I cuscinetti a sfere con gola profonda necessitano di precarico? Guida completa

I cuscinetti a sfere con gola profonda non necessitano di precarico nella maggior parte delle applicazioni standard. Sono progettati per funzionare con un gioco interno controllato e il precarico è una misura condizionale per situazioni specifiche come il funzionamento ad alta velocità, carichi molto leggeri, limiti di rumore rigorosi o requisiti di rigidità elevata. Questo articolo spiega cosa fa effettivamente il precarico, quando i cuscinetti a sfere a gola profonda lo richiedono realmente e come applicarlo senza ridurre la durata del cuscinetto.

Cos'è il precarico nei cuscinetti a sfere?

Il precarico è una forza assiale sostenuta applicata a un cuscinetto durante l'installazione in modo che gli elementi volventi rimangano in continuo contatto con le piste. La forza rimuove il gioco assiale libero che esiste all'interno di un cuscinetto nel suo stato neutro e senza carico. In termini pratici, il precarico converte il gioco interno del cuscinetto in una condizione di compressione controllata.

Il gioco interno e il precarico sono cose diverse. Il gioco interno è il gioco incorporato progettato nel cuscinetto in fabbrica, classificato come C0, C2, C3 o gradi simili. Il precarico è uno stato di caricamento creato in fase di assemblaggio. Quando il precarico assiale applicato è sufficientemente grande da consumare il gioco interno, lo stato operativo diventa, in effetti, un gioco negativo.

Lo scopo principale del precarico è impedire agli elementi volventi di slittare o di perdere momentaneamente il contatto con le piste. Quando il contatto è continuo, il movimento è più fluido, le forze d'impatto scompaiono e il gruppo cuscinetto diventa sensibilmente più rigido.

I cuscinetti a sfere con gola profonda necessitano normalmente di precarico?

No. Con carichi radiali standard e velocità moderate, i cuscinetti a sfere con gola profonda sono progettati e realizzati per funzionare senza precarico. Il gioco interno integrato nei cuscinetti standard consente l'espansione termica e la normale deflessione del carico. Ecco perché la maggior parte dei cuscinetti radiali a sfere in servizio funzionano esattamente come appena usciti dalla scatola.

I cuscinetti a sfere a gola profonda utilizzano il metodo di assemblaggio Conrad, in cui le sfere vengono inserite attraverso uno spazio tra gli anelli interno ed esterno e quindi distanziate uniformemente dalla gabbia. Questa costruzione è naturalmente adatta al funzionamento con un gioco definito piuttosto che con un contatto assiale forzato. L'applicazione del precarico spinge il cuscinetto fuori dallo stato operativo basato sul gioco progettato, il che è giustificato solo quando l'applicazione lo richiede.

Le serie standard come 6000, 6200, 6300, 6800 e 6900 vengono installate senza precarico in motori, pompe, elettrodomestici e apparecchiature generali di trasmissione di potenza. Molti costruttori di motori montano i cuscinetti standard direttamente sull'albero e nell'alloggiamento senza alcuna disposizione di precarico. Questa è l'aspettativa predefinita in tutto il settore e si applica a cuscinetti a sfere a gola profonda per motori proprio come avviene per i cuscinetti per uso generale.

Per le applicazioni che non richiedono rigidità o prestazioni acustiche particolari, in genere è sufficiente un cuscinetto sigillato standard. A cuscinetto a sfere a gola profonda sigillato serie 6000 con guarnizioni in gomma, ad esempio, preserva la condizione di gioco interno durante l'installazione e il funzionamento e funziona senza precarico nel tipico servizio di motore e pompa.

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Quando i cuscinetti a sfere con gola profonda richiedono il precarico?

Il precarico diventa rilevante quando le condizioni operative spingono un cuscinetto a sfere con gola profonda al di fuori dell'intervallo per il quale è stato progettato il gioco standard. Le situazioni seguenti sono quelle che si verificano più spesso nella pratica.

Funzionamento ad alta velocità

Quando il valore dn (diametro del foro in millimetri moltiplicato per la velocità dell'albero in giri/min) si avvicina al range di alta velocità, le forze centrifughe possono sollevare gli elementi volventi dalla pista esterna e causare slittamenti. Il precarico assiale mantiene le sfere in continuo contatto con entrambe le piste, prevenendo lo slittamento e il calore generato. Per il servizio motorio ad alta velocità, cuscinetti per motori ad alta velocità sono costruiti con un controllo geometrico più rigoroso, ma il metodo di installazione deve comunque corrispondere alla velocità. In questo intervallo, un precarico assiale leggero è una pratica ingegneristica comune e accettata.

