Componenti
CUSCINETTI SOTTILI
01/12/2018

Un cuscinetto a sezione ultrasottile di Kaydon Bearings, distribuito in Italia da Magi.

Kaydon Bearings, società del Gruppo SKF, leader nella produzione di cuscinetti a sezione sottile standard e a disegno, oltre che ralle e cuscinetti integrati per applicazioni e processi industriali, fornisce prodotti personalizzati basati su specifiche esigenze e prestazioni a diverse tipologie di clienti e settori industriali: dall’aerospaziale a quello delle apparecchiature medicali ed elettroniche, dal comparto delle energie rinnovabili al mondo dell’after-market. La società, che ha ideato il cuscinetto a sezione sottile nel 1943, è una Divisione di Kaydon Corporation, con sede a Muskegon, in Michigan, negli USA. In Italia, i cuscinetti Kaydon sono distribuiti da Magi s.r.l. di Milano. Le prove sui cuscinetti a sezione sottile, in particolare, hanno dimostrato che necessitano di un minor spazio e hanno un peso estremamente contenuto.

Joe Zagar (*)

Durante tutto il 20° secolo, i cuscinetti a sfere sono stati considerati uno dei cardini dell’industria. Ma ora, considerando la miniaturizzazione dei componenti richiesta dal mercato, i cuscinetti a sezione sottile, grazie alle dimensioni e ai pesi ridotti, soddisfano in pieno le esigenze dell’era automatizzata. Oggi le classiche geometrie interne dei cuscinetti a sfere industriali con sezione standard sono anche disponibili nella versione a sezione sottile, che consente di risparmiare spazio e peso per oltre l’80% nella maggior parte delle applicazioni (vedi foto di apertura). L’esperienza e le conoscenze di Kaydon Bearings (www.kaydonbearings.com/italian.htm), rappresentata in Italia da Magi (www.magicuscinetti.com), permettono di tracciare un quadro esaustivo dell’attuale “stato dell’arte” in materia.

SCANALATURA PROFONDA, CONTATTO OBLIQUO E TIPO X 

La geometria interna dei cuscinetti a sfere è disponibile nelle versioni radiali a sfere e a contatto obliquo che consentono l’accoppiamento. I cuscinetti a sezione sottile hanno anche un’opzione che non si trova spesso nelle serie convenzionali, che può essere la soluzione ideale per molte applicazioni: il cuscinetto a quattro punti di contatto di tipo X, illustrato nella seconda immagine.

Mentre i cuscinetti a contatto obliquo sono spesso assemblati insieme per formare due elementi accoppiati in grado di supportare carichi radiali, assiali e di coppia, un cuscinetto di tipo X può fondamentalmente combinare queste funzioni con una sola fila di sfere. Ciò si ottiene attraverso una particolare geometria delle gole interne ed esterne.

Nei cuscinetti di tipo X il profilo della gola in ogni pista è composto da due archi di raggio uguale che si intersecano formando un punto sul piano delle parti centrali delle sfere. Questa geometria, denominata “arco gotico”, crea quattro punti di contatto intorno a ogni sfera. In virtù del contatto di tutti e quattro i lati delle gole, un cuscinetto di tipo X con una unica fila di sfere è in grado di supportare carichi radiali, assiali e di ribaltamento.

Mentre il tipo X risolve diversi problemi, i cuscinetti di tipo convenzionale C (radiale), nella terza immagine, e quelli di tipo A (contatto obliquo), nella quarta immagine, sono disponibili anche nella versione a sezione sottile, ideale per le applicazioni con basse coppie di attrito ed elevata precisione.

L’utilizzo di più cuscinetti contribuisce a migliorare la capacità di carico della struttura, così come avverrebbe nel caso di cuscinetti a sezione normale. Spesso una coppia di cuscinetti obliqui viene montata su di un lato e un singolo radiale dall’altro per garantire un elevato grado di rigidità alla deflessione e di capacità di carico, come mostrato nell’immagine quinta.

Un cuscinetto di tipo X a quattro punti di contatto.

 

Un cuscinetto di tipo C a contatto radiale.

Un cuscinetto di tipo A a contatto obliquo.

Cuscinetti accoppiati dorso-a-dorso, combinati con un cuscinetto radiale.

DUE CUSCINETTI IN UNO 

Nelle applicazioni pratiche i cuscinetti devono spesso supportare diversi tipi di carico. Ciò significa che un cuscinetto di tipo X – che assorbe carichi radiali, assiali e di coppia – può spesso sostituire due cuscinetti, indipendentemente che siano a sfere a contatto obliquo, a rulli conici o una combinazione di cuscinetti assiali e radiali (a sfere o a rulli), come illustrato nelle immagini sei, sette e otto.

