Gioco del cuscinetto e gioco di funzionamento, non sono la stessa cosa? E il precarico, l’ho già sentito, ma cosa sarebbe?! Come posso calcolare tutti questi valori e quali sono i criteri importanti per scegliere il giusto gioco di funzionamento? Forse vi siete già trovati di fronte a queste domande: troverete le risposte e informazioni più dettagliate in questo capitolo.
Definizione di gioco del cuscinetto e gioco di funzionamento
Il gioco del cuscinetto si riferisce ad un cuscinetto volvente non installato e può essere descritto come la mobilità interna dei corpi volventi e degli anelli in direzione sia assiale che radiale. Il gioco di funzionamento può anche essere descritto come la mobilità interna dei corpi volventi e degli anelli in entrambe le direzioni, ma si riferisce ad un cuscinetto installato e in funzione.
Gioco interno
Il modo più pratico per spiegare il gioco interno è immaginare un cuscinetto (ad esempio un cuscinetto radiale rigido a sfere) tenuto in mano. Se si prova a spostare l’anello interno di questo cuscinetto su e giù o verso sinistra e verso destra tenendo fermo l’anello esterno, si noterà un piccolo spostamento in direzione radiale (freccia nera) o assiale (freccia viola). Questo spostamento è chiamato gioco del cuscinetto. Al contrario, è anche possibile tenere fermo l’anello interno e spostare l’anello esterno su e giù o verso sinistra e verso destra. Anche in questo caso si parla di gioco del cuscinetto.
Basta con la teoria, passiamo alla spiegazione del gioco del cuscinetto con un esempio pratico. Per un cuscinetto 6008C4, ad esempio, il gioco interno radiale è 28-46µm (= C4). Nella prima fase, il cuscinetto 6008C4 viene montato una volta su un albero in acciaio che ha, ad esempio, una tolleranza k6 (da +2 a +18µm). Poiché il cuscinetto 6008C4 ha una tolleranza sull’anello interno di 0/-12µm, l’accoppiamento risultante tra l’anello interno e l’albero presenta un’interferenza compresa tra 2 a 30µm. Questo valore si ottiene osservando le tolleranze sull’anello interno del cuscinetto e sull’albero.
Vengono presi in considerazione solo i valori estremi, che coprono l’intervallo in cui il cuscinetto “più grande” è montato sull’albero “più piccolo” o il cuscinetto “più piccolo” è montato sull’albero “più grande”. In questo esempio, si tratta dei seguenti casi:
- Albero con diametro esterno (OD) di 40,002 mm e cuscinetto con diametro interno (ID) di 40,000 mm = interferenza di 2µm
- Albero con diametro esterno di 40,018 mm e cuscinetto con diametro interno di 39,988 mm = interferenza di 30µm
Per montare il 6008C4 sull’albero, è necessaria una certa forza per superare l’interferenza. A causa di questa interferenza, il gioco del cuscinetto si riduce in modo tale che dopo il montaggio sull’albero diventa da +3µm a +44µm. Ora l’albero è montato con il 6008C4 all’interno di un alloggiamento in acciaio. In questo esempio, l’alloggiamento ha una tolleranza H6 (0µm/+19µm) e l’anello esterno del cuscinetto ha una tolleranza di 0/-13µm.
Analogamente all’albero, vengono presi in considerazione l’accoppiamento del cuscinetto dell’alloggiamento e la tolleranza dell’anello esterno. In questo caso, vale quanto segue:
- Alloggiamento con diametro interno (ID) di 68,000 mm e cuscinetto con diametro esterno (OD) di 68,000 mm = 0µm
- Alloggiamento con diametro interno di 68,019 mm e cuscinetto con diametro esterno di 67,987 mm = 32µm
Come si può vedere, l’accoppiamento risultante tra l’anello esterno e l’alloggiamento è un gioco di 0µm-32µm. Ciò non modifica il gioco nel cuscinetto: da +3 a +44µm.
