Sono numerosi i fattori che devono essere considerati per effettuare una scelta corretta di un cuscinetto; qui di seguito andremo ad elencare quali sono i fattori che possono influenzare tale scelta:
• carichi effettivi ed eventuali urti
• velocità di rotazione
• temperatura di funzionamento
• durezza delle piste di rotolamento
• durezza dei rullini
• lubrificazione
Coefficente di Carico Dinamico C
Il coefficente di carico dinamico C di un cuscinetto è il carico radiale costante che il cuscinetto può sopportare per un milione di giri. Il coefficente di carico dinamico C di cuscinetti con gabbia e dei reggispinta riportati
nelle tabelle dimensioni, seguono le Norme Generali ISO, quindi si raccomanda di attenersi a quest’ultime per un corretto utilizzo.
Coefficente di Carico Statico C0
Il coefficiente di carico statico C0 è considerato solo quando esiste un carico, ma in assenza di rotazione. Per i cuscinetti radiali, il carico è espresso in direzione radiale, mentre per i cuscinetti assiali il carico è espresso
in direzione assiale (considerando il carico centrato), per il quale la pressione tra i corpi volventi e le piste di rotolamento raggiungono i seguenti valori:
4.000 N/mm2 per i cuscinetti a rulli ed a rullini
4.200 N/mm2 per i cuscinetti a sfere
Nelle condizioni sopra indicate, il coefficiente di carico statico C0, corrisponde approssimativamente alla deformazione dell’elemento volvente più caricato ed alla deformazione di una delle piste di rotolamento
uguale a 1/10.000 del diametro del corpo volvente. Quanto sopra espresso è da considerarsi valido in condizioni normali d’impiego e la deformazione può essere tollerata, senza che sia pregiudicata l’efficienza di funzionamento
Calcolo della durata
La durata nominale viene calcolata nel seguente modo:
L = durata teorica, in milioni di giri
Lh = durata teorica, in ore di funzionamento
C = coefficente di carico dinamico (in kg)
P = carico dinamico equivalente agente sul cuscinetto (in kg)
C/P = rapporto di carico
p = esponente di durata (p=10/3 per cuscinetti a rullini
ed a rulli cilindrici p=3 per cuscinetti a sfere)
n = numero di giri di funzionamento
È importante sottolineare che per i cuscinetti combinati
(cuscinetti a rullini con singola corona radiale di sfere
e cuscinetti a rullini con singola corona assiale di sfere)
le durate devono essere calcolate separatamente in
base ai rispettivi coefficenti di carico dinamico indicati
nelle tabelle seguenti.
Durata teorica richiesta
Nei casi in cui occorre effettuare una scelta su quale tipologia di cuscinetto adottare nelle diverse applicazioni, sarà importante valutare qual’é il tempo di durata dell’utilizzo dell’attrezzatura e se viene usata in modo continuo o ad intermittenza. In mancanza d’esperienza
si può assumere come base la sottoindicata tabella:
Ore di funzionamento Tipologia di strumento
• da 4.000 a 8.000 - apparecchi per lavori domestici,
macchine agricole (macchine con
funzionamento intermittente per le
quali eventuali interruzioni hanno
poca importanza).
• da 8.000 a 12.000 - macchine utensili impiegate saltuarimente,
motori per elettrodomestici,
apparecchi di manipolazione
(macchine con funzionamento
breve per le quali eventuali interruzioni
possono avere importanza).
• da 12.000 a 24.000 - macchine utilizzate tutto il giorno
anche se non continuamente
(motori elettrici, ingranaggi vari).
• da 24.000 a 30.000 - macchine utilizzate tutto il giorno,
in modo continuo, macchine utensili
e varie per l’industria.
• da 30.000 a 1000.000 - macchine funzionanti 24 ore al
ed oltre giorno richiedenti la massima affidabilità,
pompe, compressori, macchine
da stampa, generatori d’energia,
acquedotti
Durata d’esercizio
Con durata d’esercizio s’intende il limite massimo di durata che il cuscinetto raggiunge nell’applicazione. È normale che calcolare la durata d’esercizio può risultare abbastanza complicato in quanto le varianti che possono influire sulla durata sono molteplici, a partire
da disassamenti tra albero ed alloggiamento, lubrificazione, temperatura d’esercizio. È raccomandabile dove è possibile avvalersi sempre di esperienze precedenti.
