index.php?title=userspages:asdf:supporti-e-cuscinetti-una-breve-rassegna" I CUSCINETTI 15