Cuscinetti a rullini: 60 anni e ancora in evoluzione

Jul 20, 2023

Sebbene il design di base di un cuscinetto a rullini non sia cambiato molto negli ultimi 60 anni, i continui sviluppi hanno portato a nuovi design di gabbie che garantiscono una durata operativa cinque volte superiore e un coefficiente di carico statico doppio rispetto alle loro controparti originali. La maggior parte dei progettisti avrà già familiarità con i vantaggi tecnici forniti da un cuscinetto a rullini: la capacità di gestire carichi relativamente elevati in un involucro dal design compatto. Questo vantaggio tecnico ha reso nel corso degli anni i cuscinetti a rullini la scelta preferita in un'ampia varietà di applicazioni di trasmissione di potenza industriali e automobilistiche. Un cuscinetto a rullini è un cuscinetto che utilizza piccoli rulli cilindrici. Questi rulli vengono utilizzati per ridurre l'attrito di una superficie rotante. Rispetto ai cuscinetti a sfere, i cuscinetti a rullini hanno un'ampia superficie in contatto con i perni delle piste del cuscinetto. La struttura tipica di un cuscinetto a rullini comprende una pista interna (o talvolta solo un albero), una gabbia ad aghi che orienta e contiene i rullini, i rullini stessi e una pista esterna. Esistono molti modelli diversi di cuscinetti a rullini, tra cui coppa imbutita, pista di precisione, rullo a gabbia e rullo reggispinta. In questo caso consideriamo il tipo a rulli con gabbia. La funzione di un cuscinetto a rullini con gabbia è quella di supportare carichi radiali e velocità di rotazione. Qui una gabbia guida e trattiene i rulli. I design con gabbia normalmente sono disponibili in design a fila singola e doppia, con un'ampia varietà di materiali disponibili per la gabbia, tra cui acciaio, plastica (PA66) e alluminio. I design a più corone di cuscinetti aumentano la capacità di carico. Le gabbie, sia in acciaio che in plastica, possono essere realizzate in una varietà di costruzioni diverse, tra cui gabbia solida, divisione singola e metà divise (in due pezzi). Queste gabbie possono anche incorporare passaggi di lubrificazione e altre caratteristiche progettate su misura. Le applicazioni tipiche dei cuscinetti a rullini con gabbia sono scatole del cambio, sistemi di trasmissione di potenza per autoveicoli, motori a due e quattro tempi, gruppi di ingranaggi epicicloidali e compressori d'aria. Indipendentemente dal tipo dei quattro tipi principali di cuscinetto a rullini viene selezionato per un'applicazione, gli ingegneri dovrebbero considerare una serie di fattori prima di prendere una decisione il più presto possibile nella fase di progettazione: dimensioni/involucro di progettazione, tipo di carico, capacità di carico, velocità, temperatura, disallineamento, alloggiamento e specifiche dell'albero, durata di servizio e requisiti di lubrificazione. Nel 1949, alla fine della Seconda Guerra Mondiale, i fondatori di INA (ora Gruppo Schaeffler), il dottor Georg Schaeffler e suo fratello Wilhelm, inventarono un nuovo tipo di cuscinetto a rullini, il Cuscinetti a rullini con gabbia INA. Durante la produzione di cuscinetti per l'esercito americano, Georg Schaeffler pensò per la prima volta a come superare gli svantaggi dei cuscinetti a rullini a pieno riempimento. Allora i cuscinetti con elementi volventi tendevano a distorcersi, soprattutto a velocità di funzionamento elevate, e quindi soffrivano di un aumento della resistenza all'attrito (calore). Inoltre, il cuscinetto si bloccava facilmente dove il gioco era stretto. La soluzione del Dr. Georg Schaeffler nel 1949 fu quella di guidare gli aghi assialmente in una gabbia. Il cuscinetto a rullini con gabbia superò questi svantaggi offrendo allo stesso tempo velocità elevate e basso attrito. Lavorando con un team di ingegneri dell'INA, Georg sviluppò l'idea fino a quando non fu pronta per la produzione in serie e poi partì con suo fratello armato di una valigetta di campioni per convincere i clienti dei vantaggi del suo nuovo cuscinetto a rullini. Durante i primi anni, Lo sviluppo dell'INA è stato strettamente legato all'industria automobilistica. In effetti, il primo obiettivo dei cuscinetti a rullini con gabbia è stato l'industria automobilistica e alcuni dei primi clienti a convertirsi alla nuova tecnologia sono stati Mercedes Benz e Adler Motorcycles. L'attività dei cuscinetti volventi di INA era davvero iniziata. In poco tempo i cuscinetti a rullini con gabbia del Dr. Schaeffler divennero un elemento essenziale nella progettazione di molti impianti e macchinari automobilistici e industriali. È notevole che il genio ingegneristico dei cuscinetti a rullini con gabbia del Dr. Schaeffler sia ancora in uso nel suo design originale oggi. Tuttavia, il design originale non si è fermato nel corso degli anni, ma è stato continuamente migliorato e adattato per soddisfare richieste sempre più diverse. I cuscinetti a rullini con gabbia INA hanno dato un contributo significativo allo