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Cuscinetti a sfere vs Cuscinetti a rulli, quale?
I cuscinetti sono componenti critici in quasi tutte le macchine, poiché le aiutano a funzionare senza intoppi riducendo l'attrito tra le parti mobili. Esistono molti tipi di cuscinetti (la leggenda narra che ne esistano 470,000 tipi), ciascuno progettato per gestire diverse condizioni di carico. Questo articolo si concentra sui due tipi principali: cuscinetti a sfere e cuscinetti a rulli. Basandosi su molti anni di esperienza nella produzione di cuscinetti, Aubearing spiega i loro diversi design e li confronta, fornendo consigli costruttivi su come sceglierli.
Entrambi cuscinetti a sfera e dell' cuscinetti a rulli sono utilizzati in una varietà di macchine con parti rotanti. Le loro proprietà spesso contribuiscono in modo significativo al progresso tecnologico ed economico in diversi campi dell'ingegneria. La standardizzazione dei cuscinetti consente di selezionare un design direttamente dalla tabella dei cuscinetti nel catalogo dei cuscinetti del produttore. Aziende produttrici di cuscinetti come SKF, NTN, Timken, FAG, Schaeffler, Aubearing, ecc. sono fonti naturali di informazioni sulla selezione. Nella maggior parte dei casi, un progettista può selezionare i prodotti con cuscinetti a magazzino per il suo progetto direttamente dal catalogo. La scelta di un design popolare e ampiamente utilizzato aiuta a raggiungere un'usabilità ottimale e fornisce la soluzione più economica.
I cuscinetti a sfere industriali vengono utilizzati in una varietà di macchinari e apparecchiature di produzione per ottenere un movimento rotatorio fluido ed efficiente. Il cuscinetto stesso è costituito da un anello esterno, un anello interno, un set di sfere in acciaio e una gabbia che mantiene le sfere uniformemente distribuite. Sia l'anello esterno che quello interno sono generalmente realizzati con materiali estremamente durevoli, come acciaio o ceramica, e sono progettati per resistere a velocità elevate e carichi pesanti. Le sfere d'acciaio all'interno del cuscinetto forniscono punti di contatto a basso attrito tra gli anelli interno ed esterno, consentendo il movimento con una resistenza minima e riducendo l'energia persa per attrito. La gabbia del cuscinetto serve a mantenere il corretto posizionamento delle sfere, evitare che entrino in contatto tra loro e garantire una distribuzione uniforme del carico. Il movimento di rotolamento è soggetto a carichi assiali e radiali. I cuscinetti a sfere sono comunemente utilizzati in applicazioni ad alta velocità come motori elettrici e riduttori. Consulta il nostro articolo sulla panoramica dei cuscinetti a sfere per informazioni.
Tipo con cuscinetto a sfere
Esistono due tipi base di cuscinetti a sfere, a corona singola o doppia. I più popolari sono i cuscinetti a sfere a gola profonda a corona singola, costituiti da una fila di sfere che viaggiano in un unico percorso di scanalatura. I cuscinetti a sfere a doppia corona sono costituiti da due corone di sfere in due serie di piste scanalate. Sia i cuscinetti a sfere a corona singola che a doppia corona sono composti da anelli interni, anelli esterni, sfere e gabbie. Entrambi i tipi di cuscinetti possono sopportare carichi radiali e assiali elevati. I cuscinetti a sfere con gola profonda sono disponibili sia per applicazioni a bassa che ad alta velocità, a seconda della classe di tolleranza, della lubrificazione, del gioco interno e del tipo di tenuta o protezione selezionata. L'elenco seguente illustra i vari tipi di cuscinetti a sfere, ciascuno con caratteristiche uniche e usi specifici. Questi cuscinetti sono fondamentali in numerose applicazioni tra cui strumenti di precisione, micromotori, scatole del cambio e mozzi delle ruote.
Cuscinetti radiali a sfere: I cuscinetti a sfere a gola profonda sono il tipo più comune. Possono sopportare carichi radiali e assiali.
