Tipi di cuscinetti spiegati: tipi principali, applicazioni e alloggiamento

I cuscinetti sono componenti indispensabili in quasi tutte le applicazioni di macchinari rotanti, dai complessi sistemi aerospaziali ai semplici elettrodomestici. Il loro ruolo fondamentale è quello di ridurre l'attrito tra le parti in movimento, supportare i carichi rotazionali e guidare con precisione il movimento degli elementi della macchina. La selezione del tipo di cuscinetto corretto è fondamentale per garantire la longevità, l'efficienza e l'affidabilità di qualsiasi sistema meccanico. Questo articolo fornisce un'esplorazione dettagliata dei principali tipi di cuscinetti, delle loro applicazioni specifiche e delle diverse disposizioni di alloggiamento utilizzate per supportarli.

I. La funzione principale e i principi di progettazione

Un cuscinetto funziona trasferendo un carico da una parte in movimento (come un albero) a una parte fissa (come l'alloggiamento della macchina). Questo trasferimento viene ottenuto con un attrito minimo, che è la chiave per l'efficienza energetica e la gestione termica. I cuscinetti sono principalmente classificati in base al tipo di movimento che consentono e alla direzione del carico che sono progettati per gestire. Le due categorie principali sono:

Cuscinetti volventi (cuscinetti antifrizione):Questi utilizzano elementi volventi (sfere, rulli o aghi) per separare gli anelli interno ed esterno, convertendo l'attrito radente in attrito volvente molto inferiore.

Cuscinetti piani (cuscinetti a strisciamento):Questi funzionano tramite contatto diretto, spesso lubrificati da un sottile film di olio o altro fluido per creare una separazione idrodinamica o idrostatica, oppure utilizzando materiali autolubrificanti.

II. Tipi principali di cuscinetti volventi

I cuscinetti volventi sono il tipo più comune nelle applicazioni industriali e automobilistiche, classificati in base alla forma dell'elemento volvente e alla loro capacità di gestire diversi tipi di carico (radiale, assiale o combinato).

A. Cuscinetti a sfere

I cuscinetti a sfere utilizzano sfere sferiche come elementi volventi. Sono il tipo più comune grazie alla loro versatilità e al costo relativamente basso.

Cuscinetti radiali a sfere: Il tipo più utilizzato. Sono molto versatili ed eccellenti nella gestione dei carichi radiali (perpendicolari all'albero) e carichi assiali moderati (paralleli all'albero) in entrambe le direzioni. Le applicazioni includono motori elettrici, riduttori e elettrodomestici.

Cuscinetti obliqui a sfere: Progettati con piste sfalsate l'una rispetto all'altra, che li rende ideali per la gestione di carichi combinati elevati (radiali e assiali simultanei). Sono tipicamente utilizzati in coppia e sono fondamentali in applicazioni ad alta velocità e alta precisione come i mandrini delle macchine utensili e i mozzi delle ruote automobilistiche.

Cuscinetti orientabili a sfere:Presentano un anello esterno con una pista sferica continua, che consente all'anello interno e agli elementi volventi di ruotare. Questo compensa il disallineamento dell'albero e gli errori di montaggio. Sono adatti per carichi da leggeri a moderati in macchinari in cui l'allineamento è difficile da mantenere.

B. Cuscinetti a rulli

I cuscinetti a rulli utilizzano rulli cilindrici, conici o sferici, che hanno una superficie di contatto maggiore rispetto alle sfere. Ciò consente loro di supportare carichi significativamente più pesanti rispetto ai cuscinetti a sfere delle stesse dimensioni.

Cuscinetti a rulli cilindrici: Utilizzano rulli più lunghi del loro diametro. Hanno una capacità di carico radiale molto elevata e sono eccellenti per le alte velocità. Tuttavia, generalmente gestiscono poco o nessun carico assiale. Utilizzati in laminatoi, trasmissioni industriali e grandi motori elettrici.

Cuscinetti a rulli orientabili: Questi presentano due file di rulli a forma di botte in una pista ad anello esterno sferica. Come i cuscinetti orientabili a sfere, possono accogliere un significativo disallineamento angolare, ma sono progettati per gestire carichi radiali e assiali estremamente pesanti. Essenziali in ambienti esigenti come turbine eoliche, macchinari per la carta e attrezzature minerarie.

