Tabella delle tolleranze di accoppiamento a pressione del cuscinetto: interferenze, accoppiamenti e regole di assemblaggio

Una squadra di manutenzione pressa un cuscinetto 6205 su un albero che è stato ricostruito mediante saldatura e tornitura manuale. Il cuscinetto si inserisce con due leggeri colpetti, così danno il via al lavoro. Otto settimane dopo, la sede dell'albero presenta segni di sfregamento color ruggine, l'anello interno si è spostato di alcuni gradi attorno alla sede e il grasso è pieno di polvere di ferro fine. Non c'era nulla di sbagliato nella tabella delle tolleranze di adattamento del cuscinetto. Ne hanno letto la riga sbagliata.

Un grafico delle tolleranze di adattamento alla pressione svolge esattamente un lavoro. Converte una classe di tolleranza dell'albero o dell'alloggiamento in un intervallo di interferenza, solitamente espresso in micron, per un dato foro del cuscinetto. Non ti dirà se quel sedile sopravvive a un aumento di temperatura di 90 gradi, se l'anello si muove sotto un carico rotante o quanta forza avrà bisogno della pressa. L'ordine di funzionamento è semplice: scegliere l'accoppiamento dalla direzione del carico e dalla rotazione, verificare l'interferenza risultante, quindi controllare la perdita di gioco e la forza di pressione. Tutto ciò che segue segue quell'ordine.

Cosa converte un grafico di tolleranza Press Fit

L'interferenza è una lunghezza, non una percentuale. Per un anello interno del cuscinetto su un albero è il diametro esterno dell'albero meno il diametro del foro del cuscinetto e un numero positivo significa che l'anello deve essere allungato per adattarsi. I numeri negativi descrivono lo spazio libero, non l'adattamento, e indicano da dove provengono gli anelli striscianti.

Quasi tutti i grafici pubblicati si basano sulle classi di tolleranza ISO 286. Gli alberi portano lettere minuscole come j, js, k, m, n, p e r; gli alloggiamenti riportano lettere maiuscole come H, J, K, M, N e P. La cifra dopo la lettera è il grado, e il grado 6 è la scelta normale per le sedi dei cuscinetti perché il grado 7 quasi raddoppia la fascia senza apportare alcun vantaggio reale.

La complicazione che la maggior parte dei grafici nasconde in una nota a piè di pagina è che il foro di un cuscinetto volvente non è un foro nominale. I cuscinetti di classe normale sono prodotti con un foro della dimensione nominale o inferiore e mai maggiore, quindi la banda di deviazione va da zero fino a un limite negativo. Per un foro da 25 mm la banda va da 0 a meno 10 micron; per un foro di 100 mm è compreso tra 0 e meno 20 micron. La conseguenza pratica è che l'interferenza che si ottiene effettivamente è maggiore di quanto suggerisca la sola deviazione dell'albero, e la distanza tra l'assemblaggio più allentato e quello più stretto è più ampia di quanto la maggior parte dei progettisti presuppone.

Guarda quanto è larga la colonna di destra. Una sede da 30 a 50 mm su un albero M6 può risultare con 9 micron o 37 micron, a seconda di dove l'albero e l'anello si fermano all'interno delle rispettive bande di tolleranza. Se un progetto funziona solo a un'estremità di tale intervallo, il grafico non ha risolto il problema; lo ha solo spostato in officina.

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I prodotti ad anello sottile soffrono maggiormente di questa diffusione. Un cuscinetto a sfere a gola profonda standard ha una parete dell'anello interno sufficientemente sottile da consentire a pochi micron di interferenza in più di consumare un gioco interno misurabile, motivo per cui una linea del grafico adatta a un cuscinetto a rulli di sezione pesante può essere troppo aggressiva per un cuscinetto a sfere piccolo dello stesso foro.

La rotazione e la direzione del carico determinano quale anello è stretto

Il grafico fornisce numeri, non decisioni. La decisione inizia con un'unica domanda: quale anello ruota rispetto alla direzione del carico? Qualunque sia l'anello che trasporta un carico rotante rispetto al vettore del carico, deve essere accoppiato con interferenza, perché altrimenti l'anello si muove attorno alla sua sede in piccoli incrementi, usura la sede e alla fine distrugge sia il foro che l'albero.

Su un tipico motore elettrico o ingresso di un cambio, l'anello interno ruota con l'albero mentre la direzione del carico rimane approssimativamente fissa nello spazio. L'anello interno ottiene un accoppiamento stretto, solitamente k6 o m6 sull'albero, e l'anello esterno scorre in un alloggiamento H7 o J7 che consente un leggero adattamento a pressione o anche un piccolo gioco. Capovolgi la disposizione, come accade con il mozzo di una ruota o una puleggia tendicinghia in cui il carico ruota con l'anello esterno e la logica si inverte: l'alloggiamento diventa la sede fissa e l'albero diventa quella libera.