L’albero viene quindi fatto ruotare, ad esempio, a 8.000 giri/min. Il cuscinetto 6008C4 ha ora una temperatura di 100°C sull’anello interno e di 90°C sull’anello esterno. Ma cosa succede realmente? L’anello interno e l’anello esterno si espandono a causa del calore, ma l’anello interno si espande più dell’anello esterno a causa della differenza di temperatura. Per questo motivo il gioco nel cuscinetto si riduce: da +3/+44µm a -5,0/+36,5µm. Questa riduzione di circa 7,5µm viene calcolata con l’ausilio di un programma informatico o, in alternativa, con delle formule presenti nel catalogo.
Se ora si aggiunge una forza radiale, il gioco radiale interno aumenta nuovamente. Il motivo è che alcuni corpi volventi assorbono il carico radiale, mentre gli altri corpi volventi vengono scaricati. I corpi volventi sotto carico si deformeranno leggermente (deformazione elastica). Nell’illustrazione del carico radiale, questo è mostrato per un cuscinetto radiale rigido a sfere. La lunghezza delle frecce gialle indica l’entità della forza che agisce sui corpi volventi, dove la deformazione elastica è proporzionale alla forza.
Esistono diversi gruppi di gioco interno radiale per i cuscinetti volventi. Questi sono riportati nella tabella. (Nota: il gioco interno assiale può essere calcolato partendo dal gioco radiale mediante formule, ad esempio per i cuscinetti radiali rigidi a sfere).
| Gioco interno | Significato | Possibili applicazioni |
| C2 | Il gioco del cuscinetto è inferiore al normale |
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| CN | Gioco del cuscinetto standard |
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| C3 | Il gioco del cuscinetto è maggiore del normale |
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| C4 | Maggiore di C3 |
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| C5 | Maggiore di C4 |
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Incontrerete sicuramente in altre situazioni il gioco CN, C3 e C4. Le altre classi di gioco del cuscinetto sono utilizzate solo in condizioni operative speciali.
Gioco di funzionamento
Ora possiamo dire che il gioco del cuscinetto nello stato operativo è compreso tra -5,0µm e 36,5µm. Questo gioco del cuscinetto durante il funzionamento è anche chiamato gioco di funzionamento. Nella tabella sono riportate le variazioni corrispondenti al gioco del cuscinetto in base alle condizioni di montaggio.
| Riepilogo dei risultati | ||||||
| Passagio | Stato | Gioco interno radiale/gioco di funzionamento | ||||
| 1 | Prima del montaggio | 28µm – 46µm | ||||
| 2 | Dopo il montaggio sull’albero (tolleranza k6) | 3µm – 44µm | ||||
| 3 | Dopo il montaggio nell’alloggiamento (tolleranza H6) | 3µm – 44µm | ||||
| 4 | In funzione, 8.000 giri/min, temperatura dell’anello interno: 100°C temperatura dell’anello esterno: 90°C | da -5,0µm a +36,5µm | ||||
| 5 | Forza radiale di 1.000 N | da +7,3µm a +48,7µm | ||||
Questa tabella riassume i fattori principali che influenzano il gioco radiale.
Formula 11
Gioco radiale = δ
Gioco assiale = δ1 + δ2
Determinazione del gioco radiale e assiale.
Esempio: relazione tra gioco di funzionamento e durata operativa
Una scelta mirata e accurata del gioco del cuscinetto è fondamentale, poiché il conseguente gioco di funzionamento influisce sulla durata operativa (non sul calcolo della durata operativa L10h), sull’andamento della temperatura, sulle prestazioni del cuscinetto e sul livello di rumorosità in funzionamento. Gli effetti del gioco di funzionamento sulla durata operativa sono illustrati nel grafico.