Carico statico equivalente P0
Il carico statico equivalente Po, è limitato dal coefficiente di sicurezza statico So, ed è da intendersi come carico radiale per cuscinetti radiali a carico assiale e centrato per cuscinetti assiali, da cui:
• Cuscinetti a rullini di tipo radiale
Po = Fr
in cui Po = carico statico equivalente (in kg.)
Fr = carico radiale effettivo (in kg.)
• Cuscinetti a rullini di tipo assiale
Po = Fa
in cui Fa = carico assiale effettivo (in kg.)
Carico dinamico equivalente P
Il carico dinamico equivalente P su di un cuscinetto radiale o reggispinta viene solitamente determinato partendo dalle caratteristiche della macchina e/o attrezzatura sul quale viene utilizzato. Risulta spesso
determinante tener conto dei carichi accidentali che possono nascere dall'utilizzo della macchina stessa, quindi vibrazioni, urti, sovraccarichi degli organi. Da ciò ne consegue che calcolare il carico effettivo può risultare
complicato, in quanto occorre considerare diversi fattori, per cui si deduce che le esperienze precedenti di montaggio sono sempre la miglior guida. Inoltre occorre fare una distinzione tra cuscinetti di tipo assiali
e radiali sui quali per calcolare il carico dinamico equivalente possiamo usare le seguenti formule:
• Cuscinetti a rullini di tipo radiale
(considerando Fr costante)
P = Fr
in cui P = carico dinamico equivalente (in kg.)
Fr = carico radiale effettivo (in kg.)
• Cuscinetti a rullini di tipo assiale
(considerando il carico centrato)
P = Fa
in cui Fa = carico assiale effettivo (in kg.)
5.5 Coefficiente di sicurezza statico So
La capacità di carico statico non è altro che la capacità di un cuscinetto di sopportare dei carichi applicati in assenza di movimento, oppure in presenza di oscillazioni molto lente. Tali carichi possono ugualmente creare
delle deformazioni, a volte permanenti, anche se in alcuni casi possono essere considerate accettabili. Da qui il concetto di coefficente di sicurezza statico, che indica il grado di sicurezza del cuscinetto contro eventuali
deformazioni. Il coefficiente di sicurezza statico, può essere ricavato dalla seguente formula:
Influenza della temperatura d’esercizio
E' importante sempre e comunque tener conto della temperatura d'esercizio al quale viene sottoposto un cuscinetto a rullini durante il suo impiego, in quanto al variare della temperatura possono variare le condizioni
del cuscinetto: ad esempio quando si lavora a temperature d'esercizio molto elevate la durezza del materiale del cuscinetto varia, quindi da qui possiamo già comprendere che il carico che sopporterà il cuscinetto sarà
sicuramente inferiore. Operando con temperature superiori ai 120° sia i coefficenti di carico dinamico che statico subiranno dei cambiamenti, diminuendo le capacità di carico effettive. (Per i cuscinetti con tenute RS e
2RS si consiglia di non superare i + 80 °C). Per applicazioni in cui sia presente una temperatura d'esercizio di circa 120° o più, sarebbe opportuno sottoporre il cuscinetto, o più precisamente gli anelli, a
trattamenti termici di stabilizzazione, evitando così che possano insorgere variazioni dimensionali di una certa entità e quindi in grado di compromettere l'utilizzo corretto dei cuscinetti a rullini.
Un'altra componente fondamentale per un corretto utilizzo dei cuscinetti a rullini, è sicuramente la lubrificazione, in quanto sopratutto a temperature elevate, l'uso di un grasso o di un olio non adatto può sicuramente
influire sul buon funzionamento del cuscinetto causando surriscaldamento ed eccesiva usura.
