Comprensione del precarico dei cuscinetti
Precarico del cuscinetto — chiamato anche precarico o carico iniziale — è un carico di compressione controllato applicato deliberatamente a un cuscinetto per eliminare le gioco e creano una leggera interferenza tra i corpi volventi e le piste. Mantenendo ogni elemento volvente in contatto continuo con le piste in tutte le condizioni di funzionamento, il precarico elimina il piccolo gioco interno che altrimenti esisterebbe, producendo un sistema di cuscinetti più rigido e preciso, con una migliore distribuzione del carico e una maggiore resistenza a vibrazione. È essenziale quando un'applicazione richiede un'elevata rigidità, un posizionamento preciso dell'albero o un funzionamento fluido in presenza di carichi variabili o oscillanti, ed è pratica standard negli mandrini delle macchine utensili, negli strumenti di precisione e nei macchinari ad alta velocità, dove prevenire instabilità è fondamentale.
1. Definizione: Trasformare il gioco in rigidità
La maggior parte dei cuscinetti volventi è prodotta con un piccolo gioco interno per poter essere montata e lubrificata. Questo gioco è utile per il montaggio, ma dannoso per la precisione: permette all'albero di deflettere leggermente prima che i corpi volventi prendano il carico e consente agli elementi leggermente caricati di slittare anziché rotolare. Il precarico inverte deliberatamente la situazione: spinge le piste l'una contro l'altra (o le comprime radialmente) fino a quando il gioco non scompare e su ogni elemento esiste una forza di contatto definita prima ancora che arrivi il carico esterno. In effetti, il precarico scambia un po' di attrito e di calore in più con un grande guadagno di rigidità e l'accuratezza della posizione.
2. Scopo e benefici
1. Aumento della rigidità
Questo è il principale vantaggio del precarico:
- Elimina il gioco che consente la flessione sotto carico
- Mantiene tutti i corpi volventi in contatto, ripartendo il carico sull'intero complemento.
- Può aumentare la rigidità del cuscinetto di circa 2-5 volte rispetto a un cuscinetto non precaricato.
- Riduce la flessione dell'albero e migliora la rigidità complessiva del sistema.
2. Miglioramento dell'accuratezza e della precisione
- Elimina eccentricità dell'albero derivanti dal gioco dei cuscinetti.
- Offre un posizionamento preciso e ripetibile dell'albero.
- Critica per i macchinari di precisione come le macchine utensili e gli strumenti di misura.
- Riduce le vibrazioni causate dagli impatti legati al gioco.
3. Prevenzione dello slittamento
- Assicura che gli elementi rotanti rotolino davvero anziché slittare
- Particolarmente importante in caso di carichi leggeri o alte velocità
- Lo slittamento provoca una rapida usura dei cuscinetti e danni superficiali.
- Il precarico mantiene una forza di contatto sufficiente per il puro rotolamento.
4. Riduzione del rumore
- Elimina il rumore di sferragliamento prodotto dal gioco interno.
- Garantisce un funzionamento più silenzioso e fluido.
- Prezioso in prossimità di personale o apparecchiature sensibili.
5. Miglioramento della stabilità
In dinamica del rotore, il precarico contribuisce alla stabilità:
- L'aumento della rigidità dei cuscinetti aumenta la velocità critiche.
- Migliora smorzamento caratteristiche.
- Aiuta a prevenire le instabilità indotte dai cuscinetti.
- Riduce la suscettibilità alle vibrazioni esterne.
3. Tipi di precarico
1. Precarico fisso (rigido)
Un precarico costante, indipendente dalla temperatura o dalla velocità:
- Metodo: Distanziali, spessori o dadi di bloccaggio impostati in una posizione specifica
- Caratteristiche: elevata rigidità e controllo preciso.
- Limitazioni: può aumentare con la temperatura, rischiando di sovraccaricarsi.
- Applicazioni: mandrini di macchine utensili e attrezzature di precisione.
2. Precarico a molla (elastico)
Un precarico trattenuto da molle, che consente la compensazione termica:
- Metodo: molle a onda, rondelle Belleville o molle elicoidali.
- Caratteristiche: Compensa la dilatazione termica senza sovraccaricarsi.
- Vantaggi: molto più tollerante alle variazioni di temperatura.
- Applicazioni: apparecchiature con variazioni di temperatura e requisiti di precisione meno esigenti.
4. Metodi di precarico
Precarico assiale (più comune)
Montaggio faccia a faccia o schiena a schiena
- Due cuscinetti a contatto angolare montati in opposizione.
- Una forza assiale spinge i cuscinetti l'uno contro l'altro.
- Elimina il gioco assiale in entrambe le direzioni.
- La disposizione standard per le macchine utensili e le applicazioni di alta precisione.
Precarico regolabile
- Un controdado o un fermo filettato regolato per impostare il precarico.
