I cuscinetti sono tra i componenti meccanici più basilari, in quanto riducono l'attrito, supportano gli alberi meccanici e sopportano carichi. I cuscinetti consentono un movimento rotatorio o lineare controllato e fluido degli alberi sotto carichi e velocità variabili. Un cuscinetto è tipicamente costituito da un anello interno e un anello esterno, con elementi volventi posizionati tra di essi. Questi elementi volventi possono essere sfere o rulli. I cuscinetti sono ampiamente utilizzati in vari settori, dai frigoriferi e dai cambi automobilistici alle grandi turbine eoliche.
A cosa servono i cuscinetti?
- I cuscinetti sono considerati componenti essenziali per un funzionamento stabile poiché supportano carichi radiali.
- I cuscinetti impediscono movimenti indesiderati di parti di una macchina controllandone il movimento in direzioni specifiche, come lo scorrimento o la rotazione.
- I cuscinetti riducono l'accumulo di calore riducendo al minimo l'attrito, migliorando l'efficienza delle macchine e rendendole più affidabili.
Tipi di cuscinetti
Cuscinetti a sfera
I cuscinetti a sfere, come suggerisce il nome, utilizzano corpi volventi sferici per ridurre al minimo l'attrito. I cuscinetti a sfere possono sopportare principalmente carichi radiali e, a seconda del tipo, possono supportare anche carichi assiali. Non solo, questi cuscinetti offrono un design compatto con una manutenzione minima, motivo per cui sono considerati convenienti. Nonostante tutto, i cuscinetti a sfere hanno una capacità di carico limitata e possono essere rumorosi in determinate condizioni, come disallineamento o lubrificazione insufficiente.
Tipi di cuscinetti a sfere
Cuscinetti a sfere a gola profonda
I cuscinetti radiali a sfere presentano tipicamente piste di rotolamento profonde e simmetriche. Queste piste offrono un eccellente supporto per carichi moderati ad alta velocità. I cuscinetti radiali a sfere sono noti per la loro capacità di sopportare alte velocità, il basso attrito e il design semplice. I cuscinetti radiali a sfere sono progettati principalmente per carichi radiali, ma possono anche supportare carichi assiali moderati in entrambe le direzioni. Sono disponibili in due design, ad esempio a una o due corone, disponibili in configurazioni aperte, sigillate o schermate.
Cuscinetti a sfere a contatto obliquo
Si tratta di cuscinetti a sfere che solitamente presentano piste di rotolamento sia sul lato interno che su quello esterno degli anelli, sfalsate per formare un angolo di contatto con l'asse. Di conseguenza, possono sopportare carichi combinati supportando sia forze assiali che radiali. Questi cuscinetti offrono un'elevata precisione di rotazione, che li rende adatti per il posizionamento preciso dell'albero. I cuscinetti a contatto obliquo vengono solitamente utilizzati in coppia per sopportare carichi assiali in entrambe le direzioni. Tuttavia, i cuscinetti a contatto obliquo devono solitamente essere utilizzati in coppia o in gruppo per sopportare carichi assiali in entrambe le direzioni.
Cuscinetti in miniatura
I mini cuscinetti a sfere hanno un design compatto, motivo per cui vengono utilizzati in macchine con spazi limitati. Questi cuscinetti offrono una bassa coppia e supportano operazioni ad alta velocità. Essendo solitamente realizzati in acciaio inossidabile, sono piuttosto resistenti, ma non adatti ad applicazioni gravose.
Cuscinetti assiali a sfere
I cuscinetti assiali a sfere supportano solo carichi assiali, motivo per cui sono anche chiamati cuscinetti assiali. Questi cuscinetti sono costituiti da due piste di rotolamento con un gruppo di sfere, disposte in una gabbia. Questa disposizione garantisce una rotazione fluida anche in presenza di forze assiali da basse a moderate. Questi cuscinetti sono disponibili in due varianti:
- Cuscinetti reggispinta unidirezionali
- Cuscinetti reggispinta bidirezionali
Cuscinetti a sfere duplex
Questi cuscinetti sono costituiti da due cuscinetti a contatto obliquo, montati in un set di accoppiamento. Vengono utilizzati per migliorare la capacità di carico e la rigidità. Possono supportare diverse combinazioni di carico radiale, assiale e di momento a seconda della loro disposizione. Possono essere disposti in tre modi diversi, ad esempio:
- Back-to-Back (DB)
- Di persona (DF)
- Tandem (DT)
I cuscinetti a sfere duplex trovano applicazione laddove sono richiesti allineamento preciso e rigidità, ad esempio nei mandrini e nei riduttori CNC.
