ALBERI, PERNI, SOPPORTI, CUSCINETTI

Alberi E PERNI

Alberi ed assi • ALBERO: “organo utilizzato per la trasmissione diretta del moto rotatorio e di un momento torcente” o anche ”organo rotante di una macchina o di un qualsiasi meccanismo, che assolve la funzione di trasmettere o ricevere coppie motrici o resistenti “ • ASSE: organo che sostiene, senza trasmissione di momento torcente, corpi rotanti liberi di muoversi intorno ad esso.

Gli alberi di trasmissione Gli alberi di trasmissione possono essere orizzontali o verticali.

Alberi orizzontali Gli alberi orizzontali utilizzano apposite sedi, in corrispondenza degli appoggi sui supporti, detti perni intermedi (o di banco) e perni di estremità. A seconda della posizione in cui sono ricavate

I perni intermedi I perni intermedi o di banco sono cilindrici e normalmente dotati di apposito spallamento o scanalatura per anelli elastici, oppure di un tratto filettato per ghiera. Lo spallamento consente l’ancoraggio e il bloccaggio assiale dell’albero sui supporti.

I perni di estremità I perni di estremità (UNI ISO 775) sono ricavati nella parte terminale dell’albero. Possono essere a: Estremità cilindrica lunga o corta Estremità conica (conicità 1:10), con o senza linguetta, con filettatura esterna o interna

Alberi verticali Gli alberi verticali si appoggiano con una estremità detta perno di spinta ad una ralla o ad una superficie (deve sostenere oltre al peso, l’intero sforzo assiale presente sull’albero). La superficie di appoggio può essere piana, anulare o sferica

Dimensionamento degli alberi Albero sollecitato a sola flessione (asse o assale) Si possono verificare due casi: Albero fisso e organi rotanti: dimensionamento a flessione semplice Albero solidale con gli organi: dimensionamento a flessione rotante per la presenza di una sollecitazione dinamica alterna

b) Albero sollecitato a torsione Quando un albero trasmette un momento torcente lungo il suo asse e la sollecitazione di flessione può essere ritenuta trascurabile (le forze e i bracci sono ridotte) il dimensionamento viene effettuato a torsione semplice.

In tal caso gli organi montati sull’albero devono essere resi solidali con dispositivi che riducono la sezione utile. Ai fini della resistenza alla sollecitazione di torsione occorre tener conto della sola sezione utile considerando la presenza di questi dispositivi che riducono le fibre che collaborano alla resistenza.

c) Alberi sollecitati a flesso – torsione Più frequentemente gli alberi trasmettono momenti torcenti insieme a momenti flettenti non trascurabili; il dimensionamento in questo caso viene fatto a flesso- torsione.

Norme di proporzionamento Dopo aver ottenuto il diametro teorico si procede alla determinazione del diametro effettivo dell'albero, che tenga conto delle maggiorazioni necessarie per la realizzazione di cave per linguette o di gole di scarico per le filettature, per poi procedere all'arrotondamento secondo la serie dei numeri normali di Renard e il rispetto delle norme di proporzionamento grafico dell'albero di trasmissione. L’albero potrà essere: sezione costante a sezione variabile

Albero a sezione costante In caso di albero a sezione costante questa si assumerà pari alla massima derivante dal calcolo teorico

Albero a sezione variabile − La variazione di diametro deve avvenire con continuità mediante tratto conico o con piccoli gradini successivi − Senza spigoli vivi ma con almeno un raccordo R>d/2 Alberi a sezione variabile con spallamenti retti, conicità e raccordi

Spallamento piccolo con raccordo e ralla di appoggio − Quando è necessario ricavare uno spallamento per appoggio di cuscinetti, boccole o supporti, la norma impone che la variazione di diametro sia < al 20%, e con un raccordo che può essere superato con l'interposizione di una ralla. Spallamento piccolo con raccordo e ralla di appoggio

- Oppure con la realizzazione di una gola di scarico quando è necessaria una battuta di appoggio con diametro in tolleranza. Gole di scarico per superfici da rettificare interne ed esterne

Nel caso in cui si debbano realizzare bloccaggi assiali di spinta senza giochi si utilizzerà un distanziale. La parte centrale dell’albero, in corrispondenza del distanziale, sarà scaricata con una leggera diminuzione del diametro, per favorire il montaggio degli elementi.

