La nouva generazione di rotelle e perni folli: Stampato speciale GSK

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La nouva generazione di
rotelle e perni folli
Ing. Helmut Bode
Stampato speciale INA da ãDer KonstrukteurÒ
Fascicolo speciale ASB, Aprile 1997
Editoria per tecnica ed economia
La nuova generazione di rotelle e perni folli
L’ottimizzazione dei componenti migliora la redditività
Ing. Helmut Bode
Ricerche dettagliate sulle cause
di rottura tipiche di rotelle e perni
folli dimostrano che queste sono
causate solo in minima parte
dall’affaticamento nel contatto
volvente. Nella maggior parte dei
casi i danneggiamenti prematuri
sono dovuti all’usura dell’anello
esterno, ad una lubrificazione
insufficiente e ad una corsa intraversata. Nuove soluzioni costruttive
ottimizzano il funzionamento di
rotelle e perni folli e permettono
di ottenere durate sensibilmente
maggiori.
1. Introduzione
Rotelle e perni folli sono cuscinetti
volventi largamente utilizzati in molteplici
applicazioni. Fondamentalmente questi
prodotti corrispondono ai cuscinetti
volventi classici con la variante di un
anello esterno rinforzato. I perni folli sono
rotelle provviste di un perno.
Nella maggior parte dei casi applicativi il
carico è periferico sull’anello esterno; vale
a dire l’anello esterno ruota mentre il carico
agisce sempre nella stessa direzione per
cui tutti i punti dell’anello esterno, in
successione, sono soggetti al carico.
Lo spessore dell’anello esterno è necessario per impedire una deformazione
eccessiva dell’anello stesso e determina
quindi un carico più uniforme sui corpi
volventi.
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2. Elevata capacità di carico
= lunga durata?
3. Nuova generazione di rotelle
e perni folli
Per tenere in considerazione le sollecitazioni
normalmente agenti su questi componenti,
finora i set di corpi volventi sono stati
progettati in modo tale da ottimizzare la
capacità di carico e ottenere quindi la
massima durata a fatica (figura 1).
Questa progettazione penalizza spesso le
esigenze legate alla lubrificazione ed alla
necessità di guida dei corpi volventi.
Se si analizzano le cause di rottura di
rotelle e perni folli nel corso di diversi anni
(figura 2), si presenta un quadro sorprendente: solo il 10% delle rotture sono da
attribuire all’affaticamento nel contatto
volvente. Decisamente più frequenti sono
le rotture causate da usura dell’anello
esterno, da problemi di lubrificazione e
da corsa intraversata. Conclusione:
non è la massima capacità di carico a
garantire una lunga durata di utilizzo,
bensì soprattutto la lubrificazione ottimale,
un buon comportamento in presenza di
intraversamenti ed un’usura ridotta
dell’anello esterno. Questi punti sono stati
spesso sottovalutati nelle progettazioni
attuate sino ad oggi.
Gli obiettivi della nuova generazione di
rotelle e perni folli devono essere pertanto
la realizzazione di una maggiore scorta di
grasso, contrastare gli effetti dell’intraversamento, ridurre le pressioni hertziane di
contatto dell’anello esterno, semplificare il
montaggio e agevolare la rilubrificazione.
Le nuove serie PWTR e PWKR, sono
state progettate per soddisfare queste
esigenze. La figura 3 evidenzia l’aumento
del volume di lubrificante rispetto a
progettazioni tradizionali (figura 1).
Allo stesso tempo il bordo centrale
consente una guida ottimale dei corpi
volventi e migliora il comportamento in
presenza di intraversamenti. Tenute
striscianti ad entrambi i lati trattengono
il grasso all’interno del cuscinetto e
proteggono inoltre da infiltrazioni esterne.
Nella progettazione dello spazio a
disposizione del grasso si deve prestare
particolare attenzione alle sollecitazioni
meccaniche che il grasso subisce per
effetto dei corpi volventi; la continua
ricalcatura determina una distruzione
prematura della struttura del grasso e la
riduzione della durata di utilizzo.
Nei PWTR e nei PWKR, il grasso
depositato tra le due corone di corpi
volventi può erogare olio in continuità.