- Verificato dalla coppia, dalla forza assiale o dall'aumento della temperatura del cuscinetto.
- Può essere impostato durante il montaggio o rivisto al momento della manutenzione.
Precarico radiale
- L'interferenza tra le piste e l'albero o l'alloggiamento crea una compressione radiale.
- I corpi volventi sono compressi radialmente tra le piste.
- Meno comune del precarico assiale.
- Utilizzato in alcuni cuscinetti sigillati e in applicazioni speciali.
5. Selezione dell'ampiezza del precarico
Precarico leggero
- Forza: 1-5% del carico dinamico nominale del cuscinetto.
- Vantaggi: una maggiore rigidità con un minimo di attrito aggiunto.
- Applicazioni: macchine di precisione generiche.
Precarico medio
- Forza: 5–10% della portata dinamica.
- Vantaggi: elevata rigidità e buona precisione.
- Applicazioni: mandrini di macchine utensili e azionamenti di precisione.
Precarico pesante
- Forza: 10–20% della portata dinamica.
- Vantaggi: massima rigidità e stabilità.
- Limitazioni: attrito elevato, generazione di calore e riduzione della durata.
- Applicazioni: lavorazioni di ultraprecisione e requisiti di bassa velocità con elevata rigidità.
Poiché la cifra giusta dipende dalla capacità nominale del cuscinetto, è utile conoscere tale capacità prima di specificare il precarico; strumenti quali un calcolatore della durata dei cuscinetti L10 (ISO 281) mettere in relazione la portata di carico dinamico e la durata prevista, in modo che la percentuale di precarico scelta possa essere valutata in base al suo effetto sulla durata di vita.
6. Svantaggi e compromessi
Aumento dell'attrito e del calore
- Il precarico aumenta i carichi di contatto e quindi l'attrito.
- La temperatura di esercizio aumenta in genere di 5-20 °C rispetto a un cuscinetto non precaricato.
- Temperature più elevate accelerano la degradazione del lubrificante
- Raffreddamento potenziato o lubrificazione potrebbe essere necessario.
Riduzione della durata dei cuscinetti
- Il precarico si aggiunge ai carichi di esercizio.
- I calcoli della durata dei cuscinetti devono includere l'effetto del precarico.
- Un precarico eccessivo può ridurre drasticamente la durata.
- Il compromesso fondamentale è tra rigidità e precisione da un lato e longevità dall'altro.
Sensibilità termica
- Il precarico fisso cresce con l'aumento della temperatura a causa dell'espansione differenziale.
- Una crescita termica non gestita può portare il cuscinetto a un sovraccarico.
- Il precarico della molla assorbe queste variazioni termiche.
- Il progetto deve tenere conto dell'intera gamma di temperature di esercizio.
7. Applicazioni
Dove il precarico è essenziale
- Mandrini per macchine utensili: mandrini di rettifica, fresatura e tornitura che necessitano di precisione e rigidità.
- Apparecchiature ad alta velocità: per evitare lo slittamento dei corpi volventi e l'instabilità.
- Strumenti di precisione: apparecchiature di misura e sistemi ottici.
- Carichi oscillanti: applicazioni con inversioni di carico o carichi variabili.
- Carichi di momento: cuscinetti sottoposti a momenti di ribaltamento.
Dove il precarico non è raccomandato
- Applicazioni ad alta temperatura, dove il sovraccarico termico è un rischio.
- Velocità molto elevate, dove attrito e calore diventano predominanti.
- Carichi d'urto pesanti.
- Casi in cui la durata dei cuscinetti ha la priorità sulla rigidità.
- Per impieghi industriali generici in cui la precisione non è fondamentale.
Il precarico ha anche una dimensione diagnostica. Un mandrino che ha perso il precarico a causa dell'usura, o un mandrino sottoposto a sovraccarico termico, cambierà la sua firma vibrazionale - spesso spostando le velocità critiche o aumentando il livello di banda larga - quindi gli effetti del precarico sono visibili a un analista di vibrazioni molto prima di un guasto. Un analizzatore portatile a due canali, come il Balanset-1A può acquisire la firma vibrazionale di un mandrino spettro di vibrazione e il livello complessivo alla velocità di esercizio, fornendo un linea di base con cui è possibile valutare qualsiasi variazione successiva del precarico o delle condizioni dei cuscinetti e, quando il problema di fondo si rivela essere squilibrio piuttosto che i cuscinetti, bilanciati sulla stessa macchina.
Il precarico dei cuscinetti è uno strumento potente per aumentare le prestazioni del sistema di cuscinetti, garantendo una maggiore rigidità, una migliore precisione e una protezione contro lo slittamento e l'instabilità. Tuttavia, deve essere specificato con cura, soppesando questi vantaggi con le penalizzazioni dovute all'aumento dell'attrito, del calore e alla riduzione della vita utile, in modo da trovare l'equilibrio ottimale per ogni specifica applicazione.