Distanziale Spallamento Diametro alleggerito

Distanziali

Ghiere

Perni di albero Parti di albero che si accoppiano con sopporti o con altri organi permettendone la reciproca rotazione

Perni con spinta assiale: attrito e lubrificazione Quando il perno deve scaricare dall’albero al sopporto una forza assiale occorre garantire l’uniforme distribuzione della pressione sugli appoggi. Ciò è ottenibile mediante l’interposizione di boccole flangiate che aumentano la superficie di contatto e, in caso di usura, siano facilmente sostituibili

Sopporto Boccola Rosetta Accoppiamento stabile tra boccola e sopporto in modo che non si verifichi movimento relativo. Solitamente si preferisce realizzare un accoppiamento con giuoco tra albero (costruito con materiale più duro in modo che si consumi di meno) e boccola facilmente sostituibile. Perno con spinte assiali dotato di boccola e rosetta intercambiabili dopo l’usura

Alloggiamento per perno di spinta. La boccola 1 è bloccata sulla base a ha gioco rispetto all’albero; La ralla 2 è vincolata a ruotare con l’albero mediante incastro a tenone; La ralla 3 è bloccata sulla base mediante grano a punta cilindrica L’attrito e l’usura sono concentrati sulle ralle facilmente sostituibili e lubrificate con olio a circolazione forzata per ottenere anche l’asportazione del calore generato dall’attrito Boccola Ralla Ralla

Il perno viene dimensionato in modo che la pressione specifica non superi il valore della pressione ammissibile. Il diametro del perno viene determinato tramite la seguente:

SOPPORTI

Sopporti per alberi Elementi che sostengono i perni di un albero rotante fissandone la posizione, anche assiale e mantenendo l’attrito entro limiti accettabili. La parte interna del sopporto può essere direttamente a contatto con l’albero o contenere un elemento intermedio, detto cuscinetto.

Tipi di sopporti Con incastellatura in un sol pezzo. Con incastellatura in due pezzi (UNI ISO 113/2) Supporti con cuscinetti oscillanti Sopporti con dispositivi di lubrificazione

Con incastellatura in un sol pezzo. Di semplice costruzione possono essere impiegati solo in corrispondenza delle estremità degli alberi in quanto presentano l’inconveniente che per smontare l’albero occorre la rimozione del sopporto. Sono ad occhio o a flangia.

Con incastellatura in due pezzi (UNI ISO 113/2) Vengono impiegati quando si devono assemblare organi facilmente smontabili, su alberi lunghi, pesanti e difficili da manovrare, sui perni intermedi tra organi calettati. Il sopporto risulta diviso in due parti in corrispondenza del piano diametrale orizzontale: la parte superiore (cappello) viene centrata sulla parte inferiore (base o corpo) mediante incastro longitudinale e bloccata con viti prigioniere e dadi.

Sopporto ad occhio in due pezzi

Supporti con cuscinetti oscillanti Vengono impiegati su alberi lunghi e soggetti a deformazioni. Il cuscinetto interno, liscio o volvente può seguire l’oscillazione del perno sull’albero su cui è montato essendo vincolato al sopporto mediante calotte o corone sferiche.

Sopporti con dispositivi di lubrificazione Sono indispensabili quando si è in presenza di attrito radente. L’unificazione prevede diversi tipi di lubrificatori

CUSCINETTI

Cuscinetti Cuscinetti sono quei componenti che vengono interposti tra albero e sopporto al fine di: favorire la rotazione regolare dell’albero nella sede; ridurre al minimo l’attrito tra corpo in movimento (albero) e corpo fermo (struttura rigida); sopportare le forze trasmesse dall’albero alla struttura di sostegno (sopporto). permettendone la rotazione col minimo attrito possibile. I cuscinetti, in base al loro modo di lavorare, possono essere classificati in: cuscinetti radenti (di strisciamento o bronzine); cuscinetti volventi (cuscinetti a rotolamento).

