I cuscinetti utilizzati nei motori e nei macchinari industriali sono componenti fondamentali che sostengono gli assi rotanti riducendo l’attrito e garantendo un movimento fluido. Se il tipo di cuscinetto o le modalità di scelta non sono adeguati, possono verificarsi vibrazioni, generazione di calore e usura, con il rischio di compromettere le prestazioni del macchinario e ridurne la durata utile.
Esistono diversi tipi di cuscinetti e gli aspetti da verificare, quali la struttura, la direzione del carico e la velocità di rotazione, sono numerosi. In questo articolo spiegheremo in modo chiaro il funzionamento di base dei cuscinetti, le diverse tipologie, come sceglierli, come valutare la durata utile dei cuscinetti e le modalità di manutenzione.
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Che cos’è un cuscinetto?
I cuscinetti (bearing) sono componenti meccanici che sostengono gli alberi rotanti sottoposti a carico. Oltre a mantenere l’albero nella posizione corretta, riducono l’attrito che si genera nelle parti rotanti, garantendo un movimento fluido.
I cuscinetti sono utilizzati in un’ampia gamma di macchinari, tra cui ruote e trasmissioni delle automobili, motori, pompe, nastri trasportatori, lavatrici, ventilatori e robot. Il termine inglese «bear» significa «sostenere» e il cuscinetto è uno dei componenti indispensabili per garantire il funzionamento stabile delle macchine rotanti.
Il ruolo dei cuscinetti
Il ruolo principale dei cuscinetti è quello di sostenere l’albero rotante, riducendo al contempo l’attrito tra l’albero e i componenti circostanti. Se l’albero e i componenti circostanti entrano in contatto diretto, l’attrito di scorrimento può causare usura e generazione di calore.
Nei cuscinetti a rotolamento, sostenendo l’albero tramite corpi volventi quali sfere o rulli, è possibile sostituire l’attrito di scorrimento con l’attrito di rotolamento, riducendo così la resistenza all’attrito. Inoltre, un altro ruolo importante è quello di mantenere correttamente la posizione dell’albero, limitando le oscillazioni e gli scostamenti.
Poiché contribuiscono a ridurre l’attrito, l’usura e la generazione di calore, i cuscinetti possono essere considerati componenti fondamentali per garantire un funzionamento stabile dei macchinari.
Struttura di base dei cuscinetti
I cuscinetti a rotolamento più comuni sono costituiti principalmente da «anello interno», «anello esterno», «corpi volventi» e «gabbia». L’anello interno è montato sul lato dell’albero, mentre l’anello esterno è montato sul lato dell’alloggiamento; il meccanismo prevede che i corpi volventi, quali sfere o rulli, rotolino tra i due anelli.
Il gabbia ha il compito di mantenere i corpi volventi a una distanza adeguata e di limitare il contatto tra di essi. A seconda del prodotto, esistono anche modelli dotati di guarnizioni o schermi per impedire l’ingresso di corpi estranei e la fuoriuscita del lubrificante.
Anche i lubrificanti utilizzati all’interno, come il grasso, sono fondamentali per ridurre l’attrito e l’usura e garantire una rotazione fluida.
Principali tipi di cuscinetti
Esistono vari tipi di cuscinetti, che possono essere classificati in base a diversi criteri, quali il meccanismo di supporto dell’albero, la forma degli elementi rotanti e la direzione del carico a cui sono sottoposti. Poiché le condizioni d’uso appropriate variano a seconda del tipo, è importante comprendere le caratteristiche di ciascun cuscinetto per scegliere quello più adatto all’applicazione.
Di seguito sono riportate le principali classificazioni e caratteristiche dei cuscinetti.
Classificazione | Tipi | Caratteristiche principali |
Meccanismo di supporto dell’albero | Cuscinetti a rotolamento | Supportano l’albero tramite il rotolamento di sfere o rulli, riducendo l’attrito |
Meccanismo di supporto dell’albero | Cuscinetti a scorrimento | L’albero e la superficie di appoggio sono a contatto scorrevole; l’albero viene sostenuto utilizzando lubrificanti o simili |
Forma degli elementi rotanti | Cuscinetti a sfere | Utilizzano sfere; presentano un attrito relativamente basso e sono adatti alla rotazione ad alta velocità |
Forma degli elementi rotanti | Cuscinetti a rulli | Utilizzano rulli e sono adatti a sopportare carichi elevati |
Direzione del carico | Cuscinetti radiali | Sopportano principalmente carichi in direzione perpendicolare all’asse |
Direzione del carico | Cuscinetti assiali | Sostengono principalmente carichi in direzione parallela all’asse |
I punti di confronto variano a seconda del metodo di classificazione. Esaminiamo in dettaglio le differenze da tre punti di vista: il meccanismo di supporto dell’albero, la forma degli elementi rotanti e la direzione del carico applicato.