Laddove entrambi gli anelli vedono un carico rotante o laddove i carichi d'urto invertono la direzione, nessuna delle due sedi può essere allentata. I cuscinetti a contatto angolare a doppia corona sono comuni in questa situazione perché sopportano carichi radiali e assiali combinati da entrambe le direzioni e le loro due file condividono il carico in modo che la pressione sulla sede rimanga moderata. I progettisti che li specificano solitamente mantengono l'albero su m6 e l'alloggiamento su N7 o P7 anziché allentare un lato.

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Un dettaglio è facile da trascurare. Una disposizione fissa e flottante necessita di un cuscinetto posizionato assialmente e di uno che può scorrere, e il cuscinetto flottante deve funzionare con un gioco o un accoppiamento di transizione in modo che l'albero possa crescere senza caricare gli elementi volventi. Bloccare entrambe le estremità con accoppiamenti stretti trasforma la crescita termica in un problema di precarico.

Lettura dei numeri di interferenza

L'interferenza non aumenta con la dimensione del foro

Un presupposto comune è che raddoppiando la canna si raddoppia l'interferenza. Non è così, almeno non per una classe di tolleranza fissa. Le deviazioni dell'albero di grado 6 crescono lentamente con il diametro perché sono costruite a partire da un'unità di tolleranza che aumenta con la radice cubica del diametro, mentre la fascia del foro del cuscinetto cresce secondo i passi stabiliti dallo standard. Il grafico seguente mostra cosa significa nella pratica.

Leggi le barre come medie anziché come obiettivi. Passando da un foro da 10 a 18 mm a un foro da 80 a 120 mm l'interferenza media raddoppia all'incirca, da circa 13 micron a circa 24 micron, mentre il diametro stesso cresce di un fattore sei o più. Questo divario esiste perché l'unità di tolleranza dietro un albero di grado 6 cresce molto più lentamente rispetto al diametro nominale. L'effetto pratico è che i cuscinetti di piccole dimensioni risultano proporzionalmente più rigidi, in termini di deformazione dell'anello, rispetto ai cuscinetti di grandi dimensioni della stessa classe di accoppiamento. Questo spiega perché un sedile k6 che risulta delicato dietro un cuscinetto da 100 mm può risultare decisamente rigido dietro un cuscinetto da 15 mm, ed è anche il motivo per cui i piccoli mandrini ad alta velocità spesso si spostano di un grado più allentato. Utilizzare le altezze delle barre per giudicare la direzione e l'entità della modifica, quindi verificare le deviazioni limite effettive nell'attuale edizione della norma prima di tagliare il metallo.

La crescita termica può cancellare l’adattamento

L'interferenza non è permanente. Quando l'anello esterno diventa più caldo dell'alloggiamento o quando l'alloggiamento si espande più velocemente dell'acciaio del cuscinetto, l'accoppiamento si allenta. Il grafico successivo mostra quanta interferenza del freddo sopravvive all’aumento della temperatura, per tre comuni materiali abitativi.

In questo confronto gli alloggiamenti in alluminio rappresentano il caso estremo. La loro dilatazione termica è circa il doppio di quella dell'acciaio per cuscinetti, quindi un alloggiamento che trattiene 20 micron di interferenza a 20 gradi può perdere gran parte di quella tenuta quando raggiunge gli 80 gradi di aumento della temperatura. Un alloggiamento in acciaio accoppiato con un cuscinetto in acciaio è molto più stabile, perché entrambe le parti crescono quasi alla stessa velocità e l'accoppiamento si muove a malapena. La ghisa si trova tra i due, motivo per cui rimane popolare per gli alloggiamenti della scatola del cambio e della pompa. La lezione è che l'adattamento deve essere giudicato alla temperatura operativa, non al banco di assemblaggio, e che qualsiasi alloggiamento in alluminio che trasporta un carico rotante necessita di una classe più pesante come m6 o n6 semplicemente per mantenere il contatto quando è caldo. Laddove un alloggiamento si surriscalda e non è possibile assegnargli una classe più pesante, uno spallamento di posizionamento assiale o un morsetto terminale rappresentano una risposta più affidabile rispetto all'aggiunta di ulteriori interferenze. La temperatura spiega anche perché un cuscinetto che era corretto sul banco di prova può ancora insinuarsi in servizio dopo un aggiornamento della potenza del motore.