Cuscinetti radenti (di strisciamento o bronzine) Il cuscinetto radente detto anche di strisciamento o semplicemente bronzina, è un guscio cilindrico di forma differenziata che avvolge il perno dell’albero rotante ed è alloggiato in modo stabile nel sopporto. Costruito con materiale differente da quello dell’albero il cuscinetto consente la riduzione della forza di attrito

Accoppiamento cuscinetto - sopporto Il bloccaggio del cuscinetto sul supporto può essere ottenuto: Mediante accoppiamento con interferenza; Con una vite senza testa ed estremità a coppa (a) Con una vite senza testa ed estremità cilindrica (b) Con vite o spina assiale (c)

(a) (b) (c) Vite senza testa Vite senza testa Vite o spina assiale ed estremità a coppa ed estremità cilindrica

Le forme dei cuscinetti sono diverse. Nei sopporti con incastellatura in due pezzi, anche il cuscinetto è diviso in due metà.

Bronzine per biella

Accoppiamento perno - cuscinetto Particolare attenzione deve esserci nell'accoppiamento perno-cuscinetto per poter garantire una adeguate lubrificazione ottenuta introducendo del lubrificante tra il cuscinetto e il perno. Opportune scanalature ricavate nel cuscinetto facilitano tale operazione. Le scanalature possono essere longitudinali o incrociate (zampe di Ragno)

Materiali dei cuscinetti radenti I materiali impiegati devono avere le seguenti caratteristiche: Basso coefficiente di attrito Buona resistenza alla fatica Discreta malleabilità per adattarsi al perno in fase di montaggio Sufficiente durezza per sopportare la pressione specifica Struttura porosa per trattenere il lubrificante Buona resistenza alla corrosione (favorita dalla temperatura) Capacità di dispersione termica Silenziosità di funzionamento

Materiali più impiegati Bronzo è il materiale più usato (da cui il nome di bronzine) perché è in grado di sopportare carichi elevati in condizioni di scarsa lubrificazione. Leghe antifrizione: leghe a base di piombo-antimonio (metallo bianco), stagno -piombo - rame e rame-piombo (metallo rosa). Sono impiegate in condizioni particolarmente gravose (elevato numero di giri albero ed elevata pressione unitaria). Sono utilizzate come rivestimento interno di una boccola che fa da guscio di supporto (spessori sino a 1.5 mm per gusci in acciaio e sino a 3 mm per gusci in ghisa)

Sinterizzanti autolubrificanti: sono dette boccole sinterizzate Sinterizzanti autolubrificanti: sono dette boccole sinterizzate. Costituite da strutture microporose a base di ferro, rame e bronzo ottenute per sinterizzazione e impregnate di lubrificante (durante il funzionamento il calore della boccola provoca la graduale fuoriuscita dell’olio che viene riassorbito dalla boccola quando la temperatura diminuisce)

Sintetici: Sono costituiti da resine poliammidiche (Ertalon o Naylon) o da un tessuto di fibre sintetiche (Teflon, Algoflon) di piccolo spessore applicato con adesivo all’interno di un supporto rigido di acciaio, bronzo o resina fenolica

Cuscinetti volventi Il cuscinetto volvente, detto anche cuscinetto a rotolamento, è un elemento posizionato tra il perno di albero e il sopporto, nel quale il movimento relativo tra parte rotante e parte fissa viene facilitato dall'interposizione di elementi rotanti (sfere, rulli cilindrici, rulli conici o a botte). Rispetto ai cuscinetti radenti i cuscinetti volventi trasformano l'attrito radente in attrito volvente (rotolamento tra superfici), con il conseguimento di una serie di vantaggi.

