Un cuscinetto di trasmissione è il cuscinetto a elementi volventi montato all'interno di un albero di trasmissione, di un cambio o di un alloggiamento di trasmissione che supporta un albero rotante mentre trasporta carichi sia radiali che assiali generati durante la trasmissione di potenza. A differenza di un semplice cuscinetto di supporto, un cuscinetto di trasmissione funziona in genere con carico combinato, velocità di rotazione più elevata e più calore rispetto a un cuscinetto standard nella stessa macchina , motivo per cui il programma di selezione, installazione e manutenzione di solito deve essere più rigoroso rispetto al resto della trasmissione.
In pratica, il termine copre diverse famiglie di elementi volventi: cuscinetti a rulli conici, cuscinetti a rulli cilindrici, cuscinetti orientabili a rulli, cuscinetti a sfere con gola profonda e cuscinetti a rullini, ciascuno adatto a una diversa combinazione di direzione del carico, velocità e spazio disponibile. Oltre all'elemento volvente stesso, il funzionamento dell'assemblaggio del cuscinetto di trasmissione dipende anche dal corretto adattamento dell'albero e dell'alloggiamento, dalla corretta disposizione delle tenute e da una routine di lubrificazione adatta all'applicazione. Se si sbaglia anche solo uno di questi, il tipo di cuscinetto sull'etichetta smetterà di avere importanza, perché la modalità di guasto passa dalla fatica al termine di una lunga durata di servizio all'usura prematura nel giro di settimane o mesi.
Le sezioni seguenti illustrano come distinguere i tipi di cuscinetti di trasmissione, in che modo il carico radiale e assiale influisce su tale decisione, cosa causa effettivamente il cedimento precoce di un cuscinetto di trasmissione, le scelte di tenuta e adattamento che lo proteggono, come viene installato correttamente, dove ciascun tipo si presenta nei diversi settori e le abitudini di manutenzione che prolungano in modo affidabile la durata di servizio in condizioni operative reali.
La scelta del cuscinetto di trasmissione inizia dalla forma dell'elemento volvente, poiché la geometria determina la quantità di carico radiale, carico assiale o carico combinato che il cuscinetto può assorbire senza fatica prematura. I cinque tipi seguenti coprono la grande maggioranza delle applicazioni di alberi motore, scatole del cambio e trasmissioni presenti nelle apparecchiature automobilistiche, industriali e di macchinari pesanti.
I rulli conici che scorrono su piste coniche consentono a questo cuscinetto di sopportare carichi radiali e assiali contemporaneamente, motivo per cui è costantemente presente nei mozzi delle ruote, nei differenziali e nei sistemi di trasmissione principali dove l'albero spinge sia lateralmente che lungo il proprio asse. I cuscinetti a rulli conici sono spesso montati in coppie accoppiate, schiena contro schiena o faccia a faccia, in modo che il gruppo possa resistere alla spinta da entrambe le direzioni.
Il contatto lineare tra i rulli e la pista distribuisce il carico radiale su un'ampia superficie, conferendo a questo cuscinetto una forte capacità radiale. È una scelta comune nei riduttori industriali, nei macchinari per la carta e nelle unità di trasmissione ferroviarie che trasportano carichi puramente radiali pesanti, sebbene la maggior parte dei progetti necessiti di un cuscinetto reggispinta separato se è presente anche un carico assiale.
I rulli a forma di botte conferiscono a questo cuscinetto una capacità autoallineante incorporata, quindi tollera la deflessione dell'albero e il disallineamento dell'alloggiamento meglio della maggior parte degli altri tipi di cuscinetti di trasmissione. Gli alberi principali delle turbine eoliche, i frantoi minerari e i cambi pesanti fanno affidamento su questa tolleranza, poiché gli alberi lunghi di queste macchine raramente rimangono perfettamente diritti sotto carico.
Le sfere sferiche inserite in una pista con scanalatura profonda sopportano carichi radiali e assiali moderati con basso attrito e funzionamento silenzioso. Ciò li rende una soluzione pratica per alberi di trasmissione, pompe e alberi a motore più piccoli che non sono soggetti a carichi estremi e il loro design semplice mantiene bassi i costi di sostituzione e i tempi di consegna.
I rulli sottili e allungati racchiudono più elementi volventi in una sezione trasversale ridotta, motivo per cui questo cuscinetto viene scelto quando lo spazio radiale è limitato, come negli alberi del cambio e nei perni di biella nelle trasmissioni compatte. Il compromesso è una capacità di carico assiale inferiore rispetto a un design a rulli conici o sferici.