Forza di assemblaggio, perdita di gioco e selezione dell'accoppiamento

La forza di stampa segue l'interferenza in modo lineare

La forza della pressa decide se il lavoro viene eseguito con una pressa a albero, una pressa idraulica o un martello che nessuno dovrebbe usare. Si alza in linea retta con interferenza, il che rende facile la stima dal grafico prima che venga ordinata una singola parte. I valori seguenti presuppongono un cuscinetto con alesaggio di 40 mm e un anello interno largo 15 mm pressato su un albero in acciaio massiccio.

Ogni ulteriore 5 micron di interferenza aggiunge circa 3,6 kN di forza di assemblaggio, che è il tipo di relazione lineare che puoi tenere in testa al banco. La linearità è utile perché consente di dimensionare una macchina da stampa dal grafico senza eseguire un calcolo completo della sollecitazione da contatto e spiega anche perché gli accumuli di tolleranza incidono maggiormente durante l'assemblaggio. Una sede progettata intorno ai 15 micron può richiedere il doppio della forza prevista se l'albero e l'anello toccano entrambi l'estremità stretta delle rispettive fasce. Anche la forza è un segnale di qualità che vale la pena registrare: se si infila a mano un cuscinetto che dovrebbe richiedere 12 kN, la sede è sottodimensionata, se ne richiede molto di più rispetto a quanto stimato, la sede è sovradimensionata, rastremata o danneggiata. Il pieno sequenza di installazione per cuscinetti a contatto angolare a doppia corona vale la pena leggerlo prima di applicare uno qualsiasi di questi numeri, perché la forza dovrebbe sempre passare attraverso l'anello che viene montato, mai attraverso le sfere.

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Confronto tra js6, k6 e m6 fianco a fianco

L'interferenza da sola non classifica un adattamento. Una classe che sembra stretta in micron può essere comunque facile da assemblare se la sede è corta e l'anello è piccolo, mentre una classe che sembra moderata può essere scomoda se l'alloggiamento ha pareti sottili. Il grafico radar riportato di seguito assegna un punteggio a tre classi di alberi comuni rispetto a cinque criteri pratici.

js6 è facile da montare e facile da rimuovere, ma offre la minima resistenza allo scorrimento, quindi è adatto a carichi leggeri, stabili, essenzialmente non rotanti dove una spalla di posizionamento impedisce già il movimento assiale. k6 è la risposta generica per i normali carichi radiali su un anello interno rotante e consente comunque lo smontaggio con un estrattore standard. m6 baratta la comodità di assemblaggio con una presa più salda, che è ciò di cui hanno effettivamente bisogno un carico pesante o d'urto, un alloggiamento a pareti sottili o un sedile in alluminio. Nessuno dei tre vince su ogni asse, e questo è lo scopo di confrontarli in questo modo invece di leggere una singola cifra di interferenza. Se le vibrazioni e lo scorrimento dominano la storia dei guasti della tua macchina, accetta l'assemblaggio più stretto e pianifica una pressa adeguata con un misuratore di forza controllato. Se l'accesso al servizio è il vero vincolo, accettare la classe più libera e aggiungere una caratteristica di posizionamento assiale in modo che l'anello non possa camminare.

Una lista di controllo pratica prima di commettere un attacco

1. Decidere quale anello ruota rispetto alla direzione del carico. Quell'anello ottiene l'adattamento con interferenza e l'altro ottiene un adattamento di transizione o di gioco.
2. Convertire la classe del foro del cuscinetto in una banda di deviazione. I fori delle classi normali non sono mai sovradimensionati, quindi la fascia va sempre da zero verso il basso.
3. Controllare l'interferenza alla temperatura operativa, non a temperatura ambiente, soprattutto con alloggiamenti in alluminio o magnesio.
4. Stimare la forza di pressione dalla tabella e confrontarla con la capacità della pressa e la forza di montaggio che l'anello può sopportare in sicurezza.
5. Verificare che il gioco consumato dall'interferenza non consumi più della metà circa del gioco interno del cuscinetto.
6. Verifica che il processo di lavorazione possa effettivamente mantenere la tolleranza specificata. Nessuna carta sopravvive ad un tornio che non può sostenere 10 micron.

Niente di tutto ciò sostituisce lo standard. Un grafico è una scorciatoia attraverso le tabelle ISO e tali tabelle cambiano tra le edizioni. Ciò che il grafico fornisce è un modo rapido per verificare l'integrità di un progetto prima che raggiunga l'officina: prima l'intervallo di interferenza, poi la perdita termica, terza la forza di pressione, infine la resistenza allo scorrimento. A Cuscinetto Ningbo Wanshun , costruiamo cuscinetti a gola profonda e a contatto angolare a doppia corona nella gamma di alesaggi da 10 a 120 mm e preferiremmo di gran lunga rispondere a una domanda di idoneità prima di accendere la pressa piuttosto che dopo che la sede dell'albero è stata rottamata.