Cuscinetti a rulli
I cuscinetti a rulli sono simili ai cuscinetti a sfere, ma contengono elementi volventi cilindrici o conici al posto delle sfere. Inoltre, questi cuscinetti possono avere più file di elementi volventi, aumentandone la capacità di carico. Non solo possono sopportare carichi pesanti, ma alcuni cuscinetti a rulli, come quelli cilindrici e conici, possono anche supportare operazioni ad alta velocità. I cuscinetti a rulli sono comunemente utilizzati in macchine per impieghi gravosi come riduttori, macchine edili, nastri trasportatori e ferrovie, e anche in alcuni motori elettrici che richiedono una maggiore capacità di carico.
Tipi di cuscinetti a rulli
Cuscinetti a rulli conici
Questi cuscinetti sono dotati di piste di rotolamento coniche sugli anelli interno ed esterno e di corpi volventi cilindrici conici. Sono progettati in modo tale che le loro superfici coniche convergano in un punto comune sull'asse del cuscinetto. Questa configurazione consente loro di supportare il movimento di rotolamento in modo fluido, senza strisciamento e senza sollecitazioni interne. I cuscinetti a rulli conici sono disposti a coppie, ad esempio dorso a dorso o faccia a faccia, per supportare carichi assiali bidirezionali.
Cuscinetti orientabili a rulli 1
Questi cuscinetti a rulli presentano una pista esterna sferica e una pista interna cilindrica che ospita due corone di rulli. Questa tipica configurazione consente loro di sopportare carichi assiali e radiali. Questi cuscinetti vengono utilizzati laddove è possibile un disallineamento o una flessione dell'albero grazie alla loro capacità di autoallineamento. I cuscinetti orientabili a rulli sono solitamente disponibili con fori cilindrici o conici, in dimensioni che vanno da 20 mm a 900 mm.
Cuscinetti a rulli cilindrici
L'elemento volvente dei cuscinetti a rulli cilindrici rimane a contatto con le piste di rotolamento, offrendo un'elevata capacità di carico radiale. Tuttavia, non possono sopportare carichi assiali significativi a meno che non siano presenti flange di guida. I loro elementi volventi sono leggermente bombati alle estremità, il che contribuisce a ridurre le sollecitazioni e a migliorare le prestazioni. Sebbene siano considerati eccellenti per la gestione dei carichi radiali, possono anche sopportare carichi assiali limitati in presenza di flange sia sull'anello interno che su quello esterno.
Cuscinetti a rullini
I cuscinetti a rulli ad aghi utilizzano rulli lunghi e sottili, che consentono loro di supportare operazioni a velocità da basse a moderate. Sono costruiti in modo tale che i loro alberi o alloggiamenti di accoppiamento fungano da piste di rotolamento. Ciò elimina la necessità di anelli interni o esterni separati, come nei cuscinetti a rulli ad aghi con calotta trafilata.
Cuscinetto sinterizzato
Il cuscinetto sinterizzato è un cuscinetto poroso formato compattando polveri metalliche (come bronzo, leghe a base di ferro o acciaio inossidabile) e sinterizzandole ad alte temperature. Dopo l'impregnazione sotto vuoto con olio, cuscinetti sinterizzati Fornisce autolubrificazione. Comunemente utilizzato in motori, piccoli ventilatori, elettrodomestici e apparecchiature da ufficio, dove la bassa rumorosità e l'assenza di manutenzione sono essenziali.
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Cuscinetti semplici
Questi cuscinetti funzionano secondo il principio della riduzione dell'attrito tramite strisciamento, poiché non utilizzano alcun tipo di elemento volvente. Questi cuscinetti striscianti si inseriscono nell'alloggiamento, dove supportano il movimento lineare o rotatorio regolare dell'albero. L'attrito tra l'interfaccia cuscinetto-albero viene ridotto incorporando una lamina lubrificante o utilizzando un cuscinetto a strisciamento autolubrificato.
Ciò che rende questi cuscinetti degni di nota è la loro semplicità costruttiva, la capacità di supportare carichi elevati e le proprietà autolubrificanti. I cuscinetti lisci sono considerati ideali per movimenti oscillanti o intermittenti, mentre i cuscinetti volventi si usurano rapidamente.
