Come calcolare l'accoppiamento tra cuscinetti, alloggiamenti e alberi

L'accoppiamento tra cuscinetti, alberi e alloggiamenti è un aspetto critico nelle applicazioni dei cuscinetti ed è un argomento di grande interesse per gli utenti. Nella pratica, il principio di selezione standard per l'accoppiamento può soddisfare le esigenze applicative.

Tuttavia, molti ingegneri sono curiosi di sapere come si calcola questo principio di selezione dell'adattamento e alcuni preferiscono addirittura eseguire i calcoli da soli.

In effetti, il metodo di calcolo di base per la selezione dell'accoppiamento tra cuscinetti, alberi e alloggiamenti può essere realizzato ricombinando le conoscenze precedenti dal punto di vista dell'impatto dell'accoppiamento sul funzionamento dei cuscinetti.

I. Condizioni limite per il calcolo dell'accoppiamento tra cuscinetto, albero e alloggiamento del cuscinetto

Prima di eseguire il calcolo per la selezione dell'accoppiamento tra cuscinetti, alberi e alloggiamenti, è fondamentale comprendere il vero scopo di questo calcolo, che fornisce una chiara definizione del metodo di calcolo e delle condizioni al contorno.

Scopo del Fit

L'obiettivo generale dell'accoppiamento tra l'anello interno del cuscinetto e l'albero e tra l'anello esterno del cuscinetto e l'alloggiamento del cuscinetto è quello di garantire l'assenza di movimenti relativi tra il cuscinetto e l'albero e tra l'alloggiamento del cuscinetto e l'anello esterno del cuscinetto.

Si deve evitare il movimento relativo sia in direzione circonferenziale che assiale. È importante capire che è difficile impedire il movimento relativo solo con l'accoppiamento, per cui è necessario utilizzare altri elementi esterni di progettazione per garantire questo risultato.

Ad esempio, per limitare il movimento assiale si utilizzano le spalle dell'albero e i gradini dell'alloggiamento del cuscinetto; per bloccare il movimento relativo in direzione circonferenziale si utilizzano le scanalature di bloccaggio o gli O-ring. Questi metodi servono di solito come complemento quando l'accoppiamento da solo non può svolgere la sua funzione, impedendo il movimento relativo e garantendo un certo grado di affidabilità.

Adattare i confini

Dalla discussione precedente, sappiamo che esiste un limite minimo nel montaggio dei cuscinetti e dei relativi componenti. Se la forza di montaggio è troppo piccola, causerà un movimento relativo tra il cuscinetto e la superficie di montaggio, non riuscendo a svolgere il suo ruolo di fissaggio. Questa situazione aumenta la probabilità di spostamento del cuscinetto.

Dal punto di vista della teoria della progettazione dei pezzi meccanici: più stretto è l'accoppiamento, maggiore è la forza di montaggio e, di conseguenza, più significativo è l'effetto di "fissaggio". Tuttavia, esiste un grado di adattamento "lasco" e "stretto".

Se l'accoppiamento è troppo stretto, pur potendo garantire il fissaggio relativo della superficie di montaggio, le altre dimensioni all'interno del cuscinetto e la materiale in acciaio dell'accoppiamento stesso. Pertanto, il fissaggio non può essere ottenuto solo aumentando l'accoppiamento.

D'altra parte, in alcune applicazioni, la "forza di montaggio" generata tra le due superfici di raccordo varia (ad esempio, in alcune situazioni di vibrazione). Pertanto, quando la tendenza al movimento relativo della superficie di montaggio si verifica durante le suddette fluttuazioni di forza, la "forza di montaggio" richiesta deve essere maggiore.

Perché dovrebbe essere più grande? Perché dobbiamo assicurarci che, sia nella fase "forte" che in quella "debole" del movimento relativo, questa forza di adattamento non provochi un movimento relativo delle superfici di adattamento. Ad esempio, se selezioniamo la "forza di adattamento" in base alla fase "forte" del movimento relativo, quando la vibrazione passa alla fase "debole", questa "forza di adattamento" sembrerà troppo grande.