Struttura delle piste di rotolamento
Per i cuscinetti a rullini, gabbie a rullini ecc. che vengono montati senza anello interno od esterno quindi che utilizzano l'albero come sede di scorrimento, sarà opportuno fare in modo che le piste di rotolamento ed i rullini
abbiano entrambi una durezza compresa tra i 58 ed i 64 HRC. Se le piste di scorrimento hanno una durezza inferiore ai valori sopraindicati si deduce che la capacità di carico diminuisce ed aumenta l'usura.A tal proposito
si può ricorrere alla tabella sottoindicata, moltiplicando il coefficente di carico dinamico per il corrispondente valore di durezza della pista di rotolamento:
Durezza (espressa in HRC)
60 58 55 50 48 45 40 35 30 25
Fattori di riduzione dei carichi
1 1 0,7 0,55 0,48 0,41 0,32 0,24 0,17 0,11
Nella scelta più adeguata del materiale di costruzione delle piste di rotolamento possono essere impiegati gli acciai legati con un grado di purezza corrispondente,
come ad esempio:
• Acciai di tutta tempra
• Acciai da cementazione
• Acciai per tempra alla fiamma o ad induzione
Numero di giri e velocità massima
Ammissibile
La velocità massima ammissibile di rotazione di un cuscinetto volvente dipende da numerosi fattori, che devono essere tutti considerati per avere un dato abbastanza
attendibile. Di seguito elencheremo quelle che sono le variabili più importanti da considerare per sapere il numero di giri massimo che può sopportare
un cuscinetto volvente:
• tipo di cuscinetto (forma e dimensioni).
• carico
• lubrificazione (olio o grasso).
• fattore di raffredamento
In altri casi possono essere determinanti diversi altri fattori come ad esempio la silenziosità e la funzione di tenuta, purchè come presupposto siano stati rispettati i
seguenti criteri:
• montaggio corretto
• giuoco d'esercizio normale
• condizioni costanti di funzionamento
Occorre puntualizzare che in applicazioni speciali dove è necessario oltrepassare il numero di giri ammissibile è opportuno prendere accorgimenti particolari come ad
esempio una lubrificazione a circolazione d'olio. Per velocità di rotazione molto elevate è opportuno usare una lubrificazione come la sopraindicata ma integrandola
con un dispositivo di raffredamento dell'olio o nei casi estremi una lubrificazione a nebbia o ad iniezione d'olio. In applicazioni particolari è consigliabile anche
l'utilizzo di gabbie speciali.
9. Lubrificazione
La lubrificazione è sicuramente uno dei fattori più importanti per il buon funzionamento di un cuscinetto, in quanto impedisce l'insorgere di attrito tra i corpi volventi,
gli anelli e la gabbia, inoltre costituisce una protezione notevole per alcuni agenti esterni come polvere od umidità evitando corrosione ed usura.
Il quantitativo di prodotto lubrificante per i cuscinetti è decisamente piccolo, a meno che non abbia compiti particolari di tenuta o di dissipazione del calore.
La lubrificazione può avvenire utilizzando sia del grasso che dell'olio. (Seguirà specifico capitolo sulla lubrificazione ad olio e grasso). Occorre specificare che sia il
grasso che l'olio che si andranno ad utilizzare devono essere sempre privi di qualsiasi impurità, in quanto anche un granello di sabbia od una piccola particella di
metallo possono portare al danneggiamento del cuscinetto. Il lubrificante con il tempo perde l'efficacia del servizio, per questo si raccomanda di aggiungere periodicamente
il lubrificante necessario al buon funzionamento del cuscinetto, cercando sempre di tener presente tutte quelle variabili di funzionamento e le particolari condizioni d'esercizio (polvere, umidità, temperatura
eccessiva). Naturalmente per i cuscinetti con lubrificazione a vita non sarà necessario preoccuparsi della lubrificazione, in quanto sono stati studiati per applicazioni particolari dove non è possibile effettuare
alcuna rilubrificazione periodica.
9.1 Lubrificazione a grasso
Il grasso utilizzato come lubrificante presenta dei vantaggi, oppone una resistenza maggiore all'ossidazione ed al formarsi di ruggine e permette di avere meno dispersione
durante l'utilizzo del cuscinetto. Solitamente la scelta di effettuare una lubrificazione con grasso piuttosto che con olio prevede una velocità ed una temperatura
d'esercizio meno elevata. Dalle tabelle dei singoli cuscinetti presentati in questo catalogo è possibile vedere le diverse velocità d'esercizio. Per effettuare una
scelta adeguata del grasso da utilizzare risulta importante prendere in considerazione i seguenti criteri:
• Temperatura d'esercizio - (Il campo di temperatura di un grasso deve essere leggermente superiore al campo della temperatura d'esercizio del cuscinetto.