Prove di funzionamento eseguite in
laboratorio e l’impiego pratico dimostrano
come questi miglioramenti costruttivi si
rispecchino in una durata di utilizzo
decisamente maggiore. Le prove di
funzionamento condotte con un numero
statisticamente significativo di campioni
hanno riguardato NUTR 2052 e
PWTR 2052.2RS.
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Figura 1 Rotella NUTR
Figura 2 Rotelle e perni folli, cause di rottura
Le condizioni di prova erano le seguenti:
Carico sul cuscinetto
F = 5100 N
Numero di giri
n = 1900 1/min.
Grasso utilizzato:
grasso al sapone di litio a base di olio
minerale.
I cuscinetti non sono stati rilubrificati
durante la durata delle prove.
Nella figura 4 vengono paragonate la
durata nominale (di calcolo) e la durata di
utilizzo effettivamente raggiunta. Per la
serie costruttiva NUTR, con capacità di
carico ottimizzata, il tempo di funzionamento medio è pari al 14% circa della
durata nominale; tutte le rotture dei campioni sono da attribuire ad un problema di
lubrificazione. Naturalmente una rilubrificazione regolare avrebbe prolungato
decisamente l’impiego di queste rotelle;
in molti casi pratici tuttavia la rilubrificaziono o non viene eseguita o viene
eseguita in modo insufficiente.
Con la nuova serie costruttiva PWTR, ad
una durata nominale inferiore, corrisponde
però una durata di utilizzo effettiva decisamente superiore. La durata media di
funzionamento di tutti i campioni corrisponde al 184% della durata nominale.
Per nessuno dei campioni testati è
stata raggiunta la durata di utilizzo del
grasso [1].
di utilizzo del grasso sono sensibilmente
aumentati. Questa constatazione
conduce, nella maggior parte dei casi
di applicazione, a cuscinetti esenti da
manutenzione ed anche in condizioni
estreme – quando una lubrificazione a
vita non è raggiungibile – gli intervalli di
rilubrificazione diventano molto maggiori.
4. Durata di utilizzo aumentata
5. Miglioramenti in presenza di
corsa intraversata
Il fattore del cuscinetto KL [2] è un parametro importante per la determinazione
dell’intervallo di lubrificazione di base dei
cuscinetti volventi. Questo fattore prende
in considerazione la forma costruttiva e la
scorta di grasso. Con la nuova serie di
rotelle e perni folli il suo valore, rispetto
alle forme costruttive tradizionali, si è
almeno raddoppiato ed è giunto a 0,6;
i risultati delle prove dimostrano che
questo valore può essere aumentato
sino a 1,0 [3]. In pratica i valori di durata
Le nuove condizioni di lubrificazione e la
guida sul bordo centrale migliorano il
comportamento di rotelle e perni folli in
presenza di una corsa intraversata. Grazie
alla guida ottimizzata dei corpi volventi si
riduce l’attrito assiale il che implica una
minore temperatura del cuscinetto e quindi
un ridotto utilizzo di lubrificante. La figura 5
mostra il comportamento delle diverse
forme costruttive in presenza di una corsa
intraversata con riferimento al numero di giri
massimo per una temperatura del
corpi volventi guidati
dai bordi
tenuta
strisciante ai due lati
Figura 3 Rotella PWTR
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grande riserva
di grasso
Figura 4 Durata di utilizzo di rotelle e
perni folli
3
Figura 5 Numero di giri costante con corsa intraversata
cuscinetto massima di 70 °C. Risulta che,
con errore angolare crescente, la diminuzione del numero di giri nel nuovo PWTR
non solo è inferiore rispetto all’ NUTR ma
anche che questa variazione è tanto più
evidente quanto maggiore è l’angolo di
intraversamento. Con un angolo di intraversamento a maggiore di 2 mrad (ca. 0,1°)
non è riconoscibile una ulteriore diminuzione del numero di giri [4].
6. Montaggio semplificato e
possibilità di rilubrificazione
➀
➁
Anche se le nuove forme costruttive aumentano sensibilmente gli intervalli di rilubrificazione e, nella maggior parte dei casi,
venga raggiunta addirittura la lubrificazione
a vita, a volte non è possibile rinunciare alla
rilubrificazione. Questo vale soprattutto
per le esecuzioni con capacità di carico
ottimizzata delle serie NUTR ed NUKR.