Cuscinetti a sfere a contatto angolare: I cuscinetti a sfere a contatto obliquo hanno un gioco assiale interno superiore alla media. Possono sopportare carichi assiali in una direzione e carichi radiali moderati.
Cuscinetti a sfere autoallineanti: I cuscinetti a sfere autoallineanti possono correggere gli errori di allineamento. Possono sopportare carichi radiali ma possono sopportare carichi assiali minimi.
Cuscinetti assiali a sfere: I cuscinetti assiali a sfere sono progettati per carichi assiali elevati e carichi radiali trascurabili.
Cuscinetti a sfere in miniatura: I cuscinetti a sfere in miniatura sono adatti per applicazioni di strumenti di precisione in cui lo spazio è limitato, come i micromotori.
Cuscinetti a doppia corona di sfere: I cuscinetti a sfere a doppia corona hanno due corone di sfere e possono sopportare carichi più elevati.
Vantaggi dei cuscinetti a sfera
Basso coefficiente di attrito: Il vantaggio principale di avere un'ampia area di contatto è che il cuscinetto a sfere subisce molto meno attrito a causa del movimento delle piste interne ed esterne. Ciò significa che la rotazione della parte avviene in modo molto fluido. Allo stesso modo, dobbiamo solo guardare un fidget spinner per capire quanto bene i cuscinetti a sfera gestiscono il movimento rotatorio. Pertanto, i cuscinetti a sfere rappresentano la soluzione da scegliere nelle applicazioni in cui la velocità e la facilità di funzionamento sono una priorità.
Può sopportare carichi radiali e di spinta: Un'altra caratteristica unica dei cuscinetti a sfera è che possono ruotare su più assi. Ciò significa che reagiscono non solo ai carichi radiali, ma anche ai carichi assiali. Il modo in cui ruota un cuscinetto a sfere dipende dall'angolo del carico di spinta. La versatilità dei cuscinetti a sfera li rende una scelta eccellente per attrezzature che non vengono utilizzate secondo standard rigorosi, come giocattoli o altri oggetti in casa.
Design compatto: Richiedono meno spazio e possono essere utilizzati in stabilimenti più piccoli.
Versatilità: Adatto per carichi radiali e assiali (di spinta).
Bassa manutenzione: Hanno una lunga durata in applicazioni con bassi carichi assiali e richiedono meno manutenzione.
Svantaggi dei cuscinetti a sfera
Incapacità di sostenere pesi elevati: Sebbene i cuscinetti a sfere abbiano un'area di contatto con il carico più piccola, il che significa che subiscono molto meno stress, ciò significa anche che il carico si concentra. In casi estremi, ciò può causare la deformazione dei cuscinetti a sfera, precursore del completo guasto. Pertanto, i cuscinetti a sfere vengono solitamente utilizzati solo in applicazioni con carichi minori. Per le apparecchiature di livello industriale, sono preferibili i cuscinetti a rulli. Un tipo di cuscinetto a sfere, chiamato cuscinetto a sfere a pieno riempimento, riempie lo spazio tra le piste interne ed esterne con il maggior numero possibile di sfere. Questo tipo di cuscinetto può sopportare carichi più elevati distribuendo il carico sulle sfere. Tuttavia, i cuscinetti a pieno riempimento di sfere sono anche soggetti ad usura a causa del frequente contatto tra sfere adiacenti.
La durabilità: Potrebbe deformarsi sotto carichi eccessivi, con conseguente riduzione della durata dei cuscinetti.
Sensibilità: suscettibile al disallineamento e ai carichi d'urto.
I cuscinetti a rulli hanno elementi volventi cilindrici o conici. Questo tipo di cuscinetto è progettato per sopportare carichi radiali pesanti grazie alla maggiore area di contatto tra rulli e piste.
