Risparmio di spazio e peso con i cuscinetti a sezione sottile

La miniaturizzazione dei componenti è una tendenza di forte attualità e i cuscinetti non fanno eccezione. Grazie alle dimensioni e al peso ridotti, i cuscinetti a sezione sottile soddisfano in pieno le esigenze dell’era automatizzata.

di Joe Zagar

Oggi le classiche geometrie interne dei cuscinetti a sfere industriali con sezione standard sono disponibili anche in versione a sezione sottile, con un risparmio in termini di spazio e peso di oltre l’80% nella maggior parte delle applicazioni. (Figura 1)

Scanalatura profonda, contatto obliquo e tipo X
La geometria interna dei cuscinetti a sfere è disponibile nelle versioni radiali a sfere e a contatto obliquo che consentono l’accoppiamento. I cuscinetti a sezione sottile hanno anche un’opzione, il più delle volte assente nelle serie tradizionali, che può essere la soluzione ideale in molte applicazioni: il cuscinetto a quattro punti di contatto di tipo X. (Figura 2) Mentre i cuscinetti a contatto obliquo sono spesso assemblati per formare due elementi accoppiati in grado di supportare carichi radiali, assiali e di coppia, un cuscinetto di tipo X può fondamentalmente combinare queste funzioni con una sola fila di sfere. Ciò si ottiene attraverso una particolare geometria delle gole interne ed esterne. Nei cuscinetti di tipo X il profilo della gola in ogni pista è composto da due archi di raggio uguale che si intersecano formando un punto sul piano delle parti centrali delle sfere. Questa geometria, denominata “arco gotico”, crea quattro punti di contatto intorno ad ogni sfera. In virtù del contatto di tutti e quattro i lati delle gole, un cuscinetto di tipo X con una sola fila di sfere è in grado di supportare carichi radiali, assiali e di ribaltamento. Mentre il tipo X risolve diversi problemi, i cuscinetti di tipo convenzionale C (radiale, Figura 3) e di tipo A (contatto obliquo, Figura 4) sono disponibili anche nella versione a sezione sottile, ideale nelle applicazioni con basse coppie di attrito ed elevata precisione. L’utilizzo di più cuscinetti contribuisce a migliorare la capacità di carico della struttura, così come avverrebbe nel caso di cuscinetti a sezione normale. Spesso una coppia di cuscinetti obliqui viene montata su un lato e un singolo radiale dall’altro per garantire un elevato grado di rigidità alla deflessione e di capacità di carico (Figura 5).

Due cuscinetti in uno
Nelle applicazioni pratiche i cuscinetti devono spesso supportare diversi tipi di carico. Ciò significa che un cuscinetto di tipo X – che assorbe carichi radiali, assiali e di coppia – può spesso sostituire due cuscinetti, indipendentemente che siano a sfere a contatto obliquo, a rulli conici o una combinazione di cuscinetti assiali e radiali (a sfere o a rulli) (Figure 6, 7 e 8).

Disponibilità di sezioni trasversali costanti
Un altro vantaggio per il progettista è costituito dalla disponibilità di spessori di sezione trasversale che rimangono costanti indipendentemente dal foro richiesto. Ciò consente, ad esempio, l’utilizzo di questi cuscinetti in dispositivi quali piattaforme stabilizzate e apparati ottici per mantenere un ingombro compatto nonostante vengano montati anche cuscinetti di grande diametro (Figure 9 e 10).

Ottimizzazione della precisione
I cuscinetti a sezione sottile sono disponibili nei livelli di precisione ABEC. Le tolleranze sono controllate per i livelli di precisione ABEC compresi tra 1 e 7. Considerando anche l’elasticità degli anelli dei cuscinetti a sezione sottile di grande diametro per garantirne la precisione vengono applicate ulteriori standard industriali. L’ottimizzazione della precisione in termini di coppie di attrito ridotte con piste lappate e sfere in ceramica possono fornire prestazioni personalizzate anche su bassi livelli di precisione (Figura 11).

Risparmio di spazio
I cuscinetti a sfere a sezione sottile possono offrire diversi vantaggi strutturali e opzioni che normalmente non sarebbero possibili all’interno di un unico prodotto antifrizione. In molti casi, è possibile evitare l’ingombro costituito dai convenzionali cuscinetti a sfere senza sacrificarne la funzionalità. Per esempio è possibile ottenere un risparmio di spazio dell’85% e di peso dell’83% scegliendo un cuscinetto a sezione sottile invece di un cuscinetto a sfere convenzionale 6010. Il cuscinetto a sezione sottile (in basso al centro) ha un foro con un alesaggio di circa 2” (50 mm), una larghezza di 0,25” (6,35 mm), 27 sfere con un diametro di 0,125” (3,175 mm) e una capacità statica assiale di 1.700 libbre (quasi 800 kg) (Figura 12). Il cuscinetto ultrasottile può addirittura offrire un risparmio maggiore fino al 99,9% di riduzione del peso e il 97% di riduzione del volume. Per un cuscinetto di dimensioni contenute e che entra nel palmo di una mano, il cuscinetto a sezione sottile è in grado di sopportare notevoli carichi. Il buon supporto (alloggiamento/albero) distribuisce il carico su molte sfere, mentre continua a supportare il limite statico di 609.000 psi Hertz con il massimo del carico su una sfera.

La soluzione ideale per molte applicazioni
In un cuscinetto convenzionale i carichi sono distribuiti su pochi elementi di rotolamento di grande diametro (sfere). Il cuscinetto a sezione sottile presenta invece una struttura compatta, utilizza elementi di rotolamento di dimensioni ridotte, ma più numerosi, distribuiti su una superficie più ampia. Ciò permette un supporto di carico e rigidità notevoli in rapporto alle prestazioni dei cuscinetti a sezione standard, consentendo di risparmiare peso e spazio (Figura 13).
I cuscinetti a sezione sottile offrono capacità di carico sufficienti per molte applicazioni, garantendo flessibilità a livello strutturale e la possibilità di ridurre le dimensioni e i costi di sistema a livello generale. Sono una soluzione ideale per risparmiare notevolmente spazio e peso, consentendo prestazioni simili a quelle dei convenzionali cuscinetti.

Joe Zagar è ingegnere presso Kaydon Bearings, Muskegon, Michigan, USA.