Ogni decisione relativa ai cuscinetti della trasmissione si riconduce a una semplice domanda: in quale direzione sta effettivamente spingendo il carico? Un carico radiale preme perpendicolarmente all'albero, nello stesso modo in cui un rullo trasportatore viene premuto dal peso del materiale appoggiato sul nastro. Un carico assiale, spesso chiamato spinta, spinge lungo la stessa direzione dell'albero stesso, nello stesso modo in cui gli ingranaggi esercitano forza lungo un albero di trasmissione mentre si spostano e si innestano.
Molti alberi di trasmissione sopportano contemporaneamente carico radiale e assiale, motivo per cui i cuscinetti a rulli conici sono così comuni in questa posizione: la geometria conica consente a un cuscinetto di svolgere il lavoro che altrimenti richiederebbe due tipi di cuscinetti separati impilati insieme. Quando un cuscinetto di trasmissione è sottodimensionato per entrambe le direzioni di carico, gli elementi volventi slittano invece di rotolare in modo pulito, ed è proprio questo slittamento il luogo in cui inizia gran parte dell'usura precoce dei cuscinetti.
Una volta scelto il tipo di elemento volvente, la decisione successiva riguarda il modo in cui è racchiuso il cuscinetto di trasmissione, perché la tenuta controlla quanto resiste alla contaminazione e quanto attrito aggiunge al sistema. Esistono tre grandi categorie e quella giusta dipende dalla pulizia, dalla velocità e dalla facilità con cui è possibile effettuare la manutenzione successiva del cuscinetto.
| Tipo di custodia | Protezione dalla contaminazione | Attrito/Velocità | Uso tipico |
|---|---|---|---|
| Aperto (nessuna protezione o sigillo) | Nessuno da solo | Attrito minimo, velocità massima | Riduttori a bagno d'olio e alloggiamenti chiusi puliti |
| Schermato (metallo senza contatto) | Moderato, blocca solo le particelle più grandi | Basso attrito, alta velocità | Motori elettrici, ventilatori, ambienti moderatamente puliti |
| Sigillato (guarnizione a contatto in gomma) | Più alto, blocca polvere e umidità | Attrito maggiore, velocità massima ridotta | Posizioni soggette a lavaggio, all'aperto e di difficile manutenzione |
I cuscinetti di trasmissione aperti si affidano interamente all'alloggiamento circostante per tenere lontani i contaminanti, quindi hanno senso solo all'interno di un cambio pulito e continuamente alimentato a olio. I cuscinetti schermati aggiungono una barriera metallica senza contatto che impedisce l'ingresso di detriti grossolani toccando a malapena l'attrito di funzionamento, motivo per cui sono comuni nei motori per uso generale. I cuscinetti di trasmissione sigillati premono un labbro di gomma contro l'anello interno, il che sacrifica una certa capacità di velocità e aggiunge una piccola quantità di calore ma offre la migliore protezione in applicazioni con albero di trasmissione sporco, bagnato o all'aperto dove la manutenzione frequente non è pratica.
Un cuscinetto di trasmissione perfettamente selezionato sulla carta può comunque guastarsi presto se le tolleranze dell'albero e dell'alloggiamento attorno ad esso sono errate. L'adattamento non è un'impostazione unica: viene scelto in base all'anello che ruota, al peso del carico e alla necessità di rimuovere l'alloggiamento per la manutenzione.
Utilizzato sull'anello rotante, molto spesso sull'albero, per impedire al cuscinetto di spostarsi o ruotare sotto carico. Carichi più pesanti richiedono maggiori interferenze, ma un'interferenza eccessiva riduce il gioco interno e aumenta la temperatura operativa.
Utilizzato sull'anello stazionario, in genere l'alloggiamento, per consentire un facile montaggio, dilatazione termica e smontaggio durante il servizio senza disturbare l'accoppiamento rotante.
Un adattamento intermedio applicato laddove è necessaria una regolazione o una rimozione più semplice, comunemente utilizzato sui fori dell'alloggiamento in installazioni generali di cuscinetti per trasmissioni industriali.
Un accoppiamento troppo lento fa sì che il cuscinetto si muova e generi calore dalla rotazione interna; un accoppiamento troppo stretto rimuove il gioco interno e può rompere la pista sotto carico normale.
Come regola operativa, la maggior parte delle applicazioni generali di alberi di trasmissione con anello interno rotante e carico radiale stabile richiedono un accoppiamento con interferenza sull'albero e un accoppiamento di transizione o con gioco nell'alloggiamento. Le applicazioni con un alloggiamento diviso assialmente utilizzano in genere un alloggiamento più largo appositamente per evitare la distorsione dell'anello esterno quando le metà dell'alloggiamento vengono imbullonate insieme.