Come evidenziato nella figura, la durata operativa diminuisce rapidamente nelle aree 3 e 1. Ma perché diminuisce così tanto? Supponiamo che il cuscinetto 6008C4 citato nell’esempio precedente abbia 12 sfere (corpi volventi). Se la differenza di temperatura tra l’anello interno e l’anello esterno aumenta, il gioco di funzionamento diminuirà (gamma 3). Di conseguenza, tutti i 12 corpi volventi sono ora in contatto, aumentando la resistenza alla rotazione finché non si verifica lo strisciamento (il rotolamento non avviene più). Ciò riduce la durata operativa fino al cedimento totale! Se ampliamo di un’ulteriore colonna la tabella di cui sopra delle classi di gioco del cuscinetto, nella quarta colonna (sfere portanti) possiamo inserire il numero di sfere che “supportano” la forza radiale (ad esempio il peso dell’albero).
| Passagio | Stato | Gioco del cuscinetto/gioco di funzionamento | Sfere portanti | Area della durata operativa (vedi grafico sopra) | Nota | ||||||
| 1 | Prima del montaggio | 28µm – 46µm | – | – | – | ||||||
| 2 | Dopo il montaggio sull’albero (accoppiamento k6) | 3µm – 44µm | 3-12 | 1–2 | – | ||||||
| 3 | Dopo il montaggio nell’alloggiamento (H6) | 3µm – 44µm | 3-12 | 1–2 | – | ||||||
| 4 | In funzione, 8.000 giri/min, temperatura dell’anello interno: 100°C temperatura dell’anello esterno: 90°C | da -5,0µm a 36,5µm | 12-12 | 2–3 |  Il cuscinetto 6008C4 ha una temperatura dell’anello interno di 100°C e una temperatura dell’anello esterno di 90°C a n = 8.000 giri/min. | ||||||
| 5 | Forza radiale di 1.000 N | +7,3µm -> +48,7µm | 7-12 | 2–1 |  Il cuscinetto 6008C4 funziona con un carico radiale di 1.000 N. | ||||||
Questa tabella mostra quante sfere o corpi volventi supportano il carico in funzione del gioco di funzionamento.
Calcolo del gioco di funzionamento
Anche se il gioco di funzionamento dovrebbe (teoricamente) essere leggermente negativo per ottenere la massima durata operativa dei cuscinetti, nella pratica quotidiana, in condizioni operative normali, il gioco di funzionamento è solitamente fissato appena sopra lo zero. Il motivo è che questo gioco di funzionamento negativo (precarico) potrebbe aumentare se un cuscinetto volvente fosse esposto a condizioni operative mutevoli. Ciò porterebbe a sua volta alla riduzione della durata operativa già descritta.
Per calcolare il gioco di funzionamento, è necessario tenere conto di fattori come gli accoppiamenti e le differenze di temperatura che si verificano tra l’anello interno e quello esterno.
Formula 12
δeff = δo – ( δf + δt )
δeff = Interferenza effettiva (dovuta agli accoppiamenti), mm
δo = Gioco del cuscinetto, mm
δf = Diminuzione del gioco del cuscinetto dovuta all’interferenza causata dagli accoppiamenti, mm
δt = Diminuzione del gioco del cuscinetto dovuta alle differenze di temperatura tra gli anelli interno ed esterno, mm
Il calcolo del gioco di funzionamento δeff richiede tre variabili.
Interferenza δf
Il gioco del cuscinetto si riduce a causa delle interferenze δf tra l’anello interno e l’albero o tra l’anello esterno e l’alloggiamento. A causa dell’interferenza δf tra l’anello interno e l’albero, l’anello interno si espande o l’anello esterno si contrae (interferenza tra l’anello esterno e l’alloggiamento) durante il montaggio.
La formula 13 può essere utilizzata per calcolare la riduzione del gioco del cuscinetto. Per semplicità, fattori quali la forma del cuscinetto, dell’albero e dell’alloggiamento nonché i materiali utilizzati sono presi in considerazione con una accuratezza del 70%-90%. In generale, quanto maggiore è l’interferenza, tanto più si riduce il gioco del cuscinetto.
Formula 13
δf = (0,70 ~ 0,90) ∆deff
∆deff indica l’interferenza effettiva in mm.
