Qual è la coppia di un cuscinetto volvente? Attrito, formule e guida alla selezione

Quando la struttura superiore di una gru esita durante la prima oscillazione di una fredda mattina, il problema raramente è solo il motore. Molto più spesso nessuno ha dimensionato l'azionamento in base alla coppia nascosta all'interno del cuscinetto stesso. La coppia di una ralla non è un valore fisso stampato accanto ai coefficienti di carico su una scheda tecnica. È la resistenza che il cuscinetto crea contro la rotazione: l'attrito degli elementi volventi che trasportano il carico, dei labbri di tenuta che corrono lungo l'anello e dei denti degli ingranaggi su cui è montato un ingranaggio integrale. La risposta breve è questa: la coppia di una ralla è un carico di attrito variabile, generalmente da 1,5 a 2 volte superiore allo spunto che durante il funzionamento a regime, e appartiene al centro del dimensionamento della trasmissione, non ai margini.

Tre diverse "coppie" si confondono nelle applicazioni di rotazione

Prima di calcolare qualsiasi cosa, separa le tre quantità che gli ingegneri chiamano casualmente "coppia di rotazione", perché il valore di una di esse non dice quasi nulla sulle altre.

• Coppia di attrito del cuscinetto — la resistenza generata all'interno del cuscinetto stesso dagli elementi volventi, dalle tenute e dagli ingranaggi. Questo è ciò che solitamente significa il termine.
• Coppia motrice richiesta — tutto ciò che il motore o il pignone deve fornire: attrito del cuscinetto più inerzia durante l'accelerazione più resistenza di lavoro come carico del vento o reazione di scavo.
• Coppia di mantenimento o frenatura — la coppia statica a cui un azionamento può resistere senza danni. Questa è una specifica di azionamento, non di cuscinetto.

La scheda tecnica di un cuscinetto orientabile raramente cita un singolo numero di coppia di attrito e tale omissione è intenzionale. L'attrito dipende dal carico assiale, dal carico radiale e dal momento ribaltante effettivamente applicati, dalla classe di gioco o precarico ordinata, dalla viscosità del lubrificante e dalla temperatura. Due anelli identici possono differire di un fattore tre nella resistenza misurata a seconda del servizio, quindi trattarlo come una costante è il punto in cui iniziano la maggior parte degli errori di selezione.

I tre componenti della coppia di attrito di un cuscinetto volvente

I produttori modellano la coppia di attrito totale come la somma di tre parti: M = Mf La signora Mg. Ognuno si comporta in modo diverso nel servizio, motivo per cui la divisione è importante.

Coppia di attrito di carico (Mf)

La resistenza al rotolamento viene generata nel punto in cui sfere o rulli incontrano le piste sotto il carico assiale applicato, il carico radiale e il momento di ribaltamento. Cresce con il carico, quindi in modo ripido sotto carichi di momento elevati che premono con forza un lato della pista in contatto. I design delle sfere mostrano un contatto puntuale e una resistenza generalmente inferiore; i design dei rulli trasportano un carico maggiore per dimensione al prezzo di un attrito maggiore quando sono a pieno carico.

Coppia di attrito della guarnizione (Ms)

I labbri di tenuta che scorrono sulla superficie dell'anello producono una resistenza quasi indipendente dal carico. Su un cuscinetto piccolo o leggermente caricato, le guarnizioni possono rappresentare la maggior parte dell'attrito totale e ogni labbro aggiuntivo si aggiunge ad esso. Due cuscinetti con involucri identici ma disposizioni di tenuta diverse possono quindi richiedere azionamenti notevolmente diversi.

Attrito della rete degli ingranaggi (Mg)

Gli anelli dentati aggiungono attrito all'interfaccia del pignone e dell'anello, influenzato dal grado di qualità dell'ingranaggio, dal modulo, dalla lubrificazione e dall'allineamento della maglia. Sulle unità con ingranaggi esterni, un pignone disallineato si manifesta sia come coppia elevata che come usura localizzata dei denti.

