CUSCINETTI A SFERA –
COSA SONO, COME FUNZIONANO E LE LORO APPLICAZIONI

I cuscinetti a sfera sono componenti meccanici utilizzati per ridurre Attrito tra due superfici in movimento e permettere loro movimento rotatorio fluido.

Grazie alla loro semplicità costruttiva, sono fondamentali in numerosi settori industriali, migliorando l’efficienza e la durata operativa dei macchinari poiché consentono di gestire carichi e velocità elevate senza comprometterne il funzionamento.

COS’E’ UN CUSCINETTO?

Un cuscinetto è un componente meccanico progettato per supportare e guidare parti in movimento, riducendo l’attrito tra le superfici a contatto.

Viene utilizzato per facilitare il movimento rotatorio o lineare tra due elementi, come ad esempio un albero e una sede.

Il suo compito principale è sostenere carichi (radiali, assiali o entrambi) e assicurare un funzionamento fluido, preciso e duraturo delle macchine in cui è installato.

 

CUSCINETTI VOLVENTI E RADENTI

Esistono molte tipologie di cuscinetti, ognuna progettata per specifiche condizioni di carico, velocità e ambiente operativo.

I più comuni sono i cuscinetti volventi, che sfruttano corpi rotanti (come sfere o rulli), e i cuscinetti radenti, che si basano su superfici a scorrimento diretto.

CUSCIENETTI RADIALI E ASSIALI

Un’ulteriore differenziazione può essere fatta tra cuscinetti radiali e assiali a seconda della direzione principale del carico che devono sopportare:

• CUSCINETTI RADIALI
  Progettati per resistere a carichi perpendicolari all’asse dell’albero. Alcuni sopportano solo carichi radiali, mentre altri possono gestire anche carichi assiali moderati, in una o entrambe le direzioni.
• CUSCINETTI ASSIALI
  Ideali per carichi paralleli (carichi assiali) all’asse dell’albero. Possono essere unidirezionali o bidirezionali. Alcuni modelli, detti per carichi combinati, tollerano anche una componente radiale, ma hanno limiti di velocità inferiori rispetto ai radiali.

A COSA SERVONO I CUSCINETTI A SFERA?

 

I cuscinetti a sfera sono uno degli elementi meccanici più diffusi e fondamentali per la progettazione di macchine e impianti industriali.

Si trovano in una varietà di dispositivi e macchinari che richiedono movimento rotatorio fluido e senza attriti.

Sono costituiti da sfere in acciaio o altri materiali che girano all’interno di una pista circolare, separando le superfici in movimento e riducendo drasticamente l’attrito tra di esse.

In base alla capacità di carico richiesta, possono avere una o più corone di sfere: i modelli a una corona sono i più comuni e compatti, mentre quelli a doppia corona offrono una maggiore resistenza ai carichi, soprattutto in presenza di forze combinate (radiali e assiali).

PERCHE’ SONO COSI’ UTILIZZATI?

I cuscinetti a sfera vengono scelti per molte applicazioni grazie a una serie di vantaggi che li rendono irrinunciabili in moltissimi ambiti industriali.

Ecco i motivi principali del loro ampio utilizzo:

• Riduzione dell’attrito tra due superfici in movimento, riducendo il calore generato dal contatto diretto tra le superfici e aumentando quindi l’efficienza del meccanismo.
  
• Sostegno ai carichi sia radiali (cioè perpendicolari all’asse di rotazione) che assiali (lungo l’asse di rotazione).
• Lunga durata e affidabilità grazie alla loro progettazione semplice ma robusta e affidabile, riducendo costi di manutenzione e aumentando l’affidabilità operativa.
• Versatilità, possono essere utilizzati in una vasta gamma di velocità e condizioni operative.
• Facilità di manutenzione, installazione e sostituzione rispetto a molti altri tipi di cuscinetti

 

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO, COME FUNZIONA UNA CUSCINETTO?

Per comprendere il funzionamento di un cuscinetto è fondamentale analizzarne i componenti principali, ben visibili nell’immagine:

 

 

COMPONENTI DEL CUSCINETTO:

Anello esterno: Parte fissa o mobile del cuscinetto che lavora in abbinamento con l’ambiente circostante (es. alloggiamento nel telaio).

Anello interno: In genere montato su un albero rotante, trasmette il movimento alle sfere.

Gabbia superiore: Struttura che mantiene equidistanti le sfere e ne guida il movimento.

Gabbia inferiore: Simile alla gabbia superiore, completa l’alloggiamento delle sfere

Sfere ( o rulli ) : Elementi volventi in acciaio o ceramica che ruotano all’interno delle piste riducendo al minimo l’attrito.

Tenute: Guarnizione in gomma o materiale polimerico che impedisce l’ingresso di polvere, umidità e contaminanti nel sistema.
Possono essere realizzate in acciaio o materiali polimerici (plastica).

Le tenute in acciaio garantiscono una protezione superiore in ambienti aggressivi, mentre quelle in plastica offrono maggiore elasticità e minore attrito, risultando ideali in applicazioni meno severe o con maggiore attenzione all’efficienza energetica.

 

I cuscinetti vengono spesso rappresentati mediante sezioni e viste dedicate, per rendere visibili le parti interne come sfere, gabbie e piste di rotolamento.
È importante conoscere e saper leggere le viste e sezioni nel disegno tecnico.