Cuscinetti a rotolamento e cuscinetti a strisciamento
I cuscinetti si dividono principalmente in “cuscinetti a rotolamento” e “cuscinetti a strisciamento” in base al meccanismo di supporto dell’albero. I cuscinetti a rotolamento presentano una struttura in cui sfere o rulli sono disposti tra l’anello interno e quello esterno, riducendo l’attrito grazie al movimento di rotolamento.
Presentano un attrito relativamente basso e vengono utilizzati in un’ampia gamma di applicazioni, quali motori, macchine utensili e automobili. I cuscinetti a strisciamento, invece, si basano su un contatto scorrevole tra l’albero e la superficie di appoggio, che sostiene l’albero con l’ausilio di lubrificanti.
Hanno una struttura relativamente semplice e, a seconda del tipo, vengono impiegati anche in applicazioni soggette a carichi elevati o urti. È importante scegliere il tipo più adatto tenendo conto della velocità di rotazione, del carico e dell’ambiente di utilizzo.
Cuscinetti a sfere e cuscinetti a rulli
I cuscinetti a rotolamento si dividono in «cuscinetti a sfere» e «cuscinetti a rulli» a seconda della forma dei corpi volventi utilizzati. I cuscinetti a sfere utilizzano corpi volventi di forma sferica e sono caratterizzati da un contatto con la pista di rotolamento che si avvicina a quello puntiforme. Poiché presentano un attrito relativamente basso, sono adatti a piccoli motori di precisione, elettrodomestici e apparecchiature di precisione che richiedono rotazioni ad alta velocità e bassa rumorosità.
I cuscinetti a rulli sono quelli che utilizzano corpi volventi di forma cilindrica, conica o a ago. Poiché il contatto con la pista è lineare, la superficie di appoggio è ampia; vengono quindi impiegati in macchinari industriali, veicoli e macchinari pesanti che richiedono carichi elevati e un’elevata rigidità.
Cuscinetti radiali e cuscinetti assiali
I cuscinetti possono essere classificati principalmente in «cuscinetti radiali» e «cuscinetti assiali» in base alla direzione del carico che sostengono. I cuscinetti radiali sono progettati per sostenere carichi radiali, ovvero quelli applicati in direzione radiale, perpendicolare all’asse. Rientrano in questa categoria, ad esempio, le forze esercitate sull’asse da pulegge o ingranaggi.
I cuscinetti assiali sono progettati per sopportare principalmente carichi assiali, ovvero quelli applicati in direzione parallela all’asse. Vengono utilizzati in applicazioni in cui si applicano forze in direzione assiale, come la spinta delle eliche.
Quando si verificano contemporaneamente carichi radiali e assiali, è necessario scegliere tipi di cuscinetti in grado di sopportare carichi misti, come i cuscinetti a sfere angolari o i cuscinetti a rulli conici.
Principali applicazioni dei cuscinetti
I cuscinetti vengono utilizzati in un’ampia gamma di macchinari dotati di parti rotanti, quali automobili, macchine utensili, macchinari industriali, robot, elettrodomestici, apparecchiature di precisione e motori. Di seguito sono riportate le applicazioni più comuni e le prestazioni principali richieste.
Applicazioni | Esempi di utilizzo | Prestazioni richieste principalmente |
Settore automobilistico | Ruote, trasmissioni, ecc. | Resistenza ai carichi, resistenza agli urti, durata |
Macchine utensili | Mandrino, meccanismi di avanzamento, ecc. | Precisione di rotazione, resistenza alle alte velocità di rotazione, rigidità |
Apparecchiature industriali | Pompe, nastri trasportatori, motori, ecc. | Resistenza al funzionamento continuo, durata |
Robotica | articolazioni, tavole rotanti, ecc. | Precisione di rotazione, ingombro ridotto, resistenza ai carichi compositi |
Elettrodomestici | Lavatrici, condizionatori d’aria, ventilatori, ecc. | Bassa rumorosità, basse vibrazioni |
Apparecchiature di precisione | Apparecchiature medicali, apparecchiature ottiche, ecc. | Precisione di rotazione, basso attrito, basse vibrazioni |
Le prestazioni richieste ai cuscinetti variano a seconda dell’applicazione: nelle macchine utensili sono richieste precisione di rotazione e capacità di sopportare rotazioni ad alta velocità, mentre negli elettrodomestici sono richieste bassa rumorosità e basse vibrazioni. Anche nel caso dei motori, è indispensabile effettuare una scelta in base alla velocità di rotazione, al carico e alla durata utile.
