Cosa sono i cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona?

Cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona sono un design dei cuscinetti che combina due file di sfere a contatto obliquo all'interno di un unico anello interno ed esterno, disposte schiena contro schiena in modo da poter supportare contemporaneamente carichi radiali, carichi assiali in entrambe le direzioni e carichi momento. L'angolo di contatto di ciascuna fila è impostato in modo che le linee di carico provenienti dai lati opposti del cuscinetto convergano sull'asse del cuscinetto, creando un'unità autonoma che resiste alle forze di inclinazione senza richiedere un secondo cuscinetto montato separatamente per gestire la direzione assiale opposta. In termini di principio strutturale, un cuscinetto a sfere a contatto obliquo a doppia corona è essenzialmente equivalente a una coppia accoppiata back-to-back (DB) di due cuscinetti a sfere a contatto obliquo a singola corona integrati in un'unità più stretta e compatta che condivide un anello interno ed esterno comune (fonte: NSK Global Technical Library; NTN Bearing Catalog 2203E). L'angolo di contatto standard per i cuscinetti a doppia corona delle serie 5200 e 5300 è 25 gradi , mentre Schaeffler e alcune altre famiglie di design utilizzano un angolo di contatto di 30 gradi, che aumenta la capacità di carico assiale rispetto alla capacità radiale (fonte: NSK; Schaeffler TPI 213). La geometria compatta fa sì che un'unità a doppia corona occupi sostanzialmente meno spazio assiale rispetto a due cuscinetti a contatto angolare a corona singola montati separatamente con lo stesso foro e diametro esterno, rendendola la soluzione preferita ovunque sia necessario un vincolo assiale bidirezionale in un involucro di installazione ristretto. Cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona nelle serie 30 e 38 coprono una gamma di dimensioni del foro e opzioni di tenuta che si adattano esattamente a questo tipo di applicazione di carico compatta e multidirezionale.

Come l'angolo di contatto definisce il comportamento del cuscinetto

L'angolo di contatto è il parametro geometrico più importante che distingue un cuscinetto a sfere a contatto obliquo da un cuscinetto a sfere a gola profonda e determina direttamente il rapporto tra la capacità di carico assiale e quella radiale che il cuscinetto può fornire.

Il significato geometrico dell'angolo di contatto

In qualsiasi cuscinetto volvente, le sfere trasferiscono il carico tra la pista dell'anello interno e quella dell'anello esterno attraverso i punti di contatto. In un cuscinetto a gola profonda, questi punti di contatto si trovano su una linea perpendicolare all'asse dell'albero, il che significa che il cuscinetto è adatto ai carichi radiali ma può sopportare solo carichi assiali incidentali. In un cuscinetto a contatto angolare, le piste sono sfalsate in modo che la linea che collega i due punti di contatto formi un angolo con il piano radiale. Questo angolo è l'angolo di contatto, indicato con alfa. Quando un carico puramente assiale viene applicato a un cuscinetto a contatto angolare, viene trasmesso attraverso questa linea di contatto inclinata, che risolve la forza in una componente radiale e una componente assiale all'interno della geometria del cuscinetto. Maggiore è l'angolo di contatto, maggiore è la percentuale di carico assiale applicato che viene trasportato in modo efficiente e maggiore è il rapporto di carico assiale/radiale che il cuscinetto può sostenere prima che lo stress da contatto diventi critico (fonte: Catalogo cuscinetti NTN 2203E; brkbearings.com).

Valori dell'angolo di contatto nei progetti a doppia fila

I cuscinetti a sfere a contatto obliquo ad una corona sono disponibili in quattro configurazioni standard di angoli di contatto: 15 gradi, 25 gradi, 30 gradi e 40 gradi. La variante da 15 gradi privilegia il funzionamento ad alta velocità e la bassa rigidità assiale; la variante a 40 gradi dà priorità alla massima capacità di carico assiale a scapito di una velocità nominale ridotta e di una maggiore generazione di calore. I cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona della serie standard 5000 (serie 5200, 5300) sono prodotti con un Angolo di contatto di 25 gradi per fila, disposti uno dietro l'altro in modo che ogni fila supporti il carico assiale da una direzione. Le varianti ad alta capacità, inclusa la famiglia di design Schaeffler, utilizzano a Angolo di contatto di 30 gradi che fornisce una frazione di carico assiale più elevata ma produce una corrispondente riduzione del limite di velocità per il funzionamento continuo (fonte: NSK Global; Schaeffler TPI 213).