Gli ingegneri dei cuscinetti che indagano sui guasti prematuri individuano costantemente le stesse cause di fondo e i problemi di lubrificazione sono in cima a tale elenco più spesso di qualsiasi difetto meccanico nel cuscinetto stesso. Circa la metà di tutti i guasti ai cuscinetti di macchine rotanti sono riconducibili a lubrificazione inadeguata, contaminazione o disallineamento piuttosto che a difetti di fabbricazione , il che significa che la maggior parte dei guasti ai cuscinetti della trasmissione sono prevenibili con migliori pratiche operative piuttosto che con un cuscinetto diverso.
La qualità dell'installazione è decisiva tanto quanto la scelta del cuscinetto, poiché la forza applicata all'anello sbagliato o a un albero fuori tolleranza può danneggiare un cuscinetto nuovo prima ancora che entri in funzione. Tre metodi di montaggio coprono quasi ogni installazione di cuscinetti di trasmissione e quello giusto dipende principalmente dalle dimensioni del cuscinetto.
Utilizzata per i cuscinetti più piccoli, la forza viene applicata attraverso l'anello da montare utilizzando una pressa o un manicotto e un anello di impatto, mai attraverso gli elementi volventi. Questo è il metodo più comune per cuscinetti con diametro del foro fino a circa quattro pollici.
Il cuscinetto viene riscaldato con un riscaldatore a induzione in modo che si espanda abbastanza da poter scorrere sull'albero senza forza eccessiva, quindi si raffredda e si restringe fino a adattarsi perfettamente. I produttori in genere limitano la temperatura di riscaldamento ben al di sotto del punto che potrebbe influenzare il trattamento termico del cuscinetto.
Riservato ai cuscinetti di trasmissione più grandi, una pressa idraulica o un manicotto adattatore con una ghiera idraulica distribuisce la forza di montaggio in modo uniforme ed evita il rischio di carico d'urto che un metodo a martello creerebbe a quelle dimensioni.
Misurare l'albero e il foro dell'alloggiamento rispetto alla tolleranza specificata prima del montaggio, ispezionare eventuali intaccature o bave e conservare il cuscinetto nella sua confezione fino al momento dell'installazione per evitare che la contaminazione si depositi sulla pista.
La forza deve sempre passare attraverso l'anello con accoppiamento con interferenza, mai attraverso le sfere, i rulli o l'anello opposto, e il gruppo deve essere posizionato saldamente contro lo spallamento dell'albero per eliminare qualsiasi gioco assiale prima che il cuscinetto venga messo in servizio.
Intervenire tempestivamente su un cuscinetto di trasmissione guasto è quasi sempre più economico che sostituirlo dopo un grippaggio, poiché i primi sintomi sono generalmente limitati al cuscinetto stesso mentre un grippaggio completo può danneggiare l'albero, l'alloggiamento e gli ingranaggi circostanti. La tabella seguente riassume i segnali più spesso segnalati durante l'ispezione di routine e ciò che in genere indicano.
| Segno osservato | Probabile causa |
|---|---|
| Aumento della temperatura operativa | Lubrificante insufficiente o deteriorato |
| Rumore stridente o rimbombante | Contaminazione o vaiolatura superficiale sulla pista di rotolamento |
| Odore di lubrificante bruciato | Funzionamento prolungato a temperatura elevata |
| Scolorimento blu o marrone sull'anello esterno | Esposizione prolungata al calore che ha già ridotto la durezza |
| Vibrazioni visibili o oscillazioni dell'albero | Disallineamento o affaticamento della pista |
| Caduta della pressione dell'olio in un alloggiamento lubrificato | Gioco dei cuscinetti usurato che consente il bypass dell'olio |
| Grasso diventato incoerente o granuloso | Viscosità del grasso errata per la velocità di funzionamento e il calore |
Il monitoraggio delle vibrazioni e della temperatura è ormai comune sugli alberi di trasmissione di valore più elevato proprio perché queste due letture tendono ad aumentare ben prima che un cuscinetto produca un rumore udibile, offrendo ai team di manutenzione una finestra per programmare la sostituzione piuttosto che reagire a un guasto.
La maggior parte degli interventi di manutenzione che prolungano effettivamente la durata dei cuscinetti della trasmissione vengono eseguiti prima che il problema sia visibile, attraverso una manciata di abitudini costanti anziché una singola azione correttiva.