Carico radiale leggero ad alta velocità

Quando il carico radiale è molto piccolo, in genere inferiore all'1-2% circa del coefficiente di carico dinamico del cuscinetto, gli elementi volventi potrebbero non rotolare in modo affidabile e scivolare invece all'interno delle piste. Questo slittamento produce usura e temperatura elevata. Un leggero precarico crea una forza di contatto stabile tra le sfere e le piste. Questo è il motivo cuscinetti a sfere a gola profonda in miniatura utilizzati in piccoli strumenti e motori leggeri sono spesso precaricati con molle quando funzionano ad alta velocità.

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Carichi variabili o d'urto

Quando la direzione o l'entità del carico cambia frequentemente, il gioco del cuscinetto crea una breve perdita di contatto seguita da un impatto al ritorno del carico. Il precarico rimuove tale gioco, in modo che gli elementi volventi rimangano in contatto durante le inversioni di carico, riducendo il rumore dell'impatto e l'affaticamento meccanico.

Limiti severi di rumore o vibrazioni

Il precarico assorbe il gioco interno e limita il movimento incontrollato della sfera, riducendo il rumore emesso dal cuscinetto. Nelle applicazioni con limiti ristretti di rumore o vibrazioni, un cuscinetto leggermente precaricato funziona in modo più silenzioso rispetto allo stesso cuscinetto che funziona allentato. Per un funzionamento costantemente silenzioso, cuscinetti a gola profonda a bassa rumorosità aggiungere un ulteriore livello di controllo della tolleranza di produzione oltre a qualsiasi precarico richiesto dall'applicazione.

Elevata rigidità o precisione di posizionamento

Il precarico comprime la zona di deflessione elastica del cuscinetto, quindi la posizione dell'albero si sposta meno in caso di variazioni di carico. I mandrini delle macchine utensili, le fasi di posizionamento e le apparecchiature di misurazione si affidano a questo effetto per mantenere una posizione stabile dell'albero.

Se sei ancora incerto, consulta questa lista di controllo:

• La velocità operativa è elevata in termini di valore dn? Se sì, prevedere il precarico assiale.
• Il carico radiale è inferiore all'1-2% circa del coefficiente di carico dinamico? Se sì, si consiglia un precarico leggero.
• Il carico cambia frequentemente direzione o comporta urti? In caso affermativo, il precarico stabilizzerà il cuscinetto.
• I limiti di rumore o vibrazioni sono severi? In caso affermativo, combinare il precarico con una qualità del cuscinetto a bassa rumorosità.
• Il carico è costante, moderato e prevalentemente radiale? In caso affermativo, installare senza precarico.

Come applicare il precarico assiale sui cuscinetti a sfere con gola profonda

Una volta confermato che il precarico è necessario, la domanda successiva è come applicarlo. Tre metodi sono di uso comune.

Precarico molla

Il metodo più tollerante è il precarico della molla. Una rondella Belleville o una molla elicoidale applica una forza assiale controllata all'anello esterno o all'anello interno. Poiché una molla mantiene una forza relativamente costante anche quando l'espansione termica modifica la distanza tra le sedi dei cuscinetti, il precarico della molla è la scelta più sicura per i cuscinetti a sfere con gola profonda. È anche la soluzione standard per le configurazioni a cuscinetto singolo, in cui un cuscinetto sostiene il carico e la molla mantiene semplicemente in contatto gli elementi volventi.

Disposizione a doppio cuscinetto

Il secondo metodo utilizza due cuscinetti a sfere a gola profonda montati uno di fronte all'altro o uno di spalle all'altro. Il precarico è impostato dalla differenza di larghezza tra il distanziale dell'anello interno e quello dell'anello esterno. I distanziatori lavorati determinano la forza assiale che i due cuscinetti esercitano l'uno sull'altro. Questa configurazione produce un sistema più rigido ma richiede un'accurata lavorazione del distanziale e un attento assemblaggio.

Regolazione del dado di bloccaggio o del coperchio terminale

Il terzo metodo è il posizionamento assiale rigido con un dado di bloccaggio o un coperchio terminale. Il cuscinetto viene bloccato assialmente finché il gioco interno non viene assorbito. Questo metodo è semplice ma il meno tollerante, poiché la forza di serraggio è difficile da misurare e l'espansione termica può rapidamente convertire un precarico corretto in uno eccessivo.

Come riferimento approssimativo, il precarico assiale per un cuscinetto a sfere con gola profonda generalmente rientra nell'intervallo compreso tra circa lo 0,5 e il 2% del coefficiente di carico dinamico assiale del cuscinetto. Il valore esatto dipende dalle dimensioni del cuscinetto, dalla velocità operativa e dalla rigidità richiesta dall'applicazione, quindi considerare questa cifra come un punto di partenza piuttosto che come una specifica finale. Il produttore del cuscinetto dovrebbe confermare il precarico consigliato per il vostro servizio specifico.