Poiché questi componenti si adattano in modo diverso in base alle dimensioni e al servizio, la scelta della struttura determina il budget di coppia. Nelle apparecchiature leggere e medie come gli inseguitori solari, i piccoli posizionatori e le macchine alimentari, a cuscinetto orientabile a una corona di sfere mantiene l'attrito di rotolamento e di tenuta sufficientemente basso da consentire la sopravvivenza di azionamenti compatti e a bassa potenza.

Cuscinetto orientabile a sfera singola per rotazione leggera Con una fila di sfere in acciaio temprato, questo cuscinetto mantiene basso l'attrito di rotolamento e di tenuta, garantendo la sostenibilità degli azionamenti compatti negli inseguitori solari, nei piccoli posizionatori e nelle macchine alimentari. Le piste trattate termicamente, le opzioni di tenuta e la facilità di installazione supportano un servizio lungo e stabile. Visualizza il prodotto →

Come calcolare la coppia del cuscinetto girevole

I progetti seri funzionano sui numeri da entrambe le direzioni.

Dalla potenza disponibile

La formula pratica lato comando è M = P / ω, dove P è la potenza erogata all'anello e ω è la velocità angolare in radianti al secondo. Una piattaforma che ruota a 1 giri al minuto gira a ω = 2π/60 ≈ 0,105 rad/s. Se 1,5 kW raggiungono l'anello a quella velocità, la coppia disponibile è di circa 1.500 / 0,105 ≈ 14.300 N·m, circa 14 kNm. Eseguire il calcolo al contrario per verificare se il motore e il riduttore proposti possono effettivamente fornire ciò che l'applicazione richiede alle reali velocità di rotazione.

Dall'attrito

Una stima di primo passaggio moltiplica il carico di contatto equivalente per il raggio della pista e un coefficiente di attrito combinato: M ≈ µ × F × d/2. Valori di funzionamento di µ compresi tra circa 0,005 e 0,015 coprono il contatto volvente più le guarnizioni, con il limite inferiore per design a sfere leggermente precaricate in condizioni calde e ben lubrificate e il limite superiore per unità fortemente caricate o funzionanti a freddo. Le formule del produttore li perfezionano in polinomi che pesano separatamente i termini assiale, radiale e momento, quindi usali per il controllo finale piuttosto che per la stima.

Aggiunta del resto del dovere

La domanda totale è M_guida = M_attrito M_inerzia M_lavoro. La coppia di inerzia domina sui sistemi di automazione e tracciamento a indicizzazione rapida; la resistenza al lavoro domina su escavatori e gru. Laddove una trasmissione a vite senza fine sostituisce un pignone aperto, il rapporto racchiuso converte la modesta coppia del motore nella grande coppia di uscita necessaria all'anello e come il rapporto di trasmissione modella la coppia e la velocità di uscita merita una fase di verifica propria prima di bloccare la dimensione del motore.

Coppia iniziale e coppia operativa

La coppia di spunto misurata su un cuscinetto orientabile è tipicamente da 1,5 a 2 volte il suo valore di funzionamento costante e il divario si allarga quando fa freddo. Tre effetti lo causano: l'attrito statico sotto carico è maggiore dell'attrito in movimento, il grasso si irrigidisce finché gli elementi volventi non attraversano una pellicola più spessa per i primi giri e i labbri delle guarnizioni fanno presa più forte prima di riscaldarsi e conformarsi. Per la selezione della trasmissione ciò significa che le impostazioni del motore, della scatola del cambio e della valvola di sicurezza devono superare il picco di spunto, non la media operativa, un controllo che conta di più per le attrezzature che si avviano a pieno carico, come le strutture superiori degli escavatori e i portasiviere.

