Classi di tolleranza per albero e supporto nei cuscinetti volventi: come la scelta dell'accoppiamento determina il gioco interno

Prima stabilire quale anello ruota rispetto al carico

La scelta dell'accoppiamento parte da una domanda: la direzione del carico ruota rispetto all'anello, o l'anello resta fermo sotto il carico? Un anello che ruota rispetto al carico tende a strisciare sulla propria sede se l'accoppiamento non lo trattiene, quindi la sede richiede un accoppiamento con interferenza o di transizione.

Un anello la cui direzione di carico è ferma resta al suo posto, quindi un accoppiamento con gioco è accettabile e spesso desiderato, perché consente lo spostamento assiale dell'anello. Le due sedi sono tabellate separatamente.

Sull'albero, un carico rotante dell'anello interno richiede classi con interferenza come h5, js5, js6, k5, k6, m5, m6, n6, p6 o r6 a seconda del carico e del diametro, mentre un carico fermo dell'anello interno usa g6 quando l'anello deve muoversi agevolmente o h6 quando non è necessario².

Sul supporto, un carico fermo dell'anello esterno usa classi con gioco H7, H8, G7 o F7, mentre un carico rotante dell'anello esterno usa M7, N7 o P7⁵.

Entrambe le tabelle dipendono dal tipo di carico, dal tipo di cuscinetto e dalla dimensione, quindi la classe non può essere scelta dalla sola direzione del carico²⁵. Sbagliare qui costa due volte.

Una sede lasca lascia che la pista di rotolamento ruoti e fretti contro l'albero o il supporto, e una sede che non regge adeguatamente la sottile pista accorcia la vita utile e può imporre la ricondizionatura dell'albero o del supporto prima di installare il cuscinetto di ricambio¹¹.

Leggere la classe per albero dalla tabella carico-diametro

Per un anello interno rotante, la classe per albero è tabellata rispetto all'entità del carico e al diametro dell'albero, e l'accoppiamento è definito rispetto alla tolleranza Normale del foro del cuscinetto: la stessa classe di lettera significa quindi un'interferenza assoluta diversa a diametri diversi²¹².

La tabella seguente copre il caso di carico leggero e normale per cuscinetti con foro cilindrico di classe 0, 6X e 6; il carico pesante o d'urto sposta la classe su n6, p6 o r6 e richiede un cuscinetto con gioco interno maggiore di quello standard². Due deroghe sono rilevanti.

Dove è richiesta alta precisione, js5, k5 e m5 sostituiscono js6, k6 e m6². Per cuscinetti a rulli conici e a sfere a contatto angolare a una corona, k5 e m5 possono essere sostituiti da k6 e m6, perché la riduzione del gioco interno dovuta all'accoppiamento non va considerata².

Leggere la classe per supporto dalla tabella carico-spostamento

La classe per supporto dipende dal fatto che l'anello esterno debba rimanere spostabile assialmente, dal tipo di carico e da quanto caldi girano l'albero e l'anello interno. Una singola classe predefinita è quindi sbagliata per un anello esterno rotante o per un albero caldo⁵.

Quando il carico dell'anello esterno è fermo e l'anello deve spostarsi facilmente, H7 è la scelta ordinaria; G7 può essere applicato per un cuscinetto grande o per una grande differenza di temperatura tra anello esterno e supporto⁵.

Quando l'albero e l'anello interno girano caldi, la classe per supporto passa a G7, con F7 per un cuscinetto grande o una grande differenza di temperatura⁵. Un carico rotante dell'anello esterno non è spostabile e prende M7, N7 o P7 a seconda del carico e della sezione del supporto⁵.

Verificare se l'interferenza consuma il gioco interno

Un accoppiamento con interferenza dilata l'anello interno, e tale dilatazione riduce il gioco interno di fabbricazione, ovvero il gioco di banco del cuscinetto¹⁹. Un accoppiamento stretto sul supporto fa lo stesso dall'esterno comprimendo l'anello esterno, quindi le due riduzioni si sommano³.