Tipo con cuscinetto a rulli
L'elenco seguente illustra i vari tipi di cuscinetti a rulli con caratteristiche diverse e applicazioni specifiche. Questi cuscinetti svolgono un ruolo fondamentale in vari scenari come ruote di veicoli, macchinari pesanti e applicazioni che richiedono un'elevata capacità di carico. Leggi il nostro articolo sulla panoramica dei cuscinetti a rulli per saperne di più.
Cuscinetti a rulli cilindrici: I cuscinetti a rulli cilindrici sono dotati di rulli cilindrici dimensionati uniformemente lungo la loro lunghezza. Questi cuscinetti sono adatti a sopportare carichi radiali pesanti e possono funzionare a velocità elevate. I cuscinetti a rulli cilindrici sono guidati tra le flange dell'anello interno o esterno. Anche quando gli anelli liberi vengono rimossi, questi restano tenuti insieme agli anelli guida dalla gabbia. Nel tipo più comune di cuscinetto a rulli cilindrici, l'anello libero non ha flangia, per cui entro certi limiti gli anelli del cuscinetto possono spostarsi assialmente l'uno rispetto all'altro. Se il cuscinetto ruota, questo spostamento avverrà senza resistenza, a condizione che la velocità di spostamento sia relativamente lenta (ad esempio spostamento dovuto alla dilatazione termica dell'albero). Il basso attrito dei cuscinetti a rulli cilindrici li rende adatti a velocità relativamente elevate e vengono spesso utilizzati insieme ai cuscinetti a sfere a contatto obliquo per alta velocità nei mandrini delle macchine ad alta velocità.
Cuscinetti a rulli conici: I cuscinetti a rulli conici sono dotati di rulli e piste coniche, che li rendono ideali per i mozzi dei veicoli e altre applicazioni ad alto carico. I cuscinetti a rulli conici sono i cuscinetti a rulli più utilizzati. Possono sopportare grandi forze assiali e radiali. I cuscinetti a rulli conici sono costituiti da un anello esterno e da un anello interno, mentre i cuscinetti a sfere sono costituiti da un anello esterno e da un anello interno. I rulli conici possono essere assemblati in cartucce, ma nella loro forma più semplice sono due componenti separati, mentre i cuscinetti a sfere possono essere separabili, il che di solito costituisce un'unità autonoma.
I cuscinetti a rulli conici utilizzano rulli conici diritti le cui facce terminali sono in contatto con la flangia di guida sull'anello interno. Il percorso del rullo conico e quello dell'anello interno hanno un vertice comune sull'asse del cuscinetto. L'anello esterno è progettato con una generatrice del percorso dei rulli leggermente curva per evitare il carico sui bordi dei rulli. Sebbene la distanza tra i rulli e l'anello esterno sia ridotta, la sollecitazione dell'anello esterno è inferiore a quella dell'anello interno. La flangia di guida dell'anello interno ha una superficie sferica contro la quale premono le estremità sferiche dei rulli. Come nel caso dei cuscinetti sferici, la pressione sulla flangia guida efficacemente i rulli. Alcuni produttori come Timken, FAG, NTN e SKF realizzano le facce terminali dei rulli piane e le facce della guida della flangia coniche. Le estremità del rullo entrano in contatto con la flangia del rullo solo in due punti.
Poiché i cuscinetti a rulli conici sono separabili, solitamente sono montati uno di fronte all'altro in modo che un cuscinetto possa adattarsi all'altro. Dopo la regolazione, nel cuscinetto rimarrà sempre un piccolo spazio. Le variazioni di temperatura nell'albero influiscono su questa regolazione e quindi sul gioco dei cuscinetti. Pertanto, i cuscinetti a rulli conici ad una corona vengono solitamente utilizzati solo quando la distanza è breve. I cuscinetti a rulli conici hanno un'elevata capacità di carico radiale e una capacità di carico assiale in una direzione. La capacità di spinta dipende dall'angolo dei rulli. Come misura di questo angolo (angolo di contatto), è tipicamente compreso tra 12 e 16 gradi. Alcuni cuscinetti a rulli conici per carichi pesanti hanno angoli di contatto di 28-30 gradi.