Nel caso dei perni folli deve essere offerta
la possibilità di rilubrificare da diversi
punti. Con le nuove progettazioni si è
scelta la soluzione dell’esagono incassato
per semplificare il montaggio e contemporaneamente poter rilubrificare tramite
lo stesso esagono incassato.
Nella figura 6 è rappresentata sia la
rilubrificazione con un ingrassatore
convenzionale sia la possibilità di una
lubrificazione centralizzata per mezzo
di un adattatore speciale. Soluzioni di
questo tipo, in combinazione con un
esagono incassato, finora non sono state
realizzate.
➂
Figura 6 Nuova generazione di perni folli INA. Esagono incassato ad entrambi i lati con possibilità
di rilubrificazione
➀ Montaggio semplificato per mezzo di un esagono incassato ad entrambi i lati
➁ Possibilità di rilubrificazione a grasso con ingrassatore ad entrambi i lati
➂ Possibilità di collegamento a lubrificazione centralizzata ad entrambi i lati per mezzo
di adattatore (accessorio speciale))
4
Profilo cilindrico
Profilo R = 500
Profilo INA ottimizzato
Corsa diritta
b = 0 mrad
Cw/P = 5
Corsa inclinata
b = 3 mrad
Cw/P = 5
Figura 7 Influsso della forma del profilo sulla pressione hertziana. Anello esterno con profilo INA
ottimizzato a confronto con profili tradizionali
7. Profilo esterno ottimizzato
Con la nuova generazione di rotelle e
perni folli sono stati raggiunti notevoli
miglioramenti per quanto riguarda la
lubrificazione e l’intraversamento, ma non
solo; è stato possibile anche ottimizzare
l’usura dell’anello esterno. Osservando le
cause di rottura riassunte nella figura 2 ci
si accorge che il danneggiamento più
frequente è l’usura dell’anello esterno.
Ricerche mirate sull’usura hanno
dimostrato che con la giusta scelta di
materiale e, per quanto possibile, con
una lubrificazione anche minima, l’usura
tra anello esterno e contropista può
essere notevolmente ridotta. Le ricerche
hanno anche dimostrato che l’usura è
fortemente collegata al valore della
pressione hertziana di contatto (5).
Si deve quindi minimizzare la pressione
hertziana nel punto di contatto.
Il profilo dell’anello esterno ottimizzato
tramite calcoli e prove porta ad una
notevole riduzione della pressione
hertziana sia in caso di montaggio esattamente allineato e diritto sia in presenza di
un errore angolare.
La figura 7 mostra la superiorità del
nuovo profilo rispetto al profilo cilindrico
ed al raggio tradizionale R = 500 mm.
A completamento dei miglioramenti di
durata di utilizzo del grasso e di comportamento in presenza di errori angolari
siamo riusciti a ridurre notevolmente
anche la pressione hertziana di rotelle e
perni folli nel punto di contatto tra anello
esterno e contropista.
Ne consegue, oltre ad un aumento della
rigidezza, anche un miglioramento della
durata di affaticamento, soprattutto della
contropista e, con la giusta scelta di
materiale (2), anche l’usura in questo
punto di contatto viene notevolmente
ridotta.
Indice bibliografico
[1] Rapporto di prova INA VA-64892
“Durata di utilizzo di rotelle e perni
folli”, Herzogenaurach 1995
[2] Stampato INA LFR, Rotelle, Herzogenaurach, Marzo 1995
[3] Catalogo INA 307, Cuscinetti a rullini,
cuscinetti a rulli cilindrici, 1997
[4] Welter, R. e Miko, J.:
“Rotelle con caratteristiche di
funzionalità e durata ottimizzate“,
Konstruktionspraxis, fascicolo 3 e 4,
Marzo e Aprile 1995
[5] Stampato INA “Competenza nelle
rotelle”, Herzogenaurach 1995
Indice bibliografico:
Nota sull’autore: l’Ing. Bode è responsabile
di branche per le costruzioni meccaniche
presso la INA Wälzlager Schaeffler oHG
di Herzogenaurach.
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á Stampato in Germania
Strada Statale 229 Ð km. 17
28015 Momo (Novara)
Telefono: (03 21) 929 211
Fax:
(03 21) 929 300
http://www.ina.de
Sach-Nr. 005-867-932/GSK I-I 07981.5
INA rullini S.p.A.