Cosa spinge la coppia del cuscinetto girevole verso l'alto o verso il basso

• Classe di gioco o precarico: gli anelli precaricati sono più rigidi e resistono maggiormente alla rotazione; acquistano la precisione a scapito della coppia.
• Entità del carico e momento di ribaltamento: carichi più pesanti e decentrati aumentano la pressione di contatto e l'attrito della pista.
• Temperatura e lubrificante: il grasso a bassa temperatura o ad alta viscosità aumenta sia la coppia di avviamento che quella di funzionamento.
• Progettazione della guarnizione: labbra extra e un contatto più stretto aggiungono una resistenza costante.
• Precisione di montaggio: una superficie di montaggio non piana o un serraggio non uniforme dei bulloni distorcono gli anelli e caricano la pista in modo non uniforme.
• Allineamento dell'ingranaggio degli ingranaggi: un pignone disallineato aumenta l'attrito dell'ingranaggio e accelera l'usura.

Il carattere del caricamento conta tanto quanto la dimensione del caricamento. I cicli di lavoro che oscillano o si invertono mantengono la zona di contatto in movimento attorno alla pista, quindi la resistenza cambia durante il ciclo; vale la pena recensirlo come i design a sfera a fila singola gestiscono i carichi fluttuanti prima di finalizzare un profilo di servizio.

All’estremità della scala – gru portuali, macchine per tunnel, grandi escavatori – un maggiore attrito è accettato come prezzo della capacità, che è dove un Cuscinetto orientabile a rulli a tre file serie 13 guadagna il suo posto: le piste separate sopportano carichi assiali, radiali e momenti in modo indipendente, quindi nessuna singola fila è compromessa.

Cuscinetti orientabili a tre corone di rulli serie 13 per carichi pesanti Le piste separate sopportano carichi assiali, radiali e momenti in modo indipendente, rendendo questo cuscinetto della serie 13 adatto a gru portuali, macchine per gallerie e grandi escavatori dove la capacità supera l'attrito aggiunto. La struttura in acciaio legato e la manutenzione semplificata supportano cicli di lavoro impegnativi. Visualizza il prodotto →

Cosa verificare con il fornitore prima di ordinare

1. Dati sulla coppia di attrito ai tuoi carichi: valori di avviamento e di funzionamento, non una cifra combinata.
2. Condizioni di prova: carico, velocità e temperatura alla quale sono stati misurati tali valori.
3. Classe di gioco o precarico e cosa fa alla resistenza prevista.
4. Specifiche di guarnizioni e grasso: numero di labbra, tipo di grasso e livello di riempimento e comportamento ai climi freddi.
5. Qualità e gioco degli ingranaggi - per gli anelli dentati, poiché la qualità della maglia alimenta direttamente il Mg.
6. Criteri di accettazione: limite di coppia di rotazione misurato durante il test di rotazione prima della spedizione.

Quando l'attrito e la coppia di lavoro diventano troppo grandi per ciò che una disposizione di pignone e riduttore gestisce economicamente, molti acquirenti passano a unità integrate; un azionamento di rotazione orizzontale confeziona il cuscinetto, gli ingranaggi chiusi e l'alloggiamento di montaggio come un unico assieme, in modo che la catena di coppia sia progettata come un sistema anziché assemblata da parti.

Azionamento di rotazione orizzontale con funzione autobloccante Questa unità integrata racchiude cuscinetto, ingranaggi chiusi e alloggiamento di montaggio come un unico gruppo accoppiato, quindi la catena di coppia è progettata come un sistema. L'autobloccaggio mantiene la posizione sotto carico senza alimentazione, utile quando l'attrito e la coppia di lavoro superano le disposizioni di perno e riduttore. Visualizza il prodotto →

La coppia di una ralla è meglio trattata come una proprietà del sistema, non come una costante di catalogo. È la somma del carico, della tenuta e dell'attrito dell'ingranaggio; ha un picco all'avvio; e si muove con precarico, temperatura, lubrificazione e qualità di montaggio. Condividi tempestivamente i tuoi casi di carico reali (assiale, radiale, momento, velocità e intervallo di temperatura) con il produttore di cuscinetti e chiedi i dati sulla coppia di avvio e di funzionamento rispetto a tali carichi. Questo singolo passaggio impedisce la modalità di guasto più costosa nelle applicazioni di rotazione: una macchina che gira, ma mai così facilmente come promesso dal disegno.