Seguimi su:
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.
Sia i cuscinetti a sfere che quelli a rulli trovano impiego in una varietà di macchine con parti rotanti. Le loro caratteristiche contribuiscono spesso in modo significativo al progresso tecnologico ed economico in diversi settori dell'ingegneria. La standardizzazione dei cuscinetti consente di selezionare un modello direttamente dalla tabella dei cuscinetti presente nel catalogo del produttore. Aziende produttrici di cuscinetti come SKF , NTN , Timken , FAG, Schaeffler , Aubearing , ecc. sono fonti naturali di informazioni per la selezione. Nella maggior parte dei casi, un progettista può scegliere i cuscinetti standard più adatti al proprio progetto direttamente dal catalogo. La scelta di un modello diffuso e ampiamente utilizzato contribuisce a ottenere la massima funzionalità e a fornire la soluzione più economica.
Cuscinetti a sfera
I cuscinetti a sfere industriali sono utilizzati in una varietà di macchinari e attrezzature di produzione per ottenere un movimento rotatorio fluido ed efficiente. Il cuscinetto stesso è costituito da un anello esterno, un anello interno, una serie di sfere d'acciaio e una gabbia che mantiene le sfere distribuite uniformemente. Sia l'anello esterno che quello interno sono in genere realizzati con materiali estremamente resistenti, come acciaio o ceramica, e sono progettati per resistere ad alte velocità e carichi pesanti. Le sfere d'acciaio all'interno del cuscinetto forniscono punti di contatto a basso attrito tra l'anello interno e quello esterno, consentendo il movimento con una resistenza minima e riducendo la perdita di energia per attrito. La gabbia del cuscinetto serve a mantenere il corretto posizionamento delle sfere, impedire 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. Per ulteriori informazioni, consultare il nostro articolo di panoramica sui cuscinetti a sfere.
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 a sfere a gola profonda : 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 angolare presentano 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 sono in grado di compensare gli errori di allineamento. Possono sopportare carichi radiali, ma solo carichi assiali minimi.
Cuscinetti reggispinta a sfere : i cuscinetti reggispinta a sfere sono progettati per carichi assiali elevati e carichi radiali trascurabili.
Cuscinetti a sfera miniaturizzati : i cuscinetti a sfera miniaturizzati sono adatti per applicazioni di strumenti di precisione in cui lo spazio è limitato, come ad esempio nei micromotori.
Cuscinetti a sfere a doppia fila : i cuscinetti a sfere a doppia fila hanno due file di sfere e possono sopportare carichi maggiori.
Vantaggi dei cuscinetti a sfera
Basso coefficiente di attrito : il principale vantaggio di avere un'ampia area di contatto è che il cuscinetto a sfere subisce un attrito molto inferiore dovuto al movimento delle piste di rotolamento interne ed esterne. Ciò significa che la rotazione del componente avviene in modo molto fluido. Allo stesso modo, basta guardare un fidget spinner per capire quanto bene i cuscinetti a sfere gestiscano il movimento rotatorio. Pertanto, i cuscinetti a sfere sono la soluzione ideale in applicazioni in cui velocità e facilità d'uso sono prioritarie.
Resistenza a carichi radiali e assiali: un'altra caratteristica unica dei cuscinetti a sfera è la loro capacità di ruotare su più assi. Ciò significa che reagiscono non solo ai carichi radiali, ma anche a quelli assiali. Il modo in cui un cuscinetto a sfera ruota dipende dall'angolo del carico assiale. La versatilità dei cuscinetti a sfera li rende una scelta eccellente per apparecchiature che non sono soggette a standard rigorosi, come giocattoli o altri oggetti domestici.
Design compatto : richiedono meno spazio e possono essere utilizzati in locali di dimensioni ridotte.
Versatilità : Adatto a 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
Impossibilità di sopportare carichi elevati : sebbene i cuscinetti a sfere abbiano una superficie di contatto più piccola con il carico, il che significa che subiscono uno stress molto minore, ciò comporta anche una concentrazione del carico. In casi estremi, questo può causare la deformazione dei cuscinetti a sfere, precursore di un guasto completo. Pertanto, i cuscinetti a sfere sono generalmente utilizzati solo in applicazioni con carichi ridotti. Per le apparecchiature di livello industriale, si preferiscono i cuscinetti a rulli. Un tipo di cuscinetto a sfere, chiamato cuscinetto a sfere a pieno riempimento, riempie lo spazio tra le piste di rotolamento interne ed esterne con il maggior numero possibile di sfere. Questo tipo di cuscinetto può sopportare carichi maggiori distribuendo il carico sulle sfere. Tuttavia, anche i cuscinetti a sfere a pieno riempimento sono soggetti a usura a causa del frequente contatto tra le sfere adiacenti.