Capacità di carico del momento

Una capacità di fondamentale importanza consentita dalla disposizione a doppia fila è la resistenza ai carichi di momento, chiamati anche momenti di inclinazione. Un momento di carico agisce per ruotare l'albero rispetto all'alloggiamento attorno ad un asse perpendicolare alla linea centrale dell'albero. Un cuscinetto a contatto angolare a corona singola, o un cuscinetto a gola profonda singola, non possono resistere in modo affidabile a questo tipo di carico perché la zona di contatto su un lato verrebbe sovraccaricata mentre il lato opposto perderebbe il contatto. La disposizione schiena contro schiena di un cuscinetto a doppia fila crea un'ampia luce effettiva tra le due linee di carico, anche all'interno della larghezza del singolo cuscinetto, che fornisce un braccio di momento meccanico che resiste alle forze di ribaltamento. Questo è il motivo per cui i cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona sono specificati per applicazioni in cui la flessione dell'albero, i carichi radiali o le forze giroscopiche generano momenti di carico sulla posizione del cuscinetto (fonte: Catalogo cuscinetti NTN 2203E).

Struttura interna e materiali dei componenti

Comprendere la struttura interna di un cuscinetto a sfere a contatto obliquo a doppia corona spiega perché la progettazione specifica e le scelte dei materiali influiscono sulle prestazioni in modi che non sono sempre evidenti dal solo coefficiente di carico del catalogo.

Anelli e Canalizzazioni

Gli anelli interno ed esterno dei cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona standard sono realizzati in acciaio per cuscinetti al cromo ad alto contenuto di carbonio, più comunemente 52100 o gradi standard nazionali equivalenti, che è temprato fino a raggiungere una durezza superficiale generalmente compresa tra 58 e 65 HRC. Le piste sono rettificate con tolleranze strette su diametro, rotondità e rugosità superficiale, poiché la qualità della superficie nella zona di contatto determina direttamente la distribuzione delle sollecitazioni sotto carico e il livello di rumore e vibrazioni durante il funzionamento. La geometria della spalla su ciascun anello è progettata per generare l'offset tra le due piste di fila che produce l'angolo di contatto previsto, e questa altezza della spalla imposta anche il carico assiale massimo che gli anelli possono supportare prima che la sollecitazione da contatto migri sulla spalla dell'anello anziché rimanere sulla pista.

Elementi rotanti

Le sfere in entrambe le file sono generalmente realizzate con lo stesso acciaio per cuscinetti 52100 degli anelli o con una ceramica come il nitruro di silicio (Si3N4) in applicazioni ad alta velocità o critiche per la corrosione. Il diametro delle sfere e il numero di sfere per corona vengono selezionati durante il processo di progettazione per ottimizzare il coefficiente di carico dinamico, il coefficiente di carico statico e la capacità di velocità del cuscinetto per la serie di applicazioni previste. All'interno di una determinata serie, un diametro della sfera maggiore aumenta il coefficiente di carico ma riduce la velocità massima consentita perché la forza centrifuga su ciascuna sfera è proporzionale alla massa della sfera e al quadrato della velocità. Le sfere di precisione hanno una variazione di diametro inferiore a 0,00025 mm tra le sfere della stessa fila, poiché anche piccole differenze di diametro causano una condivisione del carico non uniforme che riduce il coefficiente di carico effettivo al di sotto del valore di catalogo.

Opzioni della gabbia

La gabbia separa le sfere e mantiene una spaziatura circonferenziale costante in modo che il carico sia distribuito uniformemente attorno al perimetro del cuscinetto. I cuscinetti obliqui a doppia corona di sfere sono disponibili con due tipi principali di gabbia (fonte: NSK Global; NTN):

• Gabbia in acciaio stampato, che rappresenta l'opzione standard per la maggior parte delle applicazioni a media e alta velocità ed è stampata da lamiera di acciaio a basso tenore di carbonio con tasche formate per guidare le sfere; le gabbie in acciaio stampato sono adatte alla maggior parte delle applicazioni lubrificate con olio e grasso entro la velocità nominale standard del cuscinetto
• Gabbia in poliammide o nylon, che offre massa inferiore e rumore inferiore a velocità elevate, prestazioni migliori nei cuscinetti sigillati lubrificati a grasso dove la resistenza viscosa del grasso è una fonte di calore e un rischio ridotto di striature durante la perdita momentanea di lubrificazione ad alta velocità