Vantaggi dei cuscinetti volventi rispetto ai radenti Attrito mediamente dieci volte più piccolo (fv = 0,001±0,002); Limitato attrito di primo distacco; Minore riscaldamento del cuscinetto; Facile e rapida intercambiabilità; Ridotta usura durante il funzionamento; Minore esigenze di rugosità superficiale dei perni; Minore ingombro assiale.

Svantaggi dei cuscinetti volventi rispetto ai radenti Necessità di tolleranze dimensionali e geometriche più strette; Maggiori problemi di montaggio; Maggior costo.

Elementi principali di un cuscinetto volvente 1. anello interno 2. anello esterno 3. corpi volventi: sfere, rulli, rullini. 4. gabbia di posizionamento dei corpi volventi.

Classificazione dei cuscinetti I cuscinetti si possono classificare secondo diversi punti di vista: 1. cinematico 2. strutturale 3. dimensionale Dal punto di vista cinematico abbiamo: - cuscinetti per carichi radiali: adatti a sopportare carichi - cuscinetti per carichi assiali - cuscinetti per carichi misti

Dal punto di vista strutturale abbiamo: - cuscinetti rigidi - cuscinetti orientabili - cuscinetti a tenuta - cuscinetti con scanalatura (permette il bloccaggio del cuscinetto) - cuscinetti con diametro esterno conico

Dal punto di vista dimensionale abbiamo: - serie dimensionale (d) - serie diametrale (D) - serie delle larghezze (B) Per motivi di costo, qualità e intercambiabilità, il numero dei cuscinetti è limitato dall‘organizzazione internazionale per l'unificazione ISO, che ha stabilito i seguenti piani relativi alle dimensioni d'ingombro dei cuscinetti volventi: ISO 15 per cuscinetti radiali ISO 355 per cuscinetti a rulli conici; ISO 104 per cuscinetti assiali

Scelta del cuscinetto La scelta del cuscinetto durante la progettazione dipende da molti fattori e richiede molta esperienza: - spazio disponibile; - entità e direzione del carico; - allineamento delle sedi; - precisione del sistema rotante; - velocità di lavoro; - silenziosità; - spostamento assiale; - montaggio e smontaggio; - protezione e lubrificazione dei corpi rotolanti.

Lubrificazione dei cucinetti volventi La lubrificazione dei cuscinetti: - riduce l'attrito dei corpi in moto relativo; - protegge dall'ossidazione; - asporta il calore sviluppato; - funzionamento silenzioso; - minore vibrazione; - impedisce l'entrata di polvere dall'esterno; una opportuna lubrificazione garantisce il corretto funzionamento del cuscinetto, prolunga la sua durata riducendone l'usura e le possibilità di grippaggio

La scelta del lubrificante dipende dalle condizioni di lavoro del cuscinetto: - temperatura; - velocità; - facilità di accesso; - frequenza di manutenzione; - influenza dell'ambiente circostante.

La lubrificazione può essere: - a grasso (da preferire quando si ha difficoltà di tenuta di olio, e quando si vuole evitare il gocciolamento dell'olio sul prodotto lavorato -alimenti, tessuti-). - a olio (migliore di quella a grasso - da preferire in condizioni di scarsa accessibilità, quando si devono realizzare lubrificazioni forzate e/o centralizzate - facilità di controllo livello di lubrificante)

I sistemi di lubrificazione sono: - manuale (si introduce il lubrificante -olio o grasso- manualmente) - ad immersione (viene usata solo per la lubrificazione ad olio, il cuscinetto -ad asse orizzontale- risulta parzialmente immerso nell'olio – il livello non deve superare il diametro del corpo volvente più basso) - a circolazione forzata (da utilizzare nei sistemi dove risulta necessario asportare calore per evitare il surriscaldamento- serbatoio, pompa olio, e radiatore olio) - a getto d'olio (viene usata per cuscinetti ad alta velocità – si usa getto di olio – 15 m/s - in pressione verso il cuscinetto) - a tenuta stagna (realizzata con cuscinetti dotati di guarnizioni incorporate già muniti di grasso con un grado si riempimento appropriato alle dimensioni del cuscinetto, il cui effetto supera la durata del cuscinetto stesso)