Al contrario, se scegliamo la "forza di adattamento" in base allo stadio "debole", quando la vibrazione raggiunge lo stadio "forte", ci accorgeremo che questa forza è insufficiente e che si è verificato un movimento relativo delle superfici di adattamento. Pertanto, per soddisfare il picco, è inevitabile utilizzare una forza di adattamento maggiore.

Per questo motivo, in condizioni di vibrazione, si raccomanda generalmente di utilizzare un accoppiamento più stretto per il relativo cuscinetto.

Questo è l'aspetto da discutere: esiste un limite massimo per il montaggio dei cuscinetti e dei relativi componenti. Se la forza di accoppiamento è troppo grande, causerà cambiamenti nelle altre proprietà dei cuscinetti, con conseguenti problemi.

In conclusione, l'obiettivo finale nella scelta delle tolleranze di accoppiamento dei cuscinetti è la forza di accoppiamento tra le superfici di accoppiamento dei cuscinetti. Se questa forza di accoppiamento è troppo piccola, può facilmente portare a un movimento relativo (spostamento) tra il cuscinetto e i componenti di accoppiamento; se la forza di accoppiamento è troppo grande, può influire sulle prestazioni interne del cuscinetto (gioco troppo ridotto, aumento del precarico).

Questo è il limite di base e la direzione di calcolo per la selezione delle tolleranze di accoppiamento cuscinetto-albero e cuscinetto-alloggiamento.

II. Forza minima di accoppiamento tra cuscinetto, albero e alloggiamento del cuscinetto

Esempio: Cuscinetti orizzontali generici per motori a rotazione interna.

Il sistema di alberi di un comune motore orizzontale a rotazione interna presenta la configurazione di cuscinetti più semplice. Sulla base di questo modello si possono dedurre altri tipi di sistemi di alberi.

Quando un motore orizzontale a rotazione interna è in funzione, l'albero rotante del motore ruota insieme all'anello interno del cuscinetto. La "rotazione" viene quindi trasmessa dal rotore del motore all'anello interno del cuscinetto, il che implica che l'anello interno del cuscinetto ruota passivamente. In questo caso, è necessaria una forza motrice significativa.

Questa forza motrice comprende la forza necessaria per far ruotare l'anello interno del cuscinetto, insieme al corpo volvente e alla gabbia. Pertanto, la condizione operativa più impegnativa per far ruotare l'anello interno del cuscinetto è quella dell'avviamento o del cambio di velocità. A questo punto, la forza motrice minima è l'accelerazione centrifuga moltiplicata per la massa dell'anello interno del cuscinetto.

La situazione è leggermente diversa quando il cuscinetto ruota a velocità uniforme.

Quando un cuscinetto si muove a velocità costante, la forza di azionamento necessaria è minima, soprattutto per vincere l'attrito tra i corpi volventi interni e le piste di rotolamento. Pertanto, la "forza di montaggio" necessaria è molto più semplice rispetto allo scenario sopra descritto.

Considerando due applicazioni diverse, i motori che cambiano frequentemente velocità o si avviano richiedono una "forza di adattamento" molto maggiore rispetto a quelli che funzionano a velocità costante. Questo spiega perché le tabelle di accoppiamento precedentemente consigliate spesso richiedono un accoppiamento più stretto per le situazioni di velocità variabile o di avvio frequente.

Finora abbiamo parlato dell'"anello rotante", l'anello interno. Ma che dire dell'anello esterno? Nei motori a rotore interno orizzontale, l'anello esterno del cuscinetto è generalmente fisso e anche l'alloggiamento del cuscinetto è fisso.

L'unica forza che tende a far ruotare l'anello esterno del cuscinetto è il rotolamento dei rulli del cuscinetto all'interno dell'anello esterno. In circostanze normali, tra i rulli del cuscinetto e l'anello esterno si verifica solo un attrito volvente, per cui la forza di montaggio deve superare l'attrito volvente per vincere la tendenza alla rotazione dell'anello esterno del cuscinetto.

Inoltre, poiché l'attrito volvente è molto ridotto, anche la forza di montaggio necessaria al cuscinetto per vincere l'attrito volvente è molto ridotta. Tuttavia, esiste un attrito radente tra l'alloggiamento e l'anello esterno del cuscinetto.