Rischi di un precarico eccessivo e come evitarli

L'applicazione di una quantità eccessiva di precarico è un problema sul campo più comune rispetto all'applicazione di una quantità insufficiente. Quando la forza di precarico è eccessiva, l'attrito tra gli elementi volventi e le piste aumenta notevolmente e il primo segno visibile è un aumento della temperatura di esercizio. Una temperatura dell'alloggiamento che si trova costantemente a più di 30°C circa al di sopra della temperatura ambiente indica che è necessario rivedere il precarico, la classe di gioco o la lubrificazione.

La temperatura elevata porta al secondo problema: la degradazione accelerata del lubrificante. Quando il grasso o l'olio perdono la resistenza della pellicola, ne consegue il contatto metallo-metallo e l'usura accelera rapidamente. Allo stesso tempo, il carico effettivo sul cuscinetto è superiore al carico esterno perché il precarico si aggiunge allo stato di sollecitazione interna, riducendo la durata a fatica calcolata.

Il rumore anomalo è un altro segnale utile. Un cuscinetto correttamente precaricato funziona in modo più silenzioso di uno allentato, ma un precarico eccessivo produce un fischio più acuto o un suono aspro quando gli elementi volventi deformano le piste. Se il rumore aumenta dopo l'applicazione del precarico, ridurre la forza di precarico prima di modificare altri parametri. Per ulteriori informazioni sui fattori alla base dei cuscinetti rumorosi, vedere controllo del rumore e delle vibrazioni nei cuscinetti a sfere a gola profonda .

C'è anche un rischio a livello di progettazione da tenere presente. I cuscinetti a sfere a gola profonda non sono la scelta ideale quando un'applicazione richiede un posizionamento assiale bidirezionale frequente e preciso. I cuscinetti a sfere a contatto obliquo sono progettati specificatamente per sopportare il precarico assiale e fornire una migliore rigidità assiale. Se il requisito fondamentale è la precisione di posizionamento, riconsiderare il tipo di cuscinetto prima di decidere di aumentare il precarico su un cuscinetto a sfere con gola profonda.

Come specificare i requisiti di precarico quando si ordinano i cuscinetti

I cuscinetti a sfere standard a gola profonda vengono forniti senza precarico; il precarico viene creato nel punto di assemblaggio. Il processo di ordinazione deve comunque riflettere il piano di precarico, poiché la classe di gioco interno del cuscinetto influisce direttamente sulla quantità di precarico che può essere applicato in servizio.

Scegliere la classe di gioco interno insieme al target di precarico. Il gioco C3 è comune per il funzionamento ad alta temperatura o ad alta velocità perché lascia spazio all'espansione termica e il precarico assiale funziona contro un gioco effettivo ridotto. Per applicazioni di precisione in cui è accettabile un gioco interno minimo, è possibile specificare C2 o una classe di gioco più ristretta. Indicare chiaramente la classe di sicurezza e la forza di precarico quando si comunicano le proprie esigenze al fornitore.

Se l'applicazione necessita di coppie di cuscinetti accoppiati con un precarico costante, specificarlo nell'ordine. I cuscinetti destinati ad una configurazione a coppia precaricata devono essere selezionati o fabbricati con dimensioni corrispondenti; non è garantito che una coppia standard disponibile in commercio produca lo stesso comportamento di precarico.

Le configurazioni personalizzate meritano un'attenzione speciale. Disegni non standard come anelli interni estesi, guarnizioni speciali o materiali della gabbia modificati possono interagire con il metodo di precarico. Discutere la forza di precarico e la classe di gioco con il produttore in fase di progettazione impedisce la situazione in cui la parte consegnata non può raggiungere il precarico previsto. Per requisiti personalizzati, soluzioni di cuscinetti personalizzati non standard può essere adattato per soddisfare le specifiche di precarico e gioco dell'applicazione.

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Conclusione: il precarico è un requisito condizionale, non un valore predefinito

Se i cuscinetti a sfere con gola profonda necessitano di precarico dipende interamente dalle condizioni operative. Il carico radiale standard a velocità moderata funziona correttamente senza precarico; il gioco interno fa parte della progettazione del cuscinetto. Alta velocità, carico molto leggero, direzione variabile del carico, limiti di rumore rigorosi e requisiti di rigidità elevata giustificano l'aggiunta del precarico assiale. Quando viene applicato il precarico, un sistema a molla è il metodo più sicuro e la forza di precarico deve essere mantenuta su un livello conservativo, poiché un precarico eccessivo provoca calore, rumore e una durata ridotta dei cuscinetti.

Esaminare la propria applicazione rispetto alle condizioni elencate nella Tabella 1. Se si applica una di queste, pianificare il precarico insieme alla classe di gioco quando si ordinano i cuscinetti. Se nessuno di questi si applica, installare il cuscinetto esattamente come è stato progettato per funzionare, senza precarico.