Il dimensionamento dei cuscinetti è un processo cruciale nella progettazione meccanica, poiché garantisce il corretto funzionamento e la durata nel tempo dei componenti rotanti. Un cuscinetto deve essere scelto in base a diversi fattori, tra cui il carico applicato, la velocità di rotazione, la lubrificazione e le condizioni ambientali. Questo articolo mira a dare una panoramica sui principi fondamentali del dimensionamento dei cuscinetti, le principali formule utilizzate e le considerazioni di progettazione.
di Franco Concli
Tipologie di Cuscinetto
In primis è fondamentale distinguere le tre macro-classi di cuscinetti esistenti. I cuscinetti volventi sono sicuramente la tipologia di cuscinetti più diffusa. Il funzionamento si basa sulla presenza di corpi volventi, tra cui sfere, rulli, botti ecc. La seconda classe di è quella dei cuscinetti a strisciamento. Questa soluzione non prevede, tra la parte rotante e quella statica, la presenza di corpi volventi. La portanza è data semplicemente dalla presenza di un lubrificante che formerà un meato di supporto. Infine, vanno menzionati i cuscinetti magnetici, anche se la loro diffusione è piuttosto limitata ad applicazioni ad altissima tecnologia.
Tipologie di cuscinetto volvente
Con riferimento specifico ai cuscinetti volventi, è possibile una ulteriore classificazione sulla base della loro configurazione geometrica. Tra le tipologie più diffuse troviamo i cuscinetti radiali a sfere, quelli orientabili a sfere e quelli obliqui a sfere. Vi sono poi i cuscinetti a rulli cilindrici, a rulli cilindrici a pieno riempimento, quelli radiali a rullini, quelli orientabili a rulli, quelli a rulli conici. Si hanno poi i cuscinetti assiali, che possono essere a sfere, a rulli cilindrici, a rulli conici o a rullini.
Cuscinetti a sfere
I cuscinetti radiali a sfere sono pensati per sopportare carichi radiali o leggermente obliqui. Le sfere sono guidate da una pista che presenza una scanalatura. In presenza di leggeri disassamenti dell’albero, è opportuno prevedere l’utilizzo di cuscinetti orientabili a sfere che differiscono da quelli radiali per la presenza, sull’anello esterno, di una curvatura che limita il movimento delle sfere e consente, quindi, un’inclinazione dell’albero. I cuscinetti obliqui a sfere sono pensati per sopportare carichi combinati assiali e radiali; le piste sono, infatti, asimmetriche (di fatto i corpi volventi sono in contatto con le piste, non radialmente ma lateralmente) in modo da riuscire a contrastare le spinte assiali.
Cuscinetti a rulli
I cuscinetti a rulli si differenziano da quelli a sfere per la loro maggiore capacità di carico radiale ma bassissima capacità di carico assiale. Consentono un disallineamento assiale offrendo quindi un’elevata rigidezza, un basso attrito ed una lunga durata.
Nei tipi schermati, i rulli sono protetti da agenti contaminanti, acqua e polvere e le tenute realizzano anche le funzioni di ritenzione del lubrificante ed esclusione degli agenti contaminanti. Ciò consente di ridurre l’attrito e prolungare la durata di esercizio.
Cuscinetti reggispinta (o assiali)
I cuscinetti assiali, detti anche cuscinetti reggispinta, sono adatti a assorbire elevate forze assiali. Questi cuscinetti non possono essere caricati in direzione radiale e, a causa della loro sezione trasversale, richiedono uno spazio di installazione radiale relativamente grande.
Parametri di Progettazione
Il dimensionamento dei cuscinetti, indipendentemente dalla tipologia, richiede la valutazione di diversi parametri tra cui il carico radiale e assiale (i cuscinetti devono essere dimensionati in base alle forze che agiscono su di essi), la velocità di rotazione (che determina il tipo di lubrificazione necessaria e il coefficiente di attrito), la vita utile (calcolata in base alle sollecitazioni e al materiale del cuscinetto), la lubrificazione (essenziale per ridurre l’usura e il surriscaldamento) e le condizioni ambientali (temperatura, umidità e presenza di contaminanti possono influenzare le prestazioni del cuscinetto).