Quando si sceglie un cuscinetto, è importante tenere conto delle caratteristiche della macchina su cui verrà montato e definire con chiarezza condizioni quali l’entità e la direzione del carico, la velocità di rotazione, la precisione e l’ambiente di utilizzo.
Punti chiave per la scelta dei cuscinetti
Nella scelta dei cuscinetti, è importante valutare in modo globale non solo il tipo, ma anche il carico effettivo, la velocità di rotazione, lo spazio di montaggio, la precisione e le condizioni ambientali di utilizzo. L’utilizzo di cuscinetti non adatti alle condizioni può causare generazione di calore, vibrazioni e usura prematura.
I punti principali da verificare in fase di selezione sono i seguenti.
- Condizioni di carico e rotazione
Entità e direzione del carico, velocità di rotazione di utilizzo, durata utile
- Condizioni dimensionali e di precisione
Diametro dell’albero, spazio di montaggio, precisione di rotazione, gioco interno
- Condizioni ambientali e di lubrificazione
Temperatura di esercizio, presenza di polvere o umidità, metodo di lubrificazione, requisiti relativi a vibrazioni e rumore
Nella scelta dei cuscinetti non ci si deve concentrare solo su una specifica condizione, ma occorre valutare in modo globale l’insieme di più fattori. Di seguito, esamineremo in dettaglio questi aspetti, suddividendoli in tre categorie: «Carico e velocità di rotazione», «Dimensioni e precisione» e «Condizioni ambientali e di lubrificazione».
Carico e velocità di rotazione
Nella scelta dei cuscinetti è necessario verificare la direzione e l’entità del carico, nonché la velocità di rotazione. Il tipo di cuscinetto più adatto varia a seconda del rapporto tra il carico radiale, che agisce perpendicolarmente all’albero, e il carico assiale, che agisce lungo l’asse.
Per quanto riguarda la velocità di rotazione, è necessario verificare la velocità massima consentita dal cuscinetto da utilizzare. Maggiore è la velocità, maggiore è la generazione di calore dovuta all’attrito interno, il che può portare al deterioramento del lubrificante o al grippaggio.
In caso di utilizzo a rotazione ad alta velocità, è necessario valutare non solo il tipo di cuscinetto, ma anche il metodo di lubrificazione, le guarnizioni e il raffreddamento.
Dimensioni e precisione
Le dimensioni del cuscinetto vanno selezionate in base al diametro dell’albero, alle dimensioni dell’alloggiamento e allo spazio di montaggio. Anche la precisione di rotazione richiesta dalla macchina è importante: per le applicazioni che richiedono una rotazione di precisione, è necessario optare per cuscinetti con una precisione più elevata.
Un altro aspetto da verificare è il “gioco interno” presente tra l’anello interno, l’anello esterno e gli elementi rotanti. Il gioco interno varia in base alle variazioni di temperatura e ai carichi durante il funzionamento e influisce sulle prestazioni di rotazione, sulle vibrazioni, sulla generazione di calore e sulla durata utile.
È importante non basarsi esclusivamente sulle dimensioni, ma valutare le specifiche tenendo conto anche della precisione e del gioco interno.
Ambiente di utilizzo e condizioni di lubrificazione
I cuscinetti devono essere scelti tenendo conto dell’ambiente di utilizzo (temperatura, polvere, umidità) e delle condizioni di lubrificazione. In caso di condizioni ambientali severe, è indispensabile valutare materiali, guarnizioni e schermature, adottando misure per impedire l’ingresso di corpi estranei e umidità all’interno del cuscinetto.
Per la lubrificazione si utilizzano principalmente grasso e olio; il metodo più adatto varia a seconda della velocità di rotazione, del carico e della temperatura. Oltre al tipo di lubrificante, anche la quantità utilizzata e le modalità di rabbocco e sostituzione sono fattori che influiscono sulle prestazioni e sulla durata utile del cuscinetto.
È necessario valutare la situazione in modo globale, tenendo conto di condizioni quali carico, numero di giri e dimensioni.
Durata utile dei cuscinetti e metodi di calcolo
I cuscinetti sono componenti destinati a un uso a lungo termine, ma l’esposizione continua a carichi ripetuti provoca un accumulo di fatica che, nel tempo, può portare al loro danneggiamento. Per questo motivo, è fondamentale verificare, già in fase di progettazione, se il prodotto è in grado di soddisfare il periodo di utilizzo richiesto.
