Che cos'è un cuscinetto a contatto angolare e come funziona?

Che cos'è un cuscinetto a contatto angolare

Un cuscinetto a contatto angolare è un tipo di cuscinetto a sfere o a rulli progettato con piste posizionate ad un angolo disassato rispetto all'asse del cuscinetto, consentendogli di supportare carichi combinati radiali e assiali (di spinta) simultaneamente anziché gestire un solo tipo di carico come un cuscinetto a gola profonda standard. Questo offset, chiamato angolo di contatto, varia tipicamente da 15° a 40° e determina la quantità di carico assiale che il cuscinetto può sopportare rispetto al carico radiale.

Cuscinetti a sfere a contatto obliquo utilizzano specificamente le sfere come elemento volvente e sono la forma più comune di questo tipo di cuscinetto, ampiamente utilizzato nei mandrini, nelle pompe e nei riduttori di macchine utensili in cui gli alberi subiscono forze di spinta derivanti dall'ingranamento degli ingranaggi o dalla pressione del fluido insieme ai normali carichi radiali. Un cuscinetto con a Angolo di contatto di 40° può supportare circa il doppio del carico assiale di un cuscinetto con un angolo di 15° della stessa dimensione, motivo per cui la scelta dell'angolo di contatto corretto è la prima decisione in qualsiasi applicazione.

Come funzionano i cuscinetti a sfere a contatto obliquo

All'interno di un cuscinetto a gola profonda standard, le piste interna ed esterna sono allineate in modo che il contatto tra la sfera e la pista avvenga direttamente attraverso il piano radiale. In un cuscinetto a contatto angolare, le piste sono rettificate in modo asimmetrico in modo che la linea che collega i punti di contatto sulle piste interna ed esterna formi un angolo rispetto al piano radiale del cuscinetto.

Perché l'angolo abilita la capacità di spinta

Poiché il percorso del carico corre diagonalmente attraverso la sfera anziché in linea retta, una parte di qualsiasi carico radiale viene convertita in una componente di forza assiale e, viceversa, il cuscinetto può resistere ai carichi assiali che spingono l'albero in una direzione. Questo è il motivo per cui i cuscinetti a contatto angolare sono quasi sempre montati in coppia o in set, poiché un singolo cuscinetto resiste alla spinta solo in una direzione assiale.

Limitazione della spinta unidirezionale

Un singolo cuscinetto a contatto angolare può sopportare solo un carico assiale che spinge l'albero verso il lato dove l'angolo di contatto "si apre". La spinta inversa non sarà supportata, e questo è il motivo principale per cui questi cuscinetti sono generalmente accoppiati schiena a schiena o faccia a faccia nei gruppi reali.

Classi degli angoli di contatto e loro capacità di carico

I produttori producono cuscinetti a sfere a contatto obliquo in alcune classi di angolo di contatto standardizzate, ciascuna adatta a un diverso equilibrio tra velocità e capacità di carico assiale.

Come regola generale, angoli di contatto più bassi supportano velocità più elevate perché una minore forza di contatto della sfera è diretta assialmente, riducendo la generazione di calore, mentre angoli di contatto più elevati sacrificano una certa capacità di velocità per un maggiore supporto del carico di spinta.

Configurazioni dei cuscinetti e disposizioni di montaggio

Poiché un singolo cuscinetto a contatto angolare gestisce solo la spinta unidirezionale, i produttori li forniscono in set pre-accoppiati rettificati per adattarsi insieme al corretto gioco interno. La configurazione scelta influisce sulla rigidità, sulla tolleranza al disallineamento e sulle direzioni di carico supportate.

Le disposizioni back-to-back (DB) sono generalmente preferite per i mandrini delle macchine utensili perché la maggiore distanza centrale effettiva tra i due cuscinetti fornisce resistenza notevolmente superiore al ribaltamento dell'albero sotto carichi di momento rispetto ad una configurazione faccia a faccia.

Cuscinetti a contatto angolare e altri tipi di cuscinetti

Gli ingegneri spesso confrontano i cuscinetti a sfere a contatto obliquo con i cuscinetti a sfere con gola profonda e i cuscinetti a rulli conici quando un albero deve sopportare carichi sia radiali che assiali.

I cuscinetti a sfere a contatto obliquo si collocano in una pratica via di mezzo: tollerano le velocità circa il 20-30% in più rispetto ai cuscinetti a rulli conici di dimensioni comparabili grazie al minore attrito volvente, pur gestendo un carico di spinta significativo che i cuscinetti a gola profonda non sono in grado di gestire in modo affidabile.

Applicazioni comuni dei cuscinetti a sfere a contatto obliquo

La combinazione di capacità radiale e di spinta con buone prestazioni ad alta velocità rende i cuscinetti a contatto angolare la scelta standard in diversi settori.