 

COME FUNZIONA REALMENTE?

 

 

Il cuscinetto a sfera consente la rotazione relativa tra due organi meccanici riducendo drasticamente l’attrito, grazie all’interposizione di sfere  che rotolano tra due piste concentriche.
Il componente è costituito principalmente da un anello interno, collegato all’albero rotante, e da un anello esterno , accoppiato alla struttura fissa.

Le sfere sono alloggiate in una gabbia che le mantiene equidistanti e ne guida il movimento.

Durante il funzionamento, le sfere rotolano tra le piste presenti sugli anelli, trasformando l’attrito radente in attrito volvente e riducendo così la dissipazione energetica.

Il contatto puntiforme tra le sfere e le piste consente una rotazione fluida, silenziosa e ad alta efficienza, anche a velocità elevate.

I carichi radiali sono assorbiti dalla geometria delle piste, mentre la resistenza ai carichi assiali è limitata, a meno che non si impieghino configurazioni specifiche (es. cuscinetti a contatto obliquo).

Gli anelli di tenuta proteggono l’interno del cuscinetto da polvere e contaminanti e trattengono il lubrificante, migliorando l’affidabilità del sistema e prolungandone la vita utile.

 

DURATA NOMINALE DEI CUSCIENTTI A SFERA 

DURATA

Quando un cuscinetto è in funzione, gli anelli interno ed esterno, insieme ai corpi volventi, sono costantemente sottoposti a carichi.

Questo stress continuo provoca un progressivo deterioramento dei materiali, che può portare nel tempo alla rottura del componente.La durata nominale di un cuscinetto rappresenta il numero di giri che almeno il 90% di un ampio lotto di cuscinetti identici può completare senza manifestare segni evidenti di cedimento dovuti alla fatica del materiale.

 

 

ALLOGGIAMENTO E BATTUTE

Il corretto posizionamento dei cuscinetti richiede una progettazione attenta sia dell’alloggiamento sia delle battute.

L’alloggiamento è la sede, ricavata nel corpo macchina, che accoglie l’anello esterno del cuscinetto garantendone il fissaggio radiale.

Le battute, invece, sono superfici di arresto assiale realizzate sull’albero o nella sede, che impediscono lo spostamento del cuscinetto lungo l’asse.

Per realizzare le battute si possono utilizzare spalle tornite, anelli di arresto o altri elementi meccanici adatti allo scopo.

È importante prevedere i giusti accoppiamenti e distanziali affinché la parte rotante del cuscinetto non entri in contatto con componenti fissi, evitando attriti o danni.

Questo accorgimento garantisce la corretta funzionalità e durata dell’insieme.

TOLLERANZE DEGLI ALBERI SU CUI ALLOGGIANO I CUSCINETTI

La scelta delle tolleranze sull’albero su cui viene montato il cuscinetto è fondamentale per garantire un corretto accoppiamento e il buon funzionamento del sistema.

In genere, per applicazioni standard si utilizza una tolleranza h7, che assicura un accoppiamento adeguato senza eccessivi giochi né forzature.
Tuttavia, per applicazioni che richiedono alta precisione come nella strumentazione di misura o nei mandrini di macchine utensili si può optare per tolleranze più strette (es. h6 o h5), per ridurre i giochi radiali e migliorare la rigidità dell’insieme.

La scelta dipende dal tipo di cuscinetto, dal carico, dal regime di rotazione e dall’ambiente di lavoro.

Nella progettazione CAD è utile inserire i cuscinetti in 3D per verificarne l’ingombro e le interferenze con altri componenti.

APPLICAZIONI  COMUNI

 

I cuscinetti a sfera sono presenti in una vasta gamma di macchinari e impianti industriali, selezionati per le loro prestazioni affidabili anche in condizioni operative complesse.

Di seguito, alcuni esempi rappresentativi:

• Automotive: utilizzati in mozzi ruota, cambi, frizioni e motori elettrici.
• Macchine utensili: impiegati nei mandrini e nei sistemi di scorrimento ad alta precisione.
• Elettrodomestici: presenti in lavatrici, ventilatori e compressori.
• Aeronautica e ferroviario: usati in componenti ad alta velocità soggetti a stress
  
• Motori elettrici e generatori: fondamentali per garantire rotazioni regolari e silenziose.
  
• Robotica e automazione industriale: integrati nei giunti e nei sistemi di traslazione per movimenti fluidi e controllati.

L’elevata standardizzazione e la disponibilità di varianti per condizioni specifiche ne facilitano l’integrazione in qualsiasi settore produttivo.

 

 

CUSCINETTI A SFERE E CUSCIENTTI A RULLI, VANTAGGI E SVANTAGGI

La differenza principale tra i due risiede nel tipo di contatto con le piste:

• Le sfere realizzano un contatto puntiforme con le piste. Questo tipo di contatto riduce l’attrito e consente al cuscinetto di raggiungere alte velocità, ma limita la capacità di sopportare carichi elevati.
• I rulli, invece, generano un contatto lineare, che distribuisce meglio il carico e aumenta la capacità di sopportare forze elevate.
• Tuttavia, ciò comporta maggiore attrito e velocità operative inferiori rispetto ai cuscinetti a sfere.