sviluppo di veicoli più piccoli, più efficienti ed economici. Ancora oggi sarebbe difficile immaginare un sistema di trasmissione automobilistico che non utilizzasse cuscinetti a rullini. Oggi, i cuscinetti a rullini INA sono prodotti in più di 15.000 varianti, con nuovi design personalizzati per soddisfare le esigenze speciali delle applicazioni dei clienti. INA lavorata I cuscinetti a rullini costituiscono il cuore della gamma, in particolare con la recente introduzione dello standard di qualità premium X-life di Schaeffler. I cuscinetti a rullini prodotti con qualità X-life offrono ora un aumento del 13% del coefficiente di carico dinamico rispetto ai cuscinetti convenzionali, che corrisponde a un aumento del 50% della durata utile. Per il cliente, questi miglioramenti significano meno stress da lubrificante, riduzione dell'attrito e temperature dei cuscinetti più basse, che a loro volta si traducono in cuscinetti più efficienti dal punto di vista energetico. Inoltre, l'aumento della capacità prestazionale consente di ridimensionare il cuscinetto per l'applicazione, con conseguente riduzione del peso del cuscinetto e dei suoi requisiti di spazio. Nell'improbabile caso in cui i requisiti dell'applicazione superino anche i cuscinetti X-life, è possibile apportare ulteriori miglioramenti delle prestazioni tecniche. essere ottenuto attraverso l'uso di nuovi rivestimenti e materiali per cuscinetti. Un progetto attualmente in corso presso la Divisione Automotive di Schaeffler prevede la riprogettazione di un set di ingranaggi planetari ad alta velocità per una trasmissione con cambio automatico su un nuovo veicolo passeggeri elettrico ibrido. Stewart Davies, Senior Application Engineer di Schaeffler (UK) Ltd commenta: "L'industria automobilistica oggi è sempre più sotto pressione per produrre veicoli più efficienti in termini di carburante e con minori emissioni di CO2. Un metodo per raggiungere questo obiettivo è migliorare il consumo di carburante del veicolo riducendo l'attrito lungo l'intera trasmissione. Ciò significa ridurre il peso dell'intero veicolo riducendo il peso dei singoli componenti.""I produttori di automobili ora richiedono cuscinetti e altri componenti del motore che forniscano migliori caratteristiche di attrito, ed è qui che arrivano i vantaggi dei cuscinetti a rullini con gabbia in gioco."Davies afferma che un design speciale della gabbia per il cuscinetto a rullini e caratteristiche migliorate che migliorano le caratteristiche di flusso di lubrificazione del cuscinetto, hanno portato a un design del cuscinetto con attrito inferiore, che ha consentito al set di ingranaggi planetari del cliente per i differenziali elettrici essere ridotto nelle dimensioni, pesando il 17% in meno rispetto al sistema originale. I cuscinetti, in combinazione con il flusso d'olio ottimizzato attraverso il supporto, hanno consentito velocità di funzionamento più elevate del 20% (fino a 8.000 giri/min). più piccolo per accogliere l'albero e il foro dell'alloggiamento dell'ingranaggio è finito per supportare la pista del cuscinetto. In caso contrario, sarebbe stato necessario un anello esterno o interno", spiega Davies. I cuscinetti a rullini con gabbia possono essere assemblati in molte varietà per il cliente . Questi includono design a divisione singola, tipi a semiguscio e divisione singola con collegamenti con barra a molla diagonale. Dalla fine degli anni '80 fino all'inizio degli anni '90, i miglioramenti nella progettazione delle gabbie si sono concentrati su design più sottili con massa ridotta. Altri miglioramenti includono nuove caratteristiche di progettazione che aiutano a spostare il lubrificante in modo più efficace in tutte le aree del cuscinetto, migliorando il flusso dell'olio. Originariamente, le gabbie erano progettate semplicemente per guidare gli elementi volventi. Tuttavia, più recentemente, i cuscinetti a rullini sono stati dotati di design della gabbia molto migliorati, comprese ad esempio speciali gabbie prefabbricate. La precessione non solo aiuta a distribuire l'usura tra tutti i rulli, ma distribuisce anche il lubrificante attorno al cuscinetto. La "falsa brinellatura" è una tipica modalità di guasto dei cuscinetti a rullini con gabbia, in particolare nelle applicazioni di trasmissione di potenza. Queste modalità di guasto sono comunemente causate da microvibrazioni e movimenti tra gli elementi volventi e i perni delle piste, creando condizioni di contatto metallo-metallo. Il risultato di miglioramenti come quelli descritti, ha portato i più recenti modelli di cuscinetti a rulli con gabbia a essere in grado di offrono capacità di carico statico fino al 25% più elevate per un cuscinetto di dimensioni simili, che equivale a più del doppio del coefficiente di carico dinamico. Per applicazioni con movimenti multipli e piccoli, la durata dei cuscinetti aumenta generalmente da tre a cinque volte. Per ulteriori informazioni, visitare www.schaeffler.co.uk