Un altro vantaggio per il progettista è costituito dalla disponibilità di spessori di sezione trasversale che rimangono costanti indipendentemente dal foro richiesto. Ciò consente, ad esempio, l’utilizzo di questi cuscinetti in dispositivi quali piattaforme stabilizzate e apparati ottici per mantenere un ingombro compatto nonostante vengano montati anche cuscinetti di grande diametro, come mostrato nelle immagini nove e dieci.

I cuscinetti a sezione sottile sono disponibili nei livelli di precisione ABEC. Le tolleranze sono controllate per i livelli di precisione ABEC compresi tra 1 e 7. Considerando anche l’elasticità degli anelli dei cuscinetti a sezione sottile di grande diametro per garantirne la precisione vengono applicate ulteriori standard industriali. L’ottimizzazione della precisione in termini di coppie di attrito ridotte con piste lappate e sfere in ceramica possono fornire prestazioni personalizzate anche su bassi livelli di precisione (vedi immagine piccola in home page).

 

Struttura “king post” con due cuscinetti a sfere 6010 convenzionali con foro da circa 2”.

Un cuscinetto singolo a sezione sottile a quattro punti di contatto con foro da 7” KB070XP0 può sostituire due cuscinetti 6010.

Una struttura convenzionale “king post” che utilizza una coppia di cuscinetti a sezione pesante può essere sostituita da un unico cuscinetto a sezione sottile che fornisce molti vantaggi strutturali come, ad esempio, un miglioramento del 50% a livello di rigidità al carico di coppia.

Disponibilità di sezioni trasversali costanti: cuscinetti a sezione sottile di Kaydon Bearings.

I cuscinetti a sezione sottile sono disponibili nelle misure comprese tra ¾” e 40”. Gli spessori delle sezioni trasversali rimangono invariati.

RISPARMIO DI SPAZIO 

I cuscinetti a sfere a sezione sottile possono offrire diversi vantaggi strutturali e opzioni che normalmente non sarebbero possibili all’interno di un unico prodotto antifrizione. In molti casi, è possibile evitare l’ingombro costituito dai convenzionali cuscinetti a sfere, senza sacrificarne la funzionalità.

Un esempio? È possibile ottenere un risparmio di spazio dell’85% e di peso dell’83% scegliendo un cuscinetto a sezione sottile invece che un cuscinetto a sfere convenzionale 6010. Il cuscinetto a sezione sottile (in basso al centro) ha un foro con un alesaggio di circa 2”, una larghezza di 0,25” e 27 sfere con un diametro di 0,125”, con una capacità statica assiale di 1.700 libbre (vedi immagine dieci).

Il cuscinetto ultrasottile può addirittura offrire un risparmio maggiore fino al 99,9% di riduzione del peso e il 97% di riduzione del volume. Per un cuscinetto di dimensioni contenute e che entra nel palmo di una mano, il cuscinetto a sezione sottile è in grado di sopportare notevoli carichi. Il buon supporto (alloggiamento/albero) distribuisce il carico su molte sfere, mentre continua a supportare il limite statico di 609.000 psi Hertz con il massimo del carico su una sfera.

 

Un cuscinetto a sezione ultrasottile (a sinistra) e un cuscinetto a sezione sottile (al centro), entrambi con fori da 2”, rispetto a un cuscinetto a sfere convenzionale 6010 (a destra) con lo stesso alesaggio del foro.

LA SOLUZIONE IDEALE

In un cuscinetto convenzionale i carichi sono distribuiti su pochi elementi di rotolamento di grande diametro (sfere). Il cuscinetto a sezione sottile presenta invece una struttura compatta, utilizza elementi di rotolamento di dimensioni ridotte, ma più numerosi, distribuiti su una superficie più ampia. Ciò consente un supporto di carico e rigidità notevoli in rapporto alle prestazioni dei cuscinetti a sezione standard, consentendo di risparmiare peso e spazio (vedi immagine di chiusura articolo).

I cuscinetti a sezione sottile offrono capacità di carico sufficienti per molte applicazioni, offrendo flessibilità a livello strutturale e la possibilità di ridurre le dimensioni e i costi di sistema a livello generale. Sono una soluzione ideale per risparmiare notevolmente spazio e peso, consentendo prestazioni simili a quelle dei convenzionali cuscinetti. ©tecnelab

(*) Joe Zagar, Ingegnere specializzato di Kaydon Bearings, a Muskegon, in Michigan, negli USA.

Tipica distribuzione della zona di carico sotto carico radiale per cuscinetto a sezione sottile (a sinistra) rispetto a un cuscinetto convenzionale.



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