Se la riduzione non viene considerata, può non restare sufficiente gioco di banco per lasciare un qualunque gioco di esercizio, e il cuscinetto può finire in gioco negativo, attrito eccessivo e guasto precoce³¹⁹. La riduzione non è semplicemente l'interferenza nominale.

L'interferenza efficace si calcola come due terzi dell'interferenza nominale meno un valore di schiacciamento, sia per l'anello interno sia per quello esterno, e la variazione di gioco risultante dipende dall'interferenza efficace, dal diametro dell'albero accoppiato e dallo spessore di parete del foro del supporto⁹.

Per questo la classe di accoppiamento e la classe di gioco vanno scelte insieme e non in sequenza.

Dove l'accoppiamento è serrato, la temperatura di esercizio è costantemente elevata o i regimi superano l'intervallo standard, una classe di gioco maggiore come C3 è la scelta adeguata; C4 è riservato a temperature eccezionalmente alte, a una significativa differenza termica tra albero e supporto, a supporti a parete sottile o a un disallineamento severo²⁰.

Un fornitore indica C3 come raccomandazione predefinita per molti motori industriali e riduttori comuni: è la posizione di quel fornitore, non una regola per ogni applicazione²⁰.

Differenza termica e disposizione con lato libero

Anche il gioco si muove con la temperatura. Quando ci si aspetta che l'anello interno o l'albero girino più caldi e si dilatino più dell'anello esterno o del supporto, il gioco in esercizio diminuisce, quindi conviene da subito un gioco radiale più alto; se l'anello esterno si dilata più dell'interno, il gioco aumenta invece⁴.

La stessa logica guida la classe di gioco: C3 quando la temperatura di esercizio è costantemente alta, gli accoppiamenti sono serrati o i regimi superano lo standard, e C4 quando la differenza termica tra albero e supporto è significativa²⁰. Un cuscinetto sul lato libero è l'altro modo di assorbire quel movimento.

Compensa la dilatazione o il ritiro causati dalla variazione di temperatura in esercizio, e dove si usa un cuscinetto non smontabile sul lato libero, si prevede un accoppiamento con gioco tra l'anello esterno e il supporto, o in alcuni casi tra l'albero e l'anello interno²¹.

Quell'accoppiamento con gioco è una previsione termica deliberata, non una versione più lasca dell'accoppiamento del lato fisso.

Limitare l'interferenza da entrambe le estremità

L'accoppiamento deve essere abbastanza stretto da impedire lo strisciamento dell'anello e abbastanza lasco da non sovraccaricarlo.

Accoppiamenti corretti impediscono la rotazione della pista di rotolamento rispetto ad albero o supporto e il fretting e l'incollatura che ne seguono, e reggono le piste relativamente sottili del cuscinetto; le tolleranze ammissibili per albero e supporto sono solo leggermente maggiori di quelle dei componenti accoppiati del cuscinetto¹¹.

La calzata a pressa dell'anello interno aggiunge tensione tangenziale (hoop) nell'anello.

Per un caso specifico — un cuscinetto a sfere a contatto angolare da 120 mm di foro come spinta dell'albero principale in acciaio M50 per un turbogetto — la fonte raccomanda che questa componente di tensione tangenziale dovuta alla calzata non superi circa 140 MPa¹⁷.

Tale valore proviene da una singola applicazione aerospaziale ad alta velocità e non è un limite generale del settore; considerarlo un promemoria del fatto che l'interferenza massima è limitata dalla tensione dell'anello, e chiedere al fornitore di cuscinetti il limite applicabile al proprio cuscinetto.

Scegliere un metodo di montaggio in grado di raggiungere l'accoppiamento

L'interferenza indicata sul disegno deve poter essere raggiunta senza danneggiare la pista di rotolamento. I cuscinetti con foro cilindrico si montano in generale a pressa, oppure riscaldando l'anello interno per dilatarne il foro prima del montaggio — un accoppiamento per restringimento²⁶.