Opzioni di sigillatura e schermatura

I cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona aperti richiedono una lubrificazione esterna tramite rifornimento periodico di grasso o un sistema di olio pressurizzato. Sono disponibili varianti sigillate e schermate, sempre più specificate per applicazioni in cui l'accesso per la manutenzione è limitato o l'ingresso di contaminazione rappresenta un problema (fonte: Catalogo cuscinetti NTN 2203E; NSK). Le designazioni dei suffissi più comunemente utilizzate sono:

La convenzione di denominazione delle serie 30-2RS, 38-2RS, 30-ZZ e 38-ZZ utilizzata nel Cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona gamma di prodotti codifica direttamente sia il numero di serie che il tipo di tenuta nella designazione del cuscinetto, rendendo semplice identificare quale variante è appropriata per una determinata applicazione solo dal codice.

Valori di carico e specifiche prestazionali

Le prestazioni di qualsiasi cuscinetto volvente sono caratterizzate principalmente da tre valori nominali: il coefficiente di carico dinamico di base, il coefficiente di carico statico di base e la velocità limite. Questi valori sono determinati dalla geometria interna del cuscinetto e devono essere interpretati correttamente rispetto al ciclo di carico e alla velocità effettivi dell'applicazione prima di poter prevedere una durata operativa affidabile.

Coefficiente di carico dinamico di base

Il coefficiente di carico dinamico di base (C) è definito come il carico radiale costante sotto il quale un gruppo di cuscinetti identici raggiunge una durata a fatica nominale di un milione di giri con un'affidabilità del 90%, seguendo il metodo di calcolo definito nella norma ISO 281. Per un cuscinetto a sfere a contatto obliquo a doppia corona, il coefficiente di carico dinamico è superiore a quello di un cuscinetto a corona singola con lo stesso foro perché due file di sfere condividono il carico applicato, distribuendo la sollecitazione di contatto hertziana su un numero maggiore di punti di contatto. Come riferimento pratico, il cuscinetto della serie 5200 con foro da 10 mm (cuscinetto numero 5200) ha un coefficiente di carico dinamico di 7.150 N , mentre la serie 5203 con alesaggio da 17 mm trasporta circa 12.700 N, e la serie 5204 con alesaggio da 20 mm trasporta circa 15.900 N (fonte: catalogo dei cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona di tipo sigillato e schermato NSK, documento e1249b).

Coefficiente di carico statico di base

Il coefficiente di carico statico di base (C0) definisce il carico sotto il quale la massima sollecitazione di contatto tra una sfera e una pista raggiunge circa 4.000 MPa, il livello al quale la deformazione plastica locale della pista inizia a produrre un'impronta permanente che aumenta le vibrazioni e il rumore durante il funzionamento successivo. Utilizzando gli stessi dati di riferimento NSK, la serie 5200 (alesaggio da 10 mm) ha un coefficiente di carico statico di 3.900 N, mentre la serie 5203 (alesaggio da 17 mm) ha 8.300 N e la serie 5204 (alesaggio da 20 mm) ha 10.700 N (fonte: catalogo NSK e1249b). Le applicazioni che comportano carichi d'urto, carichi statici pesanti durante il montaggio o carichi di momenti pesanti sostenuti a bassa velocità devono essere valutati rispetto alla valutazione statica piuttosto che alla valutazione dinamica.

Calcolo del carico dinamico equivalente

Quando un cuscinetto è sottoposto a un carico radiale e assiale combinato anziché a un carico puramente radiale, è necessario calcolare un carico dinamico equivalente P prima di applicare l'equazione di durata ISO 281. Per i cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona, la formula standard è P = XFr YFa, dove Fr è la forza radiale, Fa è la forza assiale e X e Y sono fattori di carico che dipendono dal rapporto tra forza assiale e forza radiale rispetto a un valore soglia e. Per le serie a doppia fila sigillate e schermate, i valori tipici quando Fa/Fr è inferiore o uguale a e sono X = 1, Y = 0,92 e quando Fa/Fr supera e, X = 0,67 e Y = 1,41, con e circa 0,68 (fonte: catalogo NSK e1249b). Questi valori cambiano con l'angolo di contatto e la serie di cuscinetti e i progettisti dovrebbero sempre utilizzare i valori della scheda tecnica specifica del produttore per la serie di cuscinetti da applicare.

