Cuscinetti

Il seguente articolo introdurrà l’argomento dei cuscinetti, spiegandone funzione, utilizzi, tipologie ed introducendone il dimensionamento. Buona lettura!

Cosa sono i cuscinetti?

I cuscinetti sono componenti meccanici che hanno per funzione garantire un rotolamento senza strisciamento tra due corpi. L’esempio più classico dell’utilizzo di un cuscinetto è il rotolamento di una ruota attorno ad un perno fisso.

Un cuscinetto è composto da 4 elementi:

• Pista esterna
• Pista interna
• Elementi volventi
• Gabbia

Il principio di funzionamento di un cuscinetto è semplice in questo senso: sfruttando il rotolamento degli elementi volventi, mantenuti in posizione dalla gabbia, le 2 piste (collegate rispettivamente alle 2 parti che devono muoversi relativamente tra loro) non strisceranno mai tra loro.

Tipi di cuscinetti

Le tipologie di cuscinetti sono svariate, ma possiamo fare una prima macro-suddivisione in:

• Cuscinetti assiali, chiamati così in quanto progettati per sopportare carichi lungo la direzione dell’asse del cuscinetto
• Cuscinetti radiali, progettati per poter sopportare carichi lungo la direzione radiale (verso “il centro del cuscinetto”)

Nell’immagine sopra sono stati rappresentati come elementi volventi delle sfere, ma a seconda dell’utilizzo necessario possiamo avere:

• Sfere
• Rulli (che a loro volta possono essere rulli cilindrici, rullini, rulli a botte, rulli conici); in particolare essi vengono utilizzati qualora sia necessaria la massima precisione di lavoro.

Cinematica dei cuscinetti

Come già detto sopra, i cuscinetti garantiscono un rotolamento relativo tra 2 parti: andiamo a vedere le velocità in gioco:

Per non avere strisciamento nei punti di contatto dei volventi, è necessario che la velocità delle piste in quei punti sia uguale alla velocità dei volventi stessi. Questo implicherà, a seconda delle velocità rotazionali delle 2 piste, che le sfere/rulli compiano un movimento scomponibile in 2 differenti:

• Moto di rotazione attorno al proprio asse, espresso con il termine Θ_{ELEMENTO VOLVENTE}
• Moto di traslazione lungo la traiettoria compresa tra 2 piste, espresso con il termine V_CUSCINETTO

Possiamo calcolare i 2 valori sopra riportati come segue:

• Calcoliamo i valori di V_A e V_B come segue

• Calcoliamo la media tra i due valori ottenuti per ottenere V_CUSCINETTO facendo attenzione alle direzioni (se le direzioni sono uguali, useremo la formula (1), se sono contrarie la formula (2))

Per calcolare la velocità rotazionale dei cuscinetti nei casi (1) e e (2), possiamo usare la formula seguente:

Nota: la velocità rotazionale, che in gergo tecnico è detta velocità angolare, in queste formule è espressa in radianti al secondo. Un radiante corrisponde all’angolo che si formerebbe se si sviluppasse la lunghezza di un raggio lungo la circonferenza.

Durante questi calcoli, deve essere mantenuta la forma rad/s. Per passare da radianti/secondo a giri/secondo, sarà necessario alla fine dividere per 2π, cioè per 6,28 (6.28 radianti/s = 1 giro/s)

Esempio:

Dimensionamento dei cuscinetti

Il dimensionamento dei cuscinetti dipende

• Dal tipo di carico supportato dal cuscinetto
• Dalle caratteristiche del cuscinetto stesso

Abbiamo 2 tipologie di carico:

• Carico statico (fisso)
• Carico dinamico (rotante)

Nel caso di carico statico la formula sarà la seguente

Dove:

• P₀ è il carico statico totale agente sul cuscinetto (la forza che grava su di esso)
• C₀ è la capacità di carico del cuscinetto stesso (il carico necessario a far deformare il cuscinetto di 1/10000 del proprio diametro), indica cioè quanto il cuscinetto sia in grado di sopportare. E’ un dato che viene reso noto dal costruttore
• f_s è il fattore di servizio. Dovrà essere sicuramente maggiore di 1 affinchè il cuscinetto tenga (solitamente si usa almeno 1.5)

Per quanto riguarda i carichi dinamici, la formula è simile:

Dove:

• L₁₀ è il numero di milioni di cicli ( ad esempio, L₁₀ =6 corrisponde a 6 milioni di cicli) che il cuscinetto è in grado di reggere
• P è il carico variabile agente sul cuscinetto
• C indica la capacità di carico del cuscinetto (in particolare indica il carico che statisticamente, sul 90% dei cuscinetti provati, ha permesso una durata massima di 1 milione di cicli). Anch’esso è un dato che viene fornito dal costruttore
• l’esponente p varrà 3 se ho un cuscinetto a sfere, 10/3 se ho un cuscinetto a rulli

Applicazioni tipiche

I cuscinetti trovano applicazione in svariati campi dell’industria meccanica e di macchinari industriali. In linea generale, ogni qualvolta ci si trovi di fronte ad una necessità di avere rotazioni relative tra le parti, vi è l’utilizzo di un cuscinetto: per alberi, assi, rotori, ruote ecc.

Per il loro vasto utilizzo, i cuscinetti sono stati standardizzati: le loro dimensioni, i requisiti da avere, i test che devono svolgere prima della messa in commercio devono seguire dei criteri imposti (è la stessa logica che sta dietro viti, dadi, rondelle ecc)

Conclusioni

L’articolo aveva per scopo il fornire una prima panoramica sui cuscinetti. Fatemi sapere i vostri pareri nei commenti. A presto

Domande di sintesi

• Cosa sono i cuscinetti?
• Da cosa è composto un cuscinetto?
• Quali tipi di cuscinetti posso avere?
• Quali sono i tipi di volventi?
• Descrivi la cinematica dei cuscinetti
• Come si effettua il dimensionamento dei cuscinetti? Quali condizioni di carico posso avere?
• Descrivi applicazioni tipiche dei cuscinetti