Per cuscinetti più grandi o con maggiore interferenza, il montaggio a caldo riduce il rischio di danni alla pista durante la pressatura, e dove l'anello esterno richiede un accoppiamento con interferenza, il cuscinetto può essere prima raffreddato con ghiaccio secco, applicando in precedenza un trattamento antiruggine²⁶. Gli attrezzi contano quanto la temperatura.

Vanno usate presse per cuscinetti, scaldatori a induzione o presse idrauliche secondo il tipo di cuscinetto e l'accoppiamento, e la forza non va mai applicata direttamente agli elementi volventi — solo all'anello che si sta montando¹³.

Cosa confermare sul disegno prima di ordinare

Gli accoppiamenti si scrivono come combinazioni lettera più cifra come m6 e H7, dove una lettera minuscola indica il diametro esterno dell'albero e una maiuscola il foro del supporto, e ciascuno è definito rispetto alla tolleranza Normale del foro o del diametro esterno del cuscinetto¹².

Poiché quelle tolleranze Normali crescono con la dimensione del cuscinetto, la stessa classe produce un accoppiamento assoluto diverso su un cuscinetto più grande, quindi il disegno è incompleto senza la classe di tolleranza del cuscinetto rispetto alla quale è definito¹².

Le fonti non forniscono valori numerici di geometria o finitura della sede, quindi vanno formulati come punti di verifica e non come cifre da copiare.

• ✓Indicare la classe di tolleranza del cuscinetto rispetto alla quale è definito l'accoppiamento, usando la designazione ISO, DIN, ANSI/ABEC o JIS con cui lavora il fornitore [S12][S14][S25]
• ✓Confermare la classe per albero rispetto al caso di carico e alla fascia reale del diametro dell'albero, non una classe predefinita [S2]
• ✓Confermare la classe per supporto rispetto all'esigenza di spostamento dell'anello esterno e alla temperatura dell'albero [S5]
• ✓Indicare la classe di gioco interno (CN, C3 o C4) e l'accoppiamento con cui è stata scelta [S20]
• ✓Richiedere all'officina di verificare diametro dell'albero, foro del supporto, rugosità e forma prima del montaggio [S11]
• ✓Chiedere al fornitore di confermare la riduzione di gioco prevista per l'accoppiamento specificato [S19][S9]
• ✓Nominare il metodo di montaggio e gli attrezzi, affinché l'interferenza specificata sia raggiungibile senza danni alla pista di rotolamento [S26][S13]

Dove le fonti si contraddicono o tacciono

Le tabelle precedenti provengono da guide alla selezione degli accoppiamenti di fornitori, e non puntano tutte nella stessa direzione. Le righe seguenti mantengono separata ogni posizione; l'evidenza non chiarisce quale valga per una data macchina, quindi l'acquirente verifica rispetto all'applicazione reale.

Cosa le fonti non stabiliscono

• Nessuna fonte fornisce valori numerici delle deviazioni di foro e diametro esterno Δdmp/ΔDmp per uno specifico cuscinetto, così che l'interferenza effettiva non può essere calcolata da questo articolo.
• Nessuna fonte fornisce intervalli numerici del gioco interno radiale per CN, C3 o C4 prima del montaggio.
• Nessuna fonte fornisce una formula completa del fattore di rapporto tra anelli per la riduzione del gioco; sono indicati solo il fattore 2/3 e la dimensione di appiattimento G*.
• Nessuna fonte fornisce calcoli numerici di dilatazione termica né la differenza di temperatura alla quale C3 o C4 diventa necessario.
• Nessuna fonte fornisce una formula di interferenza minima per prevenere strisciamento o fretting, né un limite generale di interferenza massima per cricche o tensione circonferenziale.
• Nessuna fonte fornisce requisiti numerici di ruvidità superficiale (Ra), cilindricità, rotondità o perpendicolarità della spalla.
• Nessuna fonte fornisce valori di interferenza ottenibili o richiesti, o valori di forza di montaggio, per accoppiamento a pressa, riscaldamento a induzione, iniezione d'olio o dado idraulico.
• Nessuna fonte fornisce tolleranze geometriche numeriche delle sedi di albero o carcassa rispetto alle tolleranze del cuscinetto.