In molte applicazioni, i cuscinetti a rulli conici vengono utilizzati in coppie “dorso a dorso” per supportare le forze assiali equamente in entrambe le direzioni. I cuscinetti a rulli conici sono ampiamente utilizzati nei cuscinetti delle ruote automobilistiche per sostenere carichi radiali e assiali. I cuscinetti a rulli conici sono comunemente utilizzati nelle applicazioni pesanti. Molti settori diversi tra cui attrezzature agricole, edili e minerarie, sistemi di assali, cambi, motori e riduttori, alberi di trasmissione, boccole ferroviarie, differenziali, turbine eoliche e tutti i tipi di rimorchi.
Cuscinetti orientabili a rulli: I cuscinetti orientabili a rulli hanno una funzione di autoallineamento automatico e possono sopportare carichi radiali e assiali pesanti. Sono ideali per applicazioni che comportano disallineamento o deflessione dell'albero.
Cuscinetti a rullini: I cuscinetti a rullini hanno rulli sottili e lunghi e sono adatti per applicazioni in cui lo spazio radiale è limitato ma è richiesta capacità di carico.
Cuscinetti assiali a rulli: I cuscinetti reggispinta a rulli possono sopportare grandi carichi assiali e sono spesso utilizzati in macchinari pesanti come impianti di perforazione ed estrusori.
Vantaggi dei cuscinetti a rulli
Sopportare carichi pesanti: L'ampia area di contatto fornita dai cuscinetti a rulli consente loro di sopportare carichi maggiori senza deformazioni o guasti. Ciò rende i cuscinetti a rulli una scelta eccellente per apparecchiature industriali progettate per trasportare carichi pesanti o altre applicazioni in cui c'è poco spazio per i guasti.
Disegni di varianti: Contrariamente ai cuscinetti a sfere, la geometria dei rulli può variare a seconda del tipo di funzionamento. I rulli cilindrici standard sono progettati per carichi puramente radiali, fornendo una maggiore capacità di carico a scapito della capacità di gestire eventuali carichi di spinta.
I cuscinetti a rullini sono una leggera variazione dei rulli cilindrici con un diametro molto più piccolo. Viene utilizzato in applicazioni in cui lo spazio radiale è ridotto. Anche i rullini forniscono un'ampia area di contatto, ma generano molto attrito e vibrazioni perché ruotano molto velocemente. Pertanto, può essere utilizzato solo in apparecchiature che funzionano a basse velocità e possono sopportare grandi quantità di vibrazioni.
I cuscinetti a rulli conici sono rastremati su un'estremità anziché essere un cilindro diritto su tutta la superficie. Ciò consente ai cuscinetti a rulli di sopportare carichi di spinta limitati. Il rapporto tra carico radiale e carico assiale che un rullo conico può sopportare è determinato dall'angolo del rullo. È accettabile un'inclinazione fino a 30 gradi, ma la maggior parte dei rulli conici ha angoli compresi tra 10 e 16 gradi.
La durabilità: Robusto e durevole, può sopportare carichi più pesanti senza deformarsi.
Meno sensibile: resistente ai carichi d'urto e al disallineamento rispetto ai cuscinetti a sfere.
Svantaggi dei cuscinetti a rulli
Capacità limitata di gestire carichi di spinta: sebbene esista la possibilità di utilizzare versioni coniche, resta il fatto che i cuscinetti a rulli non sono progettati principalmente per carichi di spinta. Pertanto, il movimento consentito dai cuscinetti a rulli è limitato. Ciò riduce la versatilità dei cuscinetti a rulli, il che spiega perché sono meno visibili negli ambienti domestici.
incline al disallineamento: I cuscinetti di qualsiasi tipo, siano essi a sfere o a rulli, presentano un piccolo gioco tra gli elementi del cuscinetto e le piste. Questo gioco interno consente agli elementi del cuscinetto di muoversi agevolmente lungo la pista. In questo modo però è anche possibile che gli elementi portanti si discostino dalla loro posizione originaria. I cuscinetti a sfere tollerano il disallineamento angolare. Ciò è particolarmente vero per i cuscinetti a rulli. Mentre i cuscinetti a sfere possono sopportare un disallineamento fino a 0.004 pollici, i cuscinetti a rulli cilindrici potrebbero già avere difficoltà a ruotare quando il disallineamento supera 0.001 pollici. Ciò significa che i cuscinetti a rulli devono essere progettati con maggiore precisione, rendendone difficile e costosa la produzione.