In questa sede illustreremo i concetti fondamentali relativi alla durata utile dei cuscinetti, i metodi di calcolo e i principali fattori che la influenzano.
Che cos’è la durata utile dei cuscinetti
Nei cuscinetti a rotolamento, poiché la rotazione esercita forze ripetute sulle superfici di rotolamento e sugli elementi rotanti, l’uso prolungato provoca un accumulo di fatica nel materiale. Con il progredire della fatica, può verificarsi il fenomeno del “flaking”, ovvero il distacco a scaglie di parti delle superfici di rotolamento, che costituisce un indicatore della durata utile in termini di fatica da rotolamento.
Tuttavia, anche utilizzando cuscinetti dello stesso tipo nelle stesse condizioni, la durata utile non è necessariamente identica per tutti. Per questo motivo, nei cuscinetti a rotolamento viene utilizzata la “durata utile nominale”, basata su un approccio statistico.
La durata utile nominale è una durata calcolata sulla base della fatica da rotolamento e non corrisponde necessariamente alla durata utile effettiva. La durata utile effettiva è influenzata anche dalle condizioni di lubrificazione, dalla temperatura, dall’ingresso di corpi estranei e dalle condizioni di montaggio.
Metodo di calcolo della durata utile di base
La durata utile di base (L10) è un indicatore che rappresenta il numero totale di giri che il 90% di un gruppo di cuscinetti identici, se utilizzati nelle stesse condizioni, è in grado di compiere senza subire danni dovuti alla fatica da rotolamento.
La durata utile di base si calcola con la seguente formula:
L10 = (C/P)^p × 10⁶ [giri]
Il significato dei simboli utilizzati nella formula è il seguente:
| Simbolo | Significato |
| L10 | Durata utile nominale di base (numero totale di giri) |
| C | Carico dinamico nominale di base |
| P | Carico dinamico equivalente |
| p | Indice di durata utile (cuscinetti a sfere: 3; cuscinetti a rulli: 10/3) |
Il carico nominale dinamico di base (C) è un valore che indica la capacità di carico di riferimento per il calcolo della durata utile di base del cuscinetto ed è riportato nei cataloghi dei prodotti. Il carico equivalente dinamico (P) è il valore ottenuto sostituendo il carico effettivamente applicato con un carico costante utilizzato nel calcolo della durata utile.
Se si conosce il numero di giri, è possibile convertirlo in durata utile per unità di tempo; pertanto, può essere utilizzato anche per verificare se il tempo di funzionamento richiesto può essere soddisfatto.
Fonte: Nippon Seiko Co., Ltd. (NSK) «Carico dinamico nominale di base e durata utile a fatica»
Fattori che influenzano la durata utile dei cuscinetti
La durata utile effettiva dei cuscinetti non è determinata esclusivamente dalla vita nominale di base calcolata. Oltre al carico e alla velocità di rotazione, anche le condizioni di lubrificazione, la temperatura, l’ingresso di corpi estranei e la precisione di montaggio influiscono in modo significativo.
Ad esempio, una lubrificazione insufficiente aumenta l’attrito tra gli elementi rotanti e le superfici di rotolamento, con il rischio di generare generazione di calore o causare grippaggi. Anche l’ingresso di polvere o umidità, l’inclinazione dell’albero e un accoppiamento inadeguato sono fattori che possono causare sollecitazioni o vibrazioni in punti specifici.
A causa di questi fattori, la durata utile può risultare inferiore al valore calcolato. Per garantire la durata utile prevista, è indispensabile una valutazione che tenga conto anche dell’ambiente di utilizzo e delle condizioni di montaggio.
Metodi di manutenzione per prolungare la durata utile dei cuscinetti
Per mantenere a lungo le prestazioni dei cuscinetti, oltre a una scelta adeguata, sono indispensabili anche il montaggio, la lubrificazione e i controlli quotidiani. Se si riesce a individuare tempestivamente eventuali anomalie durante l’uso, è più facile prevenire guasti improvvisi e fermi macchina.
Di seguito vengono illustrate le modalità di manutenzione da tenere presenti per garantire una lunga durata dei cuscinetti.
Eseguire un montaggio e una lubrificazione adeguati
Per ottenere le prestazioni ottimali dei cuscinetti, sono fondamentali un montaggio corretto e una lubrificazione adeguata. Se durante il montaggio si applicano forti urti, sulla superficie di rotolamento potrebbero formarsi graffi o ammaccature, con il rischio di causare rumori anomali, vibrazioni e danni prematuri.