E' consigliabile non raggiungere mai la massima e la minima temperatura d'esercizio).
• Tipologia del grasso - (Vedi tabella sottoindicata).
• Caratteristiche generali del grasso (idrorepellenza,
conservazione, compatibilità)
Per quel che concerne la conservazione del grasso presente nei cuscinetti, risulta molto importante attenersi alle specifiche dei produttori, in quanto in particolari condizioni non è possibile garantire una durata superiore
a circa 3 anni, a meno che non vengano rispettate le seguenti condizioni indispensabili:
• tipologia dell'ambiente (ambiente chiuso)
• umidità (max 70% nell'aria)
• temperatura min 0° - max. 40°
• imballo del cuscinetto
• contaminazione da fattori esterni (gas, polvere, vapori ecc.)
Se il cuscinetto rimane inutilizzato per un periodo superiore a quello indicato, potrebbe presentare un maggior attrito al momento dell'utilizzo, ma ciò non dovrebbe
impedirne l'uso a meno che non siano state rispettatè le necessarie precauzioni per una corretta conservazione. Nei casi che il grasso dovesse presentare dei problemi di
lubrificazione dovuti ad un eventuale essicazione, si può ricorrere al lavaggio del cuscinetto e rilubrificarlo con la stessa quantità di grasso impiegata all'origine od al primo
montaggio. Per effettuare una corretta rilubrificazione, occorre che il cuscinetto sia in temperatura di funzionamento ed in rotazione, possibilmente prima dell'arresto
della macchina. Si consiglia di utilizzare una quantità di grasso dal 20% all'80% di quella iniziale.
9.2 Lubrificazione ad olio
La lubrificazione ad olio viene solitamente utilizzata quanto si è in presenza di applicazioni che necessitano di raggiungere alte velocità e carichi elevati richiedenti
dispersione del calore dei cuscinetti, o quando le parti adiacenti sono già lubrificate con olio. In linea di massima si consiglia l'utilizzo di olii minerali raffinati senza
additivi. Per applicazioni particolari si possono utilizzare olii con additivi ma anche olii di tipo sintetico, consigliati sopratutto per il raggiungimento di temperature elevate.
In linea di massima sarebbe opportuno scegliere un olio lubrificante che presenti una viscosità che assicuri alla temperatura di funzionamento un valore che
non scenda al di sotto dei 12mm2/s. Se vengono effettuate applicazioni speciali, dove si raggiungono valori molto elevati in numero di giri è consigliabile
utilizzare olii fluidi in grado di garantire la massima fluidità e quindi il minor attrito dei corpi volventi.
Tipi di lubrificazione ad olio
La scelta del tipo di lubrificazione da utilizzare dipende sopratutto dall'applicazione che si deve effettuare e dalle velocità che il cuscinetto deve raggiungere.
Andremo qui di seguito ad elencare quelle che sono le diverse tipologie di lubrificazione più utilizzate:
9.3.1 Lubrificazione a goccia d'olio: viene utilizzata per i cuscinetti radiali, garantisce un elevato numero di giri, ma è utilizzabile solo nel casi in
cui il cuscinetto sia fornito di foro di lubrificazione nell'anello esterno
9.3.2 Lubrificazione a bagno d'olio: viene anche definita con altri nomi (ad immersione o coppa d'olio), viene solitamente utilizzata per basse
velocità, circa la metà dei giri che il cuscinetto può realmente raggiungere.
E' adatta ai montaggi in asse orizzontale, il livello del bagno con cuscinetto fermo deve raggiungere il punto più basso della pista interna di rotolamento.
La quantità d'olio non deve essere troppo scarsa, in quanto tale mancanza potrebbe creare degli intervalli di cambio d'olio troppo ridotti,
inoltre si raccomanda un controllo costante del livello dell'olio attraverso apposito indicatore.