Capacità di velocità

Il limite di velocità di un cuscinetto a sfere a contatto obliquo a doppia corona è stabilito dal calore generato sui contatti volventi e sull'interfaccia gabbia-sfera ed è convenzionalmente espresso come limite di velocità del grasso o limite di velocità dell'olio, con il limite dell'olio tipicamente superiore del 20-30% rispetto al limite del grasso. Le varianti sigillate e schermate comportano un limite di velocità inferiore rispetto ai cuscinetti aperti equivalenti perché l'attrito del labbro di tenuta o la prossimità dello schermo aggiungono calore che il riempimento di grasso fisso deve dissipare senza raffreddamento esterno. La norma DIN 628-3, che regola le principali dimensioni dei cuscinetti obliqui a doppia corona di sfere, stabilisce limiti dimensionali che garantiscono l'intercambiabilità tra produttori di cuscinetti all'interno della stessa serie (fonte: Schaeffler TPI 213).

Sistema di designazione e identificazione della serie

Leggere correttamente la designazione di un cuscinetto a sfere a contatto obliquo a doppia corona consente a un ingegnere o a uno specialista degli acquisti di confermare il diametro del foro, la serie (e quindi il diametro esterno e la larghezza) e la configurazione della tenuta dal codice articolo senza dover consultare una tabella dimensionale completa.

I riferimenti alle serie 30 e 38 nella designazione del prodotto si riferiscono alla classificazione della serie del diametro esterno del cuscinetto. I cuscinetti obliqui a doppia corona di sfere delle serie 30 e 38 indicano un ingombro dimensionale specifico e le varianti con suffisso 2RS e ZZ che li accompagnano identificano direttamente se vengono utilizzate tenute a contatto o schermi in acciaio, consentendo di specificare la variante corretta rispettivamente per il servizio sigillato lubrificato a grasso o per il servizio schermato.

Confronto con tipi di cuscinetti alternativi

La scelta di un cuscinetto a sfere a contatto obliquo a doppia corona per un'applicazione richiede la comprensione delle sue differenze rispetto agli altri tipi di cuscinetti che potrebbero essere potenzialmente presi in considerazione per la stessa posizione.

rispetto al cuscinetto a sfere a contatto angolare a corona singola

Un cuscinetto a sfere a contatto obliquo a corona singola può supportare il carico assiale solo in una direzione perché la geometria sfalsata della pista crea una linea di contatto che converge sull'asse solo da un lato. Per supportare carichi assiali bidirezionali con cuscinetti a corona singola, due cuscinetti devono essere montati in opposizione, schiena a schiena (DB), faccia a faccia (DF) o in tandem (DT per aumento del carico assiale nella stessa direzione). Un cuscinetto a doppia corona raggiunge lo stesso vincolo assiale bidirezionale in un'unica unità più stretta con un anello interno e un anello esterno, il che semplifica il design dell'alloggiamento e riduce lo spazio assiale richiesto. Il compromesso è che l'unità a doppia fila ha un angolo di contatto fisso e una disposizione schiena a schiena che non può essere modificata, mentre una disposizione a fila singola accoppiata consente al tecnico di selezionare il montaggio faccia a faccia se la geometria dell'applicazione richiede caratteristiche diverse del braccio momento (fonte: NSK Global; NTN Bearing Catalog 2203E).

rispetto al cuscinetto a sfere a gola profonda

Un cuscinetto a sfere con gola profonda ha una scanalatura simmetrica della pista su entrambi gli anelli che gli consente di supportare carichi assiali moderati in entrambe le direzioni, ma la linea di carico rimane essenzialmente radiale a carichi assiali bassi e il cuscinetto non ha un angolo di contatto definito. Per carichi combinati da bassi a moderati ad alta velocità, un cuscinetto a gola profonda è spesso più economico e raggiunge velocità nominali più elevate rispetto a un cuscinetto a contatto angolare della stessa dimensione. Tuttavia, i cuscinetti a gola profonda non possono garantire il posizionamento assiale rigido di un albero fornito da un cuscinetto a contatto angolare e non sono adatti per applicazioni in cui è necessario resistere a carichi di momento o dove la rigidità assiale precisa fa parte della progettazione del sistema (fonte: brkbearings.com).