Dimensionamento dei cuscinetti volventi
I cuscinetti volventi possono arrivare a rottura per differenti tipologie di cedimento. Tra queste, la fatica da contatto è, solitamente, la prima causa di problemi. I corpi volventi, infatti, sono sottoposti a pressioni di contatto che portano alla formazione di cricche sub-superficiali nelle quali, una volta che raggiungono la superficie, penetra il lubrificante. Il passaggio dei corpi volventi sulle piste danneggiate porta a picchi di pressione all’interno della cricca che ne promuovono la propagazione. Man mano che il fenomeno progredisce, si vanno a formare dei crateri superficiali con distacco del materiale a causa della coalescenza delle cricche superficiali. La presenza di questi pit, in concomitanza con la presenza di detriti da distacco possono poi innescare un’altra modalità di cedimento, il grippaggio.
La seconda modalità di cedimento dei cuscinetti è legata ai sovraccarichi statici che porta a deformazioni (locali) permanenti che si traducono in aumenti di rumorosità e vibrazioni, nonché una riduzione dell’efficienza.
In presenza di un disallineamento (ad esempio per errori di montaggio) si può anche arrivare alla condizione di cui il cuscinetto lavora in modo asimmetrico e, in condizioni critiche, può arrivare a “sgabbiare”. Altro fenomeno classificabile come cedimento è legato ad un non corretto dimensionamento dell’interferenza di montaggio che porta a moti relativi tra gli anelli del cuscinetto e le sedi, ed una progressiva usura degli anelli che, nel tempo, porta a disallineamenti e, quindi, favorendo altre tipologie di cedimento. Per dimensionare i cuscinetti volventi esistono modelli più o meno accurati che tengono conto sia delle condizioni statiche che delle condizioni dinamiche. Il dimensionamento statico serve per garantire il corretto funzionamento del cuscinetto in presenza di velocità molto basse o funzionamento discontinuo. Il dimensionamento dinamico, invece, serve ad evitare cedimenti durante un funzionamento continuo.
La formula di base per il dimensionamento è la seguente:
In cui L10 è la durata di base (106 cicli), C [N] è il coefficiente di carico dinamico e P [N] è il carico agente sul cuscinetto.
Il carico P è una combinazione dei carichi radiali Fr ed assiali Fa attraverso coefficienti (X e Y) che sono solitamente forniti dai produttori del cuscinetto.
Nel caso di dimensionamento statico, C viene sostituito dal coefficiente di carico statico C0 [N]. p è un esponente che dipende dal tipo di cuscinetto (3 per cuscinetti a sfere, 10/3 per cuscinetti a rulli). La vita in [h] L10h può essere determinata sapendo la velocità di rotazione n [rpm].
A questo modello super-semplificato è possibile aggiungere molteplici fattori correttivi per includere l’effetto dei materiali (a2), delle condizioni specifiche di funzionamento (a3) e per valutare la durata ad affidabilità differenti da quella standard del 90% (a1).
Montaggio
Una volta scelto il cuscinetto (radiale), serve anche definire lo schema di montaggio. Sono infatti possibili differenti soluzioni che si differenziano in termini di montabilità, rigidezza, costo e ingombri.
Solitamente, solo uno dei cuscinetti di ogni albero vincolerà lo spostamento assiale: in questo modo, anche in presenza di dilatazioni dell’albero a seguito di espansioni termiche, non si genereranno carichi aggiuntivi.
Oltre a questo, i cuscinetti obliqui possono essere montati ad “O” o ad “X”. La configurazione ad “O” è utile per sistemi operanti a basse velocità; la dilatazione assiale porta ad una diminuzione del precarico. Questa configurazione è quella che garantisce la maggiore rigidezza.
Viceversa, il montaggio ad “X” serve in presenza di alte velocità; la dilatazione assiale aumenterà il precarico per cui il sistema risulta meno rigido.
Conclusione
Il dimensionamento dei cuscinetti è un processo critico che richiede un’attenta valutazione dei carichi, della durata prevista, della velocità e delle condizioni operative. Un’adeguata selezione e manutenzione garantisce il corretto funzionamento e la massima affidabilità del sistema meccanico. I costruttori offrono modelli semplici per una progettazione di massima, ma anche modelli molto accurati per una progettazione di dettaglio.