Allo stesso tempo, il carico radiale tra l'anello esterno del cuscinetto e l'alloggiamento del cuscinetto può essere considerato uguale al carico radiale interno del cuscinetto. Inoltre, all'interno della pista di rotolamento del cuscinetto è presente un lubrificante per ridurre l'attrito, mentre tra l'anello esterno del cuscinetto e l'alloggiamento del cuscinetto non è presente alcun lubrificante.

In conclusione, posizionando saldamente la pista esterna del cuscinetto all'interno dell'alloggiamento, è possibile vincere la tendenza al movimento relativo attraverso l'attrito radente. È quindi facile capire perché la pista esterna del cuscinetto in un motore orizzontale a rotazione interna è generalmente allentata.

Tornando all'argomento principale, è abbastanza semplice calcolare la forza di attrito esercitata dai corpi volventi sulla pista esterna di un cuscinetto. Naturalmente, la mia esperienza personale di ingegnere suggerisce che tali calcoli non sono generalmente necessari nella pratica, in quanto le tabelle di selezione degli accoppiamenti standard sono generalmente sufficienti. Tuttavia, gli ingegneri con la curiosità di imparare possono provare.

Ecco alcune domande aggiuntive che gli ingegneri devono prendere in considerazione (il processo di riflessione è stato delineato sopra, seguitelo):

1. Perché l'accoppiamento deve essere stretto in condizioni di vibrazione e la pista esterna deve essere stretta?

2. Come deve essere selezionata la tolleranza per un motore verticale?

3. Come deve essere selezionata la tolleranza per un motore a rotazione esterna?

Il contenuto di cui sopra non ha fornito risposte alle domande sopra citate. Ognuno è incoraggiato a pensarci da solo e credo che tutti possano ricavare le risposte. (Un piccolo suggerimento: considerate l'elasticità).

In condizioni di moto uniforme, il suddetto montaggio della pista esterna comporterebbe un'orbita?

III. L'interferenza massima tra cuscinetto, albero e alloggiamento del cuscinetto.

Abbiamo menzionato il limite dell'interferenza massima. Se l'interferenza è troppo grande, può causare alterazioni delle prestazioni di altri cuscinetti.

In primo luogo, il fattore più importante è la variazione delle dimensioni del cuscinetto stesso. Quando il cuscinetto è ben montato, il gioco interno del cuscinetto diminuisce. Quando il gioco del cuscinetto è troppo piccolo, il cuscinetto può bloccarsi. Pertanto, il primo requisito per l'accoppiamento più stretto del cuscinetto è soddisfare il requisito del gioco residuo del cuscinetto.

Questi metodi sono comunemente utilizzati in alcuni campi, come ad esempio nell'applicazione dei cuscinetti per ingranaggi.

In secondo luogo, i fattori influenzati dall'accoppiamento stretto sono i materiali dei cuscinetti, come la fessurazione dell'anello interno. Questa situazione si è effettivamente verificata nelle applicazioni pratiche. Tuttavia, in genere, l'impatto del materiale del cuscinetto avviene dopo l'effetto del gioco.

II. Conclusione

Questi articoli trattano principalmente i metodi di base per il calcolo degli accoppiamenti dei cuscinetti e dei relativi componenti.

Tuttavia, è fondamentale capire che per i sistemi di cuscinetti per motori, calcoli così complessi non sono in genere necessari. Infatti, le tabelle di tolleranza consigliate quotidianamente tengono già conto dei fattori sopra citati. La selezione diretta basata su questi principi è di solito sufficiente. Scriviamo questo contenuto per informarvi su come vengono ricavati i risultati di riferimento che utilizziamo quotidianamente.

A meno che non si tratti di un'applicazione molto specifica o che non siate particolarmente entusiasti di comprendere il processo teorico, non consigliamo di sottoporre ogni selezione di fit a un esame così complesso.

Naturalmente, per gli ingegneri dei riduttori, in particolare per il calcolo del precarico dei cuscinetti a rulli conici e dei cuscinetti a sfere a contatto obliquo, queste considerazioni diventano inevitabili e richiedono un'attenta comprensione.