9.3.3 Lubrificazione a circolazione d'olio: viene utilizzata quando si raggiungono velocità e temperature alte, questo dovrebbe garantire una
minor usura del cuscinetto e un minor ricambio d'olio. Attraverso un filtraggio è possibile mantenere la temperatura di funzionamento bassa.
9.3.4 Lubrificazione a nebbia d'olio: viene utilizzata quando si devono raggiungere alte velocità di rotazione, in quanto questo sistema di lubrificazione
funziona attraverso l'iniezione di piccole quantità d'olio dosabili, polverizzato in una corrente d'aria. Si precisa che l'aria dovrà essere
secca e priva di qualsiasi impurità. La sovrapressione che si viene a creare all'interno della macchina dovrebbe garantire l'esclusione di qualsiasi
agente inquinante esterno, come polvere, detriti, vapori, umidità ecc.
9.3.5 Lubrificazione ad olio centralizzata: viene utilizzata quando esiste la necessità di dover lubrificare delle attrezzature in diversi punti, solitamente
quest'operazione avviene attraverso una pompa centralizzata che provvede alla distribuzione dell'olio nei vari reparti interessati. Ha sicuramente il
vantaggio di offrire un maggior controllo della dose del liquido di lubrificazione ed il filtraggio.
10. Tabelle delle tolleranze
Le tolleranze dei cuscinetti sono state normalizzate a livello sia nazionale che internazionale ai sensi delle norme ISO. I cuscinetti vengono in genere costruiti in
classe di tolleranza P0. Su richiesta, possono inoltre essere costruiti in classi di tolleranza P6, P5, P4 e P2. Questi ultimi cuscinetti vengono impiegati per applicazioni
speciali, quali guida di alta precisione di alberi o altissime velocità di rotolamento.
Giuoco radiale dei cuscinetti a rullini
Uno dei principali fattori di influenza sulla durata dei cuscinetti a rullini é il giuoco radiale, determinato come il valore medio di varie misure dello spostamento totale
sul piano perpendicolare all'asse del cuscinetto. Tale spostamento è tipico di uno degli anelli del cuscinetto (l'altro è stazionario) durante il rotolamento in varie
direzioni angolari, sia rispetto all'anello rotante che a quello stazionario e a diverse posizioni angolari della serie di sfere o rulli rispetto agli anelli stessi.
Visti i diversi coefficienti di giuoco richiesti alla consegna, i cuscinetti radiali vengono costruiti secondo vari gruppi di giuoco iniziale. Di norma, i cuscinetti radiali a
rullini vengono costruiti secondo il gruppo a giuoco radiale normale CN, che, ad impieghi comuni alla maggior parte dei casi, forniscono parametri soddisfacenti
di funzionamento. Il giuoco radiale viene evidenziato con l'aggiunta alla sigla del cuscinetto della designazione della classe di precisione (C2, C3, C4, C5), mentre ai
cuscinetti costruiti con un giuoco radiale corrispondente al gruppo normale non vengono assegnate ulteriori designazioni convenzionali.
Le tabelle seguenti forniscono i valori di giuoco radiale.
12. Montaggio e smontaggio
Le sedi di montaggio dei cuscinetti devono sempre essere perfettamente pulite, in quanto le impurità possono essere causa di mal funzionamento del cuscinetto.
Al momento del montaggio devono essere controllate le tolleranze dimensionali, per ciò che riguarda il foro dell'alloggiamento e la sede dell’albero. Per un corretto
montaggio è opportuno utilizzare apposita attrezzatura, ma si può procedere anche senza, purchè non si comprometta il buon funzionamento del pezzo. Il montaggio
può essere agevolato attraverso l'utilizzo di una buona lubrificazione sia degli anelli interni che esterni e delle sedi di alloggiamento.
Si raccomanda inoltre di eseguire il montaggio sempre dopo aver portato il cuscinetto a temperatura di circa 80°, in forno od a bagno d'olio ed effettuare una prova
di funzionamento del cuscinetto.
Per ciò che riguarda lo smontaggio del cuscinetto dovrebbe essere prevista già in fase di progettazione la possibilità di utilizzare un estrattore. Dopo lo smontaggio
è necessario ripulire il cuscinetto con detergenti organici (petrolio privo di acidi ed acqua, oppure benzina) per poterlo riutilizzare.