Differenza di temperatura δt
Il calcolo del valore δf non rappresenta il quadro completo. Il passo successivo consiste nel calcolare la variabile δt, che tiene conto della riduzione del gioco di funzionamento dovuta alla differenza di temperatura nel cuscinetto. Un’informazione importante: quando il cuscinetto è in funzione, l’anello esterno è normalmente da 5 a 10°C più freddo dell’anello interno. In determinate condizioni, come ad esempio una dissipazione del calore dell’alloggiamento superiore alla media, questa differenza può essere ancora maggiore.
Formula 14
δt = ∝ × ∆T ×Do
∝= Coefficiente termico di dilatazione del materiale del cuscinetto, 12,5 × ((10)*6/°C)
∆T = Differenza di temperatura (anello interno/esterno) in °C
Do = Diametro della pista dell’anello esterno, mm
Nel calcolare la riduzione del gioco di funzionamento dovuta alla differenza di temperatura, è necessario tenere conto di diversi fattori.
Diametro della pista dell'anello esterno Do
Per determinare nuovamente il diametro della pista di rotolamento dell’anello esterno Do (approssimativamente), è necessario utilizzare la formula 15 o la formula 16, a seconda del tipo di cuscinetto volvente.
Formula 15
Per i cuscinetti a sfere e i cuscinetti orientabili a rulli:
Do = 0,20 (d + 4,0D)
Formula 16
Per i cuscinetti a rulli (eccetto i cuscinetti orientabili a rulli):
Do = 0,25 (d + 3,0D)
Il calcolo del diametro della pista di rotolamento dell’anello esterno è diverso per i cuscinetti a sfere e per i cuscinetti a rulli.
Precarico
Finora in questo capitolo, si è parlato delle classi di gioco del cuscinetto e di come cambiano durante il funzionamento. Tuttavia, a seconda dell’applicazione, può essere necessario precaricare assialmente i cuscinetti.
Una possibilità, spesso utilizzata ad esempio nei motori elettrici, è il precarico assiale dei cuscinetti volventi mediante una molla (precarico mediante una forza di precarico costante). L’illustrazione lo mostra simbolicamente. La forza della molla agisce su tutta la circonferenza.
Perché farlo? La forza di precarico della molla fa sì che tutte le sfere aderiscano perfettamente alle piste di rotolamento del cuscinetto radiale rigido a sfere (gioco assiale del cuscinetto = 0µm). Il precarico provoca quindi una tensione nei punti di contatto dei corpi volventi e delle piste di rotolamento. Ciò riduce il livello di rumorosità di funzionamento e migliora il comportamento alle vibrazioni.
Un’altra applicazione è rappresentata dai cuscinetti montati sul mandrino di una macchina utensile (da cui il nome di cuscinetto per mandrini). In questo caso i cuscinetti del mandrino vengono precaricati assialmente tramite una molla, come nel motore elettrico, o in alternativa tramite un sistema di bloccaggio a posizione fissa.
La richiesta del precarico è più probabile nei cuscinetti a sfere a contatto obliquo e nei cuscinetti a rulli conici; un leggero precarico ha anche un effetto positivo sulla durata operativa complessiva. Nel contesto del precarico, bisogna sempre considerare lo scopo e l’obiettivo, perché il precarico comporta anche dei rischi, soprattutto se è eccessivo. Pertanto non va trascurato il fatto che ciò può comportare un aumento della pressione superficiale, uno sviluppo di calore estremamente elevato e una riduzione della durata operativa del cuscinetto.
Effetti del precarico:
- Aumento della rigidità
- Consigliato solo limitatamente per le velocità più elevate (vale per il precarico a posizione fissa)
- Miglioramento della concentricità e la precisione di posizionamento
- Influenza positiva su vibrazioni e livello di rumorosità di funzionamento
- Riduzione del rischio di slittamento
- Guida forzata dei corpi volventi sulla nervatura di guida (ad esempio con i cuscinetti a rulli conici)
Diverse conseguenze del precarico.
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