Basare l'intervallo sulla velocità operativa, sul carico e sulla temperatura anziché su una data di calendario generica, quindi regolarlo utilizzando i dati di ispezione come l'andamento della temperatura e delle vibrazioni nel tempo.
Un cuscinetto si lubrifica solo con il sottile film d'olio che fuoriesce dal grasso nelle zone di contatto volvente, quindi aggiungere più grasso di quello necessario all'alloggiamento intrappola semplicemente il calore invece di migliorare la lubrificazione.
Mantenere le guarnizioni in buone condizioni, filtrare grasso e olio ove possibile e controllare la pulizia dell'area attorno all'alloggiamento del cuscinetto durante qualsiasi intervento di manutenzione.
Controllare che l'albero e l'alloggiamento corrispondano alle specifiche del produttore e verificare la pratica di montaggio ogni volta che un cuscinetto di trasmissione viene installato o reinstallato dopo la manutenzione.
Un aumento graduale di entrambe le letture nel corso di settimane è solitamente un indicatore precoce più affidabile di qualsiasi singola lettura presa isolatamente.
Un cuscinetto lasciato senza imballo su un banco di lavoro raccoglie polvere e umidità prima ancora di compiere un solo giro, quindi aprire l'imballo solo al momento del montaggio.
Gli stessi tipi di cuscinetti principali vengono selezionati in modo diverso una volta prese in considerazione le condizioni operative reali (carico, velocità, contaminazione e ciclo di lavoro) per un settore specifico. Gli esempi seguenti mostrano come gli stessi principi ingegneristici si applicano a apparecchiature diverse.
I mozzi delle ruote e i differenziali preferiscono i cuscinetti a rulli conici per la loro capacità combinata radiale e assiale, mentre gli alberi più piccoli negli alternatori e nelle pompe dell'acqua utilizzano tipicamente cuscinetti a sfere a gola profonda per le loro dimensioni compatte e il basso attrito.
I cuscinetti dell'albero principale delle turbine eoliche si appoggiano ai cuscinetti orientabili a rulli per la loro tolleranza di autoallineamento, poiché gli alberi lunghi che funzionano all'aperto sotto carichi di vento variabili raramente mantengono un perfetto allineamento per anni di servizio.
I rulli e le tenditrici del trasportatore sopportano per lo più un carico radiale costante, quindi i cuscinetti a rulli cilindrici o a sfere con gola profonda sono la scelta standard, spesso abbinati a involucri sigillati dove la polvere o l'esposizione esterna sono un fattore.
Gli alberi di trasmissione di motozappe, mietitrici e presse funzionano in condizioni di campo polveroso e bagnato, il che spinge la scelta verso cuscinetti sigillati e design a rulli conici che tollerano sia il rischio di contaminazione che il carico combinato.
La spinta dell'albero dell'elica rende il carico assiale il fattore dominante, quindi sono tipici cuscinetti a rulli conici o reggispinta dedicati, solitamente specificati con materiali o rivestimenti resistenti alla corrosione per l'esposizione all'acqua salata.
La scelta di un cuscinetto di trasmissione si riduce alla corrispondenza della geometria, del dimensionamento, della tenuta e dell'adattamento del cuscinetto alle condizioni operative effettive dell'albero che supporterà. La seguente lista di controllo copre i fattori che più spesso determinano se la scelta di un cuscinetto dura per anni o necessita di una sostituzione anticipata.
Confermare se l'albero applica carico radiale, carico assiale o entrambi e dimensionare il cuscinetto sulla capacità nominale più elevata anziché su quella media prevista.
Gli alberi ad alta velocità preferiscono i cuscinetti a sfere e i rulli più leggeri, mentre gli alberi a velocità inferiore e con carichi più pesanti preferiscono cuscinetti a rulli più grandi come i tipi a rulli sferici o conici.
Abbina il tipo di grasso e la classe di gioco del cuscinetto all'intervallo di temperature previsto, poiché il grasso standard si deteriora più velocemente in ambienti costantemente caldi.
Confermare la classe di tolleranza specificata per l'albero e il foro dell'alloggiamento, poiché un accoppiamento errato è una delle cause più comuni di usura precoce dei cuscinetti.
Scegliere un cuscinetto sigillato o schermato laddove la contaminazione da polvere, umidità o detriti rappresenta un rischio realistico nell'ambiente operativo.
Laddove lo spazio dell'alloggiamento è limitato, i cuscinetti a rullini spesso si adattano dove un cuscinetto a rulli standard di pari capacità non potrebbe.
Un cuscinetto di trasmissione in una posizione difficile da raggiungere favorisce un design sigillato e a bassa manutenzione, mentre una posizione di facile manutenzione può invece fare affidamento su una rilubrificazione più frequente.