È fondamentale utilizzare attrezzi specifici o presse e procedere al montaggio con le modalità appropriate. Il lubrificante ha il compito di ridurre l’attrito e l’usura tra gli elementi rotanti e la superficie di rotolamento.
Scegliete tra grassi e oli quello più adatto alle condizioni di utilizzo, quali carico, velocità di rotazione e temperatura. Anche durante l’uso, controllare lo stato del lubrificante quando necessario e provvedere a un adeguato rabbocco o alla sostituzione contribuisce a garantire una lunga durata utile.
Verificare rumori anomali, vibrazioni e variazioni di temperatura
Per individuare tempestivamente eventuali anomalie dei cuscinetti, è importante controllare regolarmente i rumori, le vibrazioni e le variazioni di temperatura durante il funzionamento. Rumori insoliti, un aumento delle vibrazioni o un innalzamento anomalo della temperatura indicano la possibile presenza di lubrificazione insufficiente, infiltrazione di corpi estranei o danni da fatica.
Durante l’ispezione, oltre alle condizioni dell’area circostante il cuscinetto, è opportuno verificare anche l’eventuale scolorimento o indurimento del lubrificante e la presenza di corpi estranei. Se necessario, l’utilizzo di vibrometri o termometri consente di individuare più facilmente anche cambiamenti difficili da rilevare solo visivamente.
Individuare tempestivamente le anomalie è fondamentale per prevenire guasti gravi o arresti improvvisi dei macchinari.
L’importanza dei cuscinetti nei motori
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Nei motori, i cuscinetti sostengono le parti rotanti, come il rotore e l’albero, e hanno il compito di mantenere una rotazione stabile. Il tipo di cuscinetto, la precisione, le condizioni di lubrificazione e il montaggio sono alcuni dei fattori che influenzano le vibrazioni, il rumore, la precisione di rotazione e la durata utile del motore.
Infine, illustreremo l’influenza dei cuscinetti sulle prestazioni del motore e i punti da verificare al momento della selezione del motore.
L’influenza dei cuscinetti sulle prestazioni del motore
Nei motori, i cuscinetti sostengono il rotore e l’albero nella posizione corretta, consentendo di mantenere una rotazione stabile. In particolare, nelle applicazioni che richiedono rotazioni ad alta velocità, silenziosità e precisione di rotazione, le prestazioni e le condizioni dei cuscinetti sono fattori cruciali che determinano le caratteristiche complessive del motore.
Se la precisione, il gioco interno, le condizioni di lubrificazione e il montaggio non sono adeguati alle condizioni d’uso, possono aumentare l’oscillazione dell’albero e l’attrito, con il rischio di provocare vibrazioni, rumore e generazione di calore. Una lubrificazione insufficiente o un carico eccessivo prolungato possono inoltre causare un danneggiamento prematuro dei cuscinetti.
Per garantire le prestazioni e la durata utile richieste al motore, è importante scegliere cuscinetti adatti all’applicazione, tenendo conto delle specifiche richieste quali velocità di rotazione, carico e silenziosità.
Punti chiave per la selezione dei cuscinetti adatti ai motori
È importante scegliere i cuscinetti per motori tenendo conto non solo della velocità di rotazione e del carico, ma anche delle dimensioni, della durata utile, della temperatura di esercizio e della silenziosità. Innanzitutto, occorre verificare che siano in grado di sopportare la velocità massima del motore, tenendo conto anche dell’entità e della direzione del carico applicato all’albero.
Nei motori compatti, poiché lo spazio disponibile per l’installazione è limitato, anche le dimensioni quali il diametro dell’albero, il diametro esterno e la larghezza rappresentano condizioni importanti. Nelle applicazioni in cui è richiesta la silenziosità, è necessario verificare anche le vibrazioni e il rumore; se il motore viene utilizzato in ambienti con temperature estreme, occorre verificare anche il lubrificante e il sistema di tenuta.
Infine, confrontando queste condizioni con le specifiche richieste del motore nel suo complesso, si restringe il campo delle opzioni per individuare il cuscinetto più adatto.
Riepilogo
I cuscinetti non solo sostengono l’asse rotante e riducono l’attrito, ma sono anche componenti fondamentali che influiscono sulla precisione di rotazione, sulle vibrazioni, sul rumore e sulla durata utile di macchine e motori. Per ottenere prestazioni stabili, è necessario scegliere il tipo e le specifiche adeguate all’applicazione, tenendo conto di fattori quali il carico, la velocità di rotazione, le dimensioni e l’ambiente di utilizzo.
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