rispetto al cuscinetto a rulli conici

Un cuscinetto a rulli conici sopporta carichi radiali e assiali più elevati rispetto a un cuscinetto a sfere a contatto obliquo con la stessa dimensione del foro perché il contatto lineare tra i rulli e le piste distribuisce il carico su un'area più ampia, riducendo i picchi di stress da contatto. Tuttavia, i cuscinetti a rulli conici richiedono una regolazione precisa del precarico assiale durante il montaggio, generano più calore alle alte velocità a causa dell'attrito di scorrimento della flangia terminale del rullo e hanno un limite di velocità inferiore rispetto ai cuscinetti a sfere a contatto obliquo. Per le applicazioni a velocità media in cui i requisiti principali sono carichi combinati moderati e geometria compatta, i cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona sono generalmente preferiti rispetto ai cuscinetti a rulli conici.

Tabella comparativa

Applicazioni tipiche e casi d'uso nel settore

I cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona si trovano in applicazioni che condividono un requisito comune: vincolo assiale bidirezionale in uno spazio compatto con velocità da moderata ad alta, dove carichi di momento o carichi combinati rendono insufficiente un cuscinetto a gola profonda.

Motori Elettrici e Ventilatori

I motori elettrici utilizzano spesso cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona nella posizione lato comando dove le forze assiali derivanti dalla tensione della cinghia, dalla spinta dell'ingranaggio elicoidale o dal carico delle pale della ventola creano un carico assiale bidirezionale a seconda della direzione di avvio-arresto. Il design compatto a unità singola semplifica la costruzione dell'alloggiamento del motore rispetto a una disposizione a due cuscinetti, e l'angolo di contatto di 25 gradi delle serie standard 5200 e 5300 fornisce la combinazione di rigidità assiale ragionevole e velocità di rotazione adatta alla maggior parte delle applicazioni di motori a induzione. NSK elenca pompe, motori elettrici e soffianti come le principali applicazioni tipiche per questo tipo di cuscinetti (fonte: NSK Global Technical Library).

Pompe e compressori

Le pompe centrifughe generano forze di spinta assiali che invertono la direzione con variazioni di portata e differenziale di pressione e questo carico assiale bidirezionale è esattamente la condizione per la quale sono progettati i cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona. I design delle pompe ad alta capacità che utilizzano un cuscinetto con angolo di contatto di 30 gradi possono sopportare i carichi assiali più elevati tipici delle pompe centrifughe multistadio pur mantenendo un'adeguata capacità di velocità per la maggior parte delle condizioni di servizio della pompa. Le varianti sigillate e schermate con designazioni 2RS o ZZ sono ampiamente utilizzate nelle applicazioni di pompe in cui la cavità del cuscinetto non è accessibile per la rilubrificazione periodica.

Riduttori e riduttori

Gli ingranaggi elicoidali producono una componente assiale del carico sui denti che agisce lungo l'asse dell'albero e la direzione di questa spinta si inverte tra il pignone e l'ingranaggio in una coppia accoppiata. I cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona alle estremità dell'albero limitano questa spinta in entrambe le direzioni senza richiedere posizioni separate dei cuscinetti reggispinta o disposizioni aggiuntive di precarico assiale. Nei riduttori industriali compatti, dove ridurre al minimo la lunghezza dell'alloggiamento è una priorità di progettazione, il cuscinetto a doppia corona di unità singola in ciascuna posizione dell'albero consente di risparmiare un ingombro assiale significativo rispetto a una disposizione a fila singola accoppiata.

Mandrini di macchine utensili e attrezzature di precisione

I mandrini delle macchine utensili CNC, in particolare quelli che operano nella gamma di velocità intermedia, utilizzano cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona per fornire un posizionamento assiale e radiale rigido del mandrino rispetto all'alloggiamento della testata. La resistenza al carico del momento è particolarmente preziosa in questa applicazione perché le forze di taglio applicate sulla punta dell'utensile creano un momento flettente nella posizione del cuscinetto anteriore che causerebbe una deflessione inaccettabile del mandrino se venisse utilizzato un cuscinetto a gola profonda standard. I cuscinetti a doppia corona precaricati di precisione con gioco interno più stretto del normale (classe di gioco C2) sono specificati per i più elevati requisiti di rigidità in questa categoria di applicazione.