Cuscinetti fluidi
I cuscinetti a fluido supportano il carico utilizzando una pellicola lubrificante, solitamente un fluido pressurizzato, liquido o gassoso. Questa pellicola separa i componenti in movimento eliminando il contatto diretto tra loro. Ciò riduce l'attrito e minimizza l'usura. Questi cuscinetti sono noti per il loro basso attrito, l'affidabilità e l'elevata rigidità. Nonostante tutto ciò, i cuscinetti a fluido richiedono spesso un complesso sistema di controllo del fluido.
Tipi di cuscinetti fluidi
Cuscinetti idrostatici
Questi cuscinetti utilizzano una pompa esterna per fornire la pressione del fluido indipendentemente dal movimento dell'albero. Sono considerati adatti per carichi elevati a basse velocità.
Cuscinetti idrodinamici
I cuscinetti idrodinamici sfruttano il movimento relativo tra le superfici mobili per generare il film fluido. Sono adatti al funzionamento continuo ad alta velocità, ma sono soggetti a usura durante l'avvio e l'arresto.
Cuscinetti magnetici
I cuscinetti magnetici, come suggerisce il nome, sfruttano la forza magnetica per supportare il movimento degli alberi senza alcun contatto fisico tra il cuscinetto e le parti in movimento. Questi cuscinetti funzionano secondo il principio della sospensione elettromagnetica. Questi cuscinetti fanno levitare l'albero in movimento, solitamente sfruttando forze magnetiche attive. Allo stesso tempo, i cuscinetti magnetici passivi sono molto meno comuni per la gestione dei carichi assiali. I cuscinetti magnetici vengono utilizzati laddove sono essenziali un funzionamento pulito, lubrificazione zero, elevate velocità di rotazione e basse vibrazioni.
Cuscinetti magnetici attivi (AMB)
Questi cuscinetti utilizzano elettromagneti, sensori e un sistema di controllo. Qui, il sensore rileva il segnale elettromagnetico e lo invia al sistema di controllo in tempo reale, regolando la posizione dell'albero durante il funzionamento.
Cuscinetti magnetici passivi
Questo cuscinetto magnetico utilizza un magnete permanente per generare un campo magnetico statico che permette di far levitare gli alberi. Ciò si traduce in una soluzione più economica, ma limita la capacità di carico.
Materiali utilizzati nei cuscinetti
Acciaio al carbonio
Per la maggior parte dei cuscinetti a sfere e a rulli viene utilizzato l'acciaio al cromo ad alto tenore di carbonio, che offre un'eccellente durezza e resistenza alla fatica.
Acciaio inossidabile
Grazie alla sua eccezionale resistenza alla corrosione, l'acciaio inossidabile viene utilizzato nei cuscinetti marini.
Bronzo
Una lega autolubrificante di bronzo viene utilizzata nei cuscinetti semplici e nelle boccole per applicazioni ad alto carico e bassa velocità.
Materiali compositi/a base di grafite
Vengono utilizzati nei cuscinetti a secco e ad alta temperatura per le loro proprietà autolubrificanti e di resistenza termica.
Plastica e Polimeri
La plastica viene utilizzata anche per le gabbie dei cuscinetti, che devono resistere a determinate condizioni. Anche polimeri come l'acetale e il nylon vengono utilizzati per la produzione di cuscinetti in plastica.
Usi dei cuscinetti
Industria aerospaziale
I cuscinetti sono ampiamente utilizzati nell'industria aerospaziale: i cuscinetti a sfere sono impiegati nei motori a reazione, mentre i cuscinetti a rulli conici sono impiegati nelle pompe del carburante degli aerei.
Industria automobilistica
I cuscinetti trovano applicazione anche nel settore automobilistico per garantire movimenti più fluidi, ad esempio:
- I cuscinetti a rulli conici vengono utilizzati come cuscinetti delle ruote dei veicoli.
- I cuscinetti a strisciamento vengono utilizzati nei motori a combustione interna dei veicoli.
Macchinari pesanti
Grazie all'elevata capacità di carico, i cuscinetti vengono utilizzati in macchinari pesanti come:
- I cuscinetti a rulli cilindrici vengono utilizzati negli argani delle gru e nei riduttori
- I cuscinetti a rulli ad aghi vengono applicati nelle pompe idrauliche e nelle macchine di perforazione,
Elettronica
I cuscinetti vengono utilizzati nell'elettronica dove supportano il movimento ad alta velocità e carichi elevati, come:
- I cuscinetti a sfere vengono utilizzati nei motori elettrici, nei ventilatori e nei trasportatori.