Le apparecchiature per servizio continuo con elevati costi di fermo macchina giustificano una valutazione dei cuscinetti più conservativa e intervalli di ispezione più brevi rispetto alle apparecchiature per servizio intermittente.
Forza agente perpendicolarmente all'asse dell'albero.
Forza che agisce lungo l'asse dell'albero anziché attraverso di esso.
Un accoppiamento in cui il foro del cuscinetto è leggermente più piccolo dell'albero o l'anello esterno leggermente più grande del foro dell'alloggiamento, creando una stretta presa meccanica.
Un adattamento che lascia un piccolo spazio tra il cuscinetto e la sua parte accoppiata, consentendo un montaggio e uno smontaggio più facili.
Un carico interno intenzionale applicato durante il montaggio, spesso nelle coppie di cuscinetti a rulli conici, per eliminare il gioco interno e migliorare la rigidità.
La superficie temprata dell'anello interno o esterno su cui viaggiano gli elementi volventi.
Il componente che distanzia uniformemente gli elementi volventi attorno alla pista e impedisce loro di entrare in contatto tra loro.
Danni simili ad assi sulla pista causati dalla corrente elettrica che passa attraverso il cuscinetto, comune negli alberi azionati da motori.
Un cuscinetto di trasmissione si trova all'interno del percorso di trasmissione di potenza di un albero, cambio o differenziale e si prevede che sopporti un carico radiale e assiale combinato a velocità e calore più elevati rispetto a un semplice cuscinetto di supporto che mantiene solo un albero in posizione.
La durata dipende fortemente dal carico, dalla velocità, dalla qualità della lubrificazione e dal controllo della contaminazione, quindi non esiste un numero unico applicabile a tutte le applicazioni. Un cuscinetto ben lubrificato e correttamente allineato che funziona entro il suo carico nominale durerà costantemente più a lungo di uno sovraccaricato, sottolubrificato o esposto a contaminazione.
SÌ. Disallineamento, sovraccarico, contaminazione, adattamento errato dell'albero o dell'alloggiamento e installazione non corretta possono causare guasti prematuri anche quando la lubrificazione è corretta, motivo per cui l'ispezione dovrebbe riguardare l'adattamento di montaggio e l'andamento delle vibrazioni piuttosto che la sola lubrificazione.
Un rumore stridente, rimbombante o ringhiante che cambia con la velocità dell'albero è il sintomo più comunemente segnalato e in genere indica vaiolatura o contaminazione della superficie della pista piuttosto che un semplice problema di lubrificazione.
Non sempre. I cuscinetti a rulli conici sono particolarmente adatti quando si verificano carichi radiali e assiali insieme, ma un albero con carico radiale puro e alta velocità può essere meglio servito da un cuscinetto a rulli cilindrici o a sfere con gola profonda.
L'intervallo corretto dipende dalla velocità, dal carico e dalla temperatura piuttosto che da un programma di calendario fisso. La maggior parte dei programmi di affidabilità impostano un intervallo iniziale in base alle indicazioni del produttore dei cuscinetti, quindi lo perfezionano utilizzando i dati di ispezione della temperatura e delle vibrazioni raccolti nel tempo.
I problemi legati alla lubrificazione, tra cui sia la lubrificazione insufficiente che l’eccessivo ingrassaggio, sono segnalati come la causa principale delle apparecchiature rotanti industriali, prima della contaminazione, del disallineamento e del sovraccarico.
I cuscinetti sigillati offrono la protezione più efficace contro polvere e umidità, ma funzionano con maggiore attrito e una velocità massima inferiore. I cuscinetti schermati funzionano a temperature più basse e più veloci ma offrono solo una protezione moderata, quindi la scelta giusta dipende da quanto è effettivamente pulito l'ambiente operativo e dalla facilità con cui è possibile manutenere il cuscinetto.
La forza deve essere sempre applicata attraverso l'anello che riceve l'accoppiamento con interferenza, mai attraverso gli elementi volventi, utilizzando una pressa, un riscaldatore a induzione o uno strumento idraulico dimensionato per il cuscinetto anziché un martello colpito direttamente contro il cuscinetto stesso.
Oltre alle cause meccaniche, gli alberi azionati da motori possono soffrire di scanalature elettriche, in cui la corrente vagante che passa attraverso il cuscinetto fora la pista secondo uno schema a tavola, motivo per cui i cuscinetti isolati o la messa a terra dell'albero sono comuni negli azionamenti dei motori a frequenza variabile.