Attrezzature automobilistiche e agricole

Le trasmissioni di macchine agricole, i cambi di trattori e alcune applicazioni di trasmissione di accessori automobilistici utilizzano cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona in posizioni in cui i carichi radiali e assiali combinati con componenti di momento devono essere gestiti all'interno di un'unità sigillata compatta ed esente da manutenzione. Le varianti schermate ZZ o sigillate 2RS sono particolarmente adatte per queste applicazioni perché l'accesso per la manutenzione è generalmente limitato ed è necessaria la protezione dalla contaminazione da terreno, detriti del raccolto o sabbia stradale durante un intervallo di manutenzione di centinaia di ore di funzionamento.

Requisiti di lubrificazione e intervalli di manutenzione

La lubrificazione è la causa principale più comune di guasto dei cuscinetti volventi e comprendere i requisiti di lubrificazione specifici dei cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona è essenziale per raggiungere la durata operativa prevista in qualsiasi applicazione.

Lubrificazione a grasso per cuscinetti sigillati e schermati

I cuscinetti sigillati 2RS e schermati ZZ sono riempiti di grasso in fabbrica durante la produzione e sono progettati per non richiedere manutenzione per la loro durata di servizio prevista in normali condizioni operative. Il volume di riempimento del grasso è ottimizzato in fase di produzione per fornire una lubrificazione adeguata senza eccessive perdite per sbattimento che genererebbero calore e ridurrebbero la durata effettiva del grasso. La sostituzione di questi cuscinetti al termine della loro durata operativa prevista è generalmente più economica rispetto al tentativo di rabboccare il grasso, poiché il design sigillato o schermato non facilita l'accesso alla cavità del grasso senza compromettere la funzione di tenuta.

Lubrificazione a grasso per cuscinetti aperti

I cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona aperti richiedono l'applicazione di grasso esterno. Il volume di riempimento del grasso nella cavità del cuscinetto e nell'alloggiamento dovrebbe generalmente riempire tra un terzo e la metà dello spazio libero disponibile; il riempimento eccessivo provoca calore agitato che accelera la degradazione del grasso e riduce la durata dei cuscinetti. I grassi a base di litio o al litio complesso con consistenza di grado NLGI 2 sono adatti alla maggior parte delle condizioni standard di velocità e temperatura. Le linee guida Schaeffler sugli intervalli di cambio dell'olio per i cuscinetti a contatto angolare a doppia corona lubrificati a olio raccomandano di seguire gli intervalli stabiliti indicati nel progetto FVA n. 171 e di adattarli in base alla temperatura di esercizio e al livello di contaminazione (fonte: Schaeffler TPI 213).

Lubrificazione ad olio per applicazioni ad alta velocità

A velocità più elevate, dove la lubrificazione a grasso genererebbe calore eccessivo, i cuscinetti a contatto angolare a doppia corona aperti possono essere lubrificati con olio tramite una disposizione a bagno d'olio, nebbia d'olio o alimentazione di olio circolante. La circolazione dell'olio con un radiatore e un filtro esterni è il metodo preferito per le applicazioni ad alta velocità e carico elevato come mandrini di macchine utensili e compressori ad alta velocità, poiché contemporaneamente lubrifica, raffredda e rimuove i detriti dovuti all'usura dalla cavità del cuscinetto.

Guida all'installazione, allo spazio libero e al precarico

La corretta installazione è importante quanto la corretta scelta del cuscinetto per ottenere la durata di esercizio nominale, in particolare per i cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona che devono essere installati con accoppiamenti e posizionamento assiale adeguati.

Si adatta ad albero e alloggiamento

L'anello interno di un cuscinetto a sfere a contatto obliquo a doppia corona è generalmente montato sull'albero con un accoppiamento con interferenza quando l'anello interno ruota rispetto alla direzione del carico, che è la configurazione più comune nelle macchine rotanti. Un accoppiamento con interferenza garantisce che l'anello non scivoli sulla superficie dell'albero sotto il carico rotante, cosa che causerebbe usura da sfregamento sull'albero e genererebbe calore. L'anello esterno è generalmente montato nell'alloggiamento con una leggera interferenza o un accoppiamento transitorio. L'entità dell'interferenza è specificata nelle tabelle delle tolleranze di adattamento ISO 286 e selezionata in base alle dimensioni del cuscinetto, alla velocità di rotazione e all'entità del carico; cuscinetti più grandi e carichi più pesanti richiedono accoppiamenti più stretti per evitare lo scorrimento sotto carico.