Misura Tipicamente più grandi e richiedono spazio meccanico.
Manutenzione: potrebbe essere necessaria una manutenzione frequente, soprattutto nelle applicazioni ad alta velocità a causa dell'aumento dell'attrito.
La differenza tra cuscinetti a sfere e cuscinetti a rulli
Sia i cuscinetti a sfere che quelli a rulli sono progettati per ridurre l'attrito rotazionale supportando carichi radiali e assiali. La differenza fondamentale tra cuscinetti a rulli e cuscinetti a sfere risiede nella loro struttura di base. La differenza principale tra cuscinetti a rulli e cuscinetti a sfere è che l'elemento volvente è un rullo o una sfera. Quando si confrontano cuscinetti a sfere e cuscinetti a rulli, entrano in gioco diversi fattori.
Grazie al loro basso coefficiente di attrito, i cuscinetti a sfere sono generalmente adatti per applicazioni che richiedono un funzionamento ad alta velocità.
I cuscinetti a rulli hanno un'ampia area di contatto e sono ideali per applicazioni con carichi radiali pesanti.
A causa dell'area di contatto più piccola, la capacità di carico dei cuscinetti a sfere è inferiore a quella dei cuscinetti a rulli.
I cuscinetti a sfere si deformano meno sotto carico, rendendoli adatti per applicazioni di precisione.
Criteri di selezione
La scelta del cuscinetto corretto per un'applicazione specifica è fondamentale per garantire prestazioni e durata di servizio ottimali. I criteri di selezione si basano principalmente sui seguenti due criteri:
Tipo di carico e capacità: I cuscinetti devono essere in grado di sopportare carichi specifici, siano essi radiali, assiali o una combinazione di carichi. I cuscinetti a rulli vengono generalmente utilizzati per carichi radiali pesanti, mentre i cuscinetti a sfere vengono utilizzati per carichi più leggeri.
Requisito di velocità: La velocità di esecuzione dell'applicazione gioca un ruolo importante. I cuscinetti a sfere sono la prima scelta per le applicazioni ad alta velocità grazie alla loro bassa resistenza all'attrito. I cuscinetti a sfere sono generalmente più adatti per applicazioni che possono richiedere una rotazione ad alta velocità. Hanno un coefficiente di attrito più basso durante l'avvio e il funzionamento, il che significa che possono raggiungere velocità più elevate con meno resistenza.
I cuscinetti a rulli, invece, sono più adatti per applicazioni che richiedono capacità di carico più elevate. Questo perché il contatto lineare (al contrario del contatto puntuale nei cuscinetti a sfere) consente un'ampia distribuzione del carico sul cuscinetto. In termini di efficienza, i cuscinetti a sfera tendono ad avere un leggero vantaggio nel ridurre al minimo l’attrito alle alte velocità. Tuttavia, grazie al loro design, i cuscinetti a rulli possono gestire in modo efficiente carichi maggiori.
Conclusione
I cuscinetti vengono utilizzati da decenni e sono senza dubbio uno dei componenti tecnici più importanti in ambienti industriali, commerciali e domestici. Forniscono un movimento rotatorio regolare e coerente e prevengono l'usura causata dall'attrito. Cuscinetti a sfere e vari tipi di cuscinetti a rulli sono tutto ciò di cui si ha bisogno per fornire un collegamento rimovibile tra i componenti che devono ruotare lungo qualsiasi asse.