Cuscinetti a rulli conici: Presentano rulli e piste coniche. Questo design li rende particolarmente adatti a gestire carichi combinati molto pesanti — sia grandi forze radiali che grandi forze assiali. Sono prevalentemente utilizzati negli assi dei veicoli, negli ingranaggi e nei macchinari agricoli.

Cuscinetti a rulli aghi:Un tipo di cuscinetto a rulli cilindrici in cui i rulli sono molto sottili rispetto alla loro lunghezza (aghi). Offrono una capacità di carico molto elevata rispetto alla loro sezione trasversale, rendendoli ideali per applicazioni con spazio radiale limitato, come trasmissioni automobilistiche e giunti cardanici.

III. Tipi principali di cuscinetti piani

I cuscinetti piani, o cuscinetti a strisciamento, non utilizzano elementi volventi. Si basano su una superficie di scorrimento, spesso separata da un film lubrificante, o realizzata con materiali intrinsecamente a basso attrito.

Cuscinetti a strisciamento (cuscinetti a manicotto):Il tipo più comune, sono cilindrici e circondano l'albero rotante (perno). Si basano sulla pressione generata da un albero rotante all'interno di un film di fluido (olio o grasso) per impedire il contatto. Fondamentali in macchinari grandi e pesanti come i motori a combustione interna (bielle e cuscinetti principali) e le grandi pompe.

Cuscinetti reggispinta: Progettati per gestire carichi assiali puri. Sono spesso anelli o rondelle. Le applicazioni includono il supporto di alberi verticali e l'impedimento agli alberi di muoversi lateralmente sotto la forza assiale.

Cuscinetti idrostatici e idrodinamici: Questi sono cuscinetti piani altamente sofisticati. I cuscinetti idrodinamici generano il film lubrificante attraverso il movimento relativo delle superfici. I cuscinetti idrostatici utilizzano una pompa esterna per iniettare fluido pressurizzato, creando un film anche quando l'albero è fermo, fornendo rigidità e precisione superiori nei tavoli delle macchine utensili e nei telescopi.

IV. Applicazioni dei cuscinetti per tipo di carico

Il fattore più critico nella selezione dei cuscinetti è il profilo del carico:

V. Alloggiamento e supporto dei cuscinetti

L'alloggiamento del cuscinetto, spesso chiamato piedistallo o blocco di supporto, è il componente strutturale che fissa l'anello esterno del cuscinetto al telaio della macchina, garantendo un corretto allineamento e fornendo l'accesso alla lubrificazione necessaria.

Alloggiamento a flangia:Questo è un alloggiamento di tipo piedistallo in cui il cuscinetto si trova su un piano parallelo all'albero. Sono tipicamente utilizzati per apparecchiature industriali in cui l'albero è supportato tra due punti, come nastri trasportatori e ventilatori. Sono spesso divisi (due parti) per una facile installazione e manutenzione.

Alloggiamento a flangia:Progettato per essere montato perpendicolarmente al telaio di una macchina, simile a una flangia o una piastra. Sono comunemente utilizzati quando l'albero passa attraverso una parete o un pannello laterale di una macchina, come nei rulli di alimentazione o nei miscelatori leggeri.

Alloggiamento di tensionamento:Utilizzato per applicazioni in cui l'albero deve essere teso o regolato, tipicamente presente nei sistemi di trasporto in cui la tensione della cinghia necessita di una regolazione manuale.

L'alloggiamento non solo fornisce supporto meccanico, ma garantisce anche l'integrità del sistema di lubrificazione, proteggendo il cuscinetto da contaminanti come polvere e umidità attraverso l'uso di guarnizioni e fornendo porte per il rabbocco di grasso o olio. Una corretta tenuta e la selezione dell'alloggiamento sono importanti quanto il cuscinetto stesso per ottenere la durata operativa prevista.

In sintesi, il mondo dei cuscinetti è vario e specializzato, che va dai semplici cuscinetti a sfere in applicazioni a basso carico ai complessi sistemi idrostatici in macchinari di alta precisione. Comprendere la distinzione tra cuscinetti volventi e piani e le specifiche capacità di gestione del carico di ciascun tipo è fondamentale per la progettazione e la manutenzione meccanica, che influisce direttamente sulle prestazioni e sulla longevità di qualsiasi apparecchiatura rotante.