• Mandrini di macchine utensili – I cuscinetti con angolo di contatto di 15° disposti in coppie spalla a spalla supportano le forze di taglio mantenendo la precisione di rotazione necessaria per una precisione inferiore al micron
• Mozzi delle ruote anteriori automobilistiche: i cuscinetti con angolo di contatto di 40° gestiscono i carichi di spinta in curva insieme al peso del veicolo
• Pompe e compressori centrifughi: i cuscinetti da 25-30° gestiscono la spinta assiale generata dai differenziali di pressione della girante
• Riduttori con ingranaggi elicoidali o conici: i gruppi di contatti angolari assorbono la spinta assiale intrinseca che questi tipi di ingranaggi generano durante l'ingranamento
• Giunti di bracci robotici e tavole rotanti: i cuscinetti accoppiati forniscono la rigidità necessaria per resistere ai momenti di inclinazione sul giunto

Selezione della classe di precarico e precisione

Due ulteriori specifiche determinano le prestazioni di un cuscinetto a contatto angolare una volta installato: livello di precarico e classe di precisione.

Precarica

L'applicazione di un carico interno piccolo e controllato (precarico) durante il montaggio della coppia di cuscinetti rimuove il gioco interno e migliora la precisione di rotazione. Il precarico leggero è adatto alle applicazioni con mandrini ad alta velocità, mentre il precarico pesante viene utilizzato laddove la massima rigidità conta più della velocità massima, come nei mandrini delle rettificatrici.

Classe di precisione

I cuscinetti sono classificati secondo gli standard ISO o ABEC, con ABEC 7 o ABEC 9 (ISO P4/P2) classi riservate per lavorazioni con mandrini ad alta precisione, mentre i cuscinetti standard ABEC 1 (ISO P0) sono sufficienti per riduttori e pompe industriali generali dove non è richiesta un'estrema precisione di rotazione.

Migliori pratiche di installazione e manutenzione

Poiché i gruppi di cuscinetti accoppiati vengono rettificati in coppia, una manipolazione errata durante l'installazione è una delle cause più comuni di guasto prematuro.

1. Non mischiare mai cuscinetti di set accoppiati diversi, poiché il gioco interno è rettificato appositamente per quella coppia
2. Confermare i contrassegni di orientamento corretto (spesso una freccia o una lettera sull'anello esterno) prima dell'installazione, poiché l'inversione di un cuscinetto in un set back-to-back lo converte in una disposizione faccia a faccia non prevista
3. Applicare la forza di montaggio in modo uniforme sulla faccia dell'anello interno utilizzando un manicotto o una pressa, senza mai picchiettare direttamente sulle sfere o sulla gabbia
4. Verificare che le tolleranze dell'albero e dell'alloggiamento corrispondano alle raccomandazioni di montaggio del produttore del cuscinetto, poiché un foro dell'alloggiamento sovradimensionato può ridurre il precarico previsto
5. Rilubrificare agli intervalli specificati dal produttore; i cuscinetti per mandrini ad alta velocità spesso richiedono sistemi olio-aria o grasso a vita invece della lubrificazione manuale periodica

I dati sul campo forniti dai produttori di cuscinetti lo dimostrano costantemente un'impostazione errata del precarico è responsabile di gran parte dei guasti precoci dei cuscinetti del mandrino , più dei difetti dei materiali o della normale usura, motivo per cui le procedure di installazione a coppia controllata sono importanti tanto quanto la scelta stessa del cuscinetto.

Come scegliere il cuscinetto a contatto angolare giusto

La scelta del cuscinetto corretto dipende dalla corrispondenza dell'angolo di contatto, della configurazione e della classe di precisione con il carico effettivo e il profilo di velocità dell'applicazione.

• Calcolare il rapporto previsto tra carico assiale e radiale; rapporti superiori a 0,5 richiedono generalmente un angolo di contatto di 30-40° anziché 15°
• Scegliere il montaggio schiena a schiena (DB) quando la resistenza al carico momento e la rigidità contano di più e faccia a faccia (DF) quando è previsto un disallineamento dell'albero
• Adattare la classe di precisione ai requisiti di precisione dell'applicazione anziché passare alla classe più alta disponibile, poiché una precisione rigorosa inutilmente aggiunge costi significativi senza vantaggi funzionali nell'uso industriale generale
• Confermare che la velocità nominale del cuscinetto (spesso espressa come valore dn, diametro del foro per RPM) supera ampiamente la velocità operativa dell'applicazione
• Collaborare con un fornitore che fornisca documentazione sui set abbinati e indicazioni di orientamento chiare, poiché i cuscinetti non contrassegnati o senza abbinamenti sono difficili da installare correttamente sul campo

Effettuare queste scelte correttamente in fase di progettazione evita il problema molto più costoso di diagnosticare il guasto prematuro dei cuscinetti dopo che una macchina è già in servizio.