Durata : può deformarsi sotto carichi eccessivi, con conseguente riduzione della durata del cuscinetto.
Sensibilità : suscettibile a disallineamenti e 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 di dimensioni uniformi lungo tutta la loro lunghezza. Questi cuscinetti sono adatti a sopportare carichi radiali elevati e possono funzionare ad alte velocità. I cuscinetti a rulli cilindrici sono guidati tra flange sull'anello interno o esterno. Anche quando gli anelli liberi vengono rimossi, rimangono uniti agli anelli di guida grazie alla gabbia. Nel tipo più comune di cuscinetto a rulli cilindrici, l'anello libero non ha flangia, in modo che, entro certi limiti, gli anelli del cuscinetto possano spostarsi assialmente l'uno rispetto all'altro. Se il cuscinetto è in rotazione, questo spostamento avviene senza resistenza, a condizione che la velocità di spostamento sia relativamente bassa (ad esempio, lo 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 in combinazione con cuscinetti a sfere a contatto angolare ad alta velocità nei mandrini di macchine ad alta velocità.
Cuscinetti a rulli conici : I cuscinetti a rulli conici presentano rulli e piste di rotolamento conici, il che li rende ideali per mozzi di veicoli e altre applicazioni ad alto carico. I cuscinetti a rulli conici sono i cuscinetti a rulli più diffusi. Possono sopportare grandi forze assiali e radiali. I cuscinetti a rulli conici sono costituiti da un anello esterno e un anello interno, così come i cuscinetti a sfere. 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, costituendo solitamente 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 a rulli sferici : I cuscinetti a rulli sferici hanno una funzione di autoallineamento automatico e possono sopportare carichi radiali e assiali elevati. Sono ideali per applicazioni che comportano disallineamenti o flessioni 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 una capacità di carico.
Cuscinetti a rulli reggispinta : i cuscinetti a rulli reggispinta possono sopportare carichi assiali elevati e sono spesso utilizzati in macchinari pesanti come perforatrici ed estrusori.
Vantaggi dei cuscinetti a rulli
Capacità di sopportare carichi elevati : l'ampia superficie di contatto offerta dai cuscinetti a rulli consente loro di resistere a carichi maggiori senza deformarsi o rompersi. Questo rende i cuscinetti a rulli una scelta eccellente per le apparecchiature industriali progettate per sopportare carichi pesanti o per altre applicazioni in cui il margine di errore è minimo.
Varianti di progettazione : a differenza dei cuscinetti a sfera, la geometria dei rulli può variare a seconda del tipo di funzionamento. I rulli cilindrici standard sono progettati per carichi puramente radiali, offrendo una maggiore capacità di carico a scapito della capacità di gestire carichi assiali.
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.
Durabilità : Robusto e resistente, può sopportare carichi più pesanti senza deformarsi.
Meno sensibili : più resistenti ai carichi d'urto e ai disallineamenti rispetto ai cuscinetti a sfera.
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.
Soggetti a disallineamenti : i cuscinetti di qualsiasi tipo, siano essi a sfere o a rulli, presentano un piccolo gioco tra gli elementi del cuscinetto e le piste di rotolamento. Questo gioco interno consente agli elementi del cuscinetto di muoversi agevolmente lungo la pista. Tuttavia, ciò rende anche possibile che gli elementi del cuscinetto si discostino dalla loro posizione originale. I cuscinetti a sfere tollerano disallineamenti angolari. Questo è particolarmente vero per i cuscinetti a rulli. Mentre i cuscinetti a sfere possono gestire disallineamenti fino a 0.004 pollici, i cuscinetti a rulli cilindrici possono 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, il che li rende difficili e costosi da produrre.
Dimensioni: in genere più grandi e richiedono spazio per gli impianti.
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 entrambi. I cuscinetti a rulli sono generalmente utilizzati per carichi radiali elevati, mentre i cuscinetti a sfere sono impiegati per carichi più leggeri.
Requisiti di velocità : La velocità di rotazione dell'applicazione gioca un ruolo importante. I cuscinetti a sfera sono la prima scelta per le applicazioni ad alta velocità grazie alla loro bassa resistenza all'attrito. I cuscinetti a sfera sono generalmente più adatti per applicazioni che possono richiedere una rotazione ad alta velocità. Hanno un coefficiente di attrito inferiore durante l'avviamento e il funzionamento, il che significa che possono raggiungere velocità più elevate con minore 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.