Selezione del gioco interno

I cuscinetti obliqui a doppia corona di sfere sono disponibili in diversi gruppi di gioco interno: C2 (più piccolo del normale), CN (normale, il valore predefinito se non viene fornito il suffisso del gioco), C3 (più grande del normale) e C4 (anche più grande). Il gruppo di gioco corretto dipende dall'adattamento dell'albero e dell'alloggiamento e dalla temperatura di esercizio prevista. Un accoppiamento con interferenza sull'albero riduce il gioco interno dopo l'installazione, pertanto un cuscinetto che misura il gioco normale prima del montaggio può funzionare con gioco zero o con un leggero precarico dopo il montaggio. Se la temperatura di esercizio provoca un'espansione dell'albero più rapida dell'alloggiamento, durante il funzionamento si verifica un'ulteriore riduzione del gioco. Per le applicazioni in cui l'albero è molto più caldo dell'alloggiamento, un gioco iniziale C3 o C4 compensa questo differenziale di dilatazione termica e impedisce al cuscinetto di funzionare con un precarico eccessivo (fonte: Catalogo cuscinetti NTN 2203E).

Considerazioni sul precarico

Il precarico leggero, in cui il cuscinetto funziona con gioco interno pari a zero o con una quantità molto piccola di deformazione elastica condivisa tra le due file, aumenta la rigidità radiale e assiale della posizione del cuscinetto e riduce le vibrazioni e il rumore sotto carichi fluttuanti. I cuscinetti dei mandrini delle macchine utensili sono comunemente precaricati per migliorare la precisione di posizionamento. Un precarico eccessivo genera calore e aumenta lo stress da fatica, riducendo la durata di servizio, pertanto il precarico deve essere attentamente specificato e verificato durante l'assemblaggio utilizzando la forza di precarico assiale o le misurazioni della coppia di avviamento.

Modalità di guasto e monitoraggio delle condizioni

Comprendere le modalità di guasto dei cuscinetti a sfere a contatto obliquo a doppia corona consente ai tecnici della manutenzione di rilevare tempestivamente il deterioramento e pianificare la sostituzione del cuscinetto prima che un guasto catastrofico provochi danni secondari all'albero, all'alloggiamento o alla macchina.

Spaccatura per fatica

La fatica da contatto volvente produce cricche nel sottosuolo della pista o del materiale della sfera che si propagano in superficie e alla fine causano la rottura del materiale, producendo una scheggiatura o una cavità. La scheggiatura genera una caratteristica vibrazione ad alta frequenza che può essere rilevata mediante il monitoraggio delle vibrazioni basato su accelerometro utilizzando l'analisi della frequenza dei difetti dei cuscinetti. Le frequenze caratteristiche dei difetti per l'anello esterno, l'anello interno e le sfere dipendono dalla geometria del cuscinetto e dalla velocità di rotazione e queste frequenze possono essere calcolate dai parametri della geometria standard dei cuscinetti utilizzando le equazioni definite nella norma ISO 15243 e standard correlati.

Contaminazione e usura abrasiva

La contaminazione da particelle nel lubrificante provoca un'usura abrasiva a tre corpi sui contatti volventi, che irruvidisce gradualmente la superficie della pista, aumenta le vibrazioni e il rumore e infine introduce particelle di usura che accelerano il ciclo di danneggiamento. I cuscinetti a doppia corona sigillati e schermati forniscono una protezione dalla contaminazione sostanzialmente migliore rispetto ai cuscinetti aperti nella maggior parte degli ambienti industriali, e questo è uno dei motivi principali per cui le varianti 2RS e ZZ vengono preferite ai cuscinetti aperti laddove l'ambiente operativo prevede il rischio di ingresso di polvere, trucioli o fluidi di processo.

Guasto alla lubrificazione

Lubrificante insufficiente, degradato o di tipo errato provoca il contatto metallo-metallo sulle interfacce di rotolamento, generando un rapido aumento della temperatura, usura adesiva, imbrattamento delle superfici delle sfere e delle piste ed eventuale grippaggio. Per i cuscinetti sigillati e schermati, i problemi di lubrificazione si verificano generalmente al termine o in prossimità della fine della vita utile di progetto del cuscinetto, quando il grasso riempito in fabbrica si deteriora a causa del degrado termico e meccanico. Il rilevamento tempestivo attraverso il monitoraggio della temperatura dell'alloggiamento del cuscinetto o l'analisi periodica delle caratteristiche delle vibrazioni consente di pianificare la sostituzione prima del guasto anziché dopo.