A cosa servono i cuscinetti a sfera?

A volte i dispositivi più utili in fisica e ingegneria sono i più semplici. I cuscinetti a sfera mostrano come gli anelli di metallo possano essere estremamente versatili. Come puoi vedere in tanti oggetti comuni come veicoli, biciclette, skateboard e altre macchine che coinvolgono parti metalliche mobili, gli esseri umani hanno usato il potere dei cuscinetti a sfera per secoli.

Immagina di scivolare su un morbido tappeto mentre indossi le scarpe. Può essere difficile a causa dell'attrito tra il tappeto e le tue scarpe, che potrebbero essere fatte di qualsiasi cosa, inclusi pelle, plastica, legno o gomma. Se invece indossassi i calzini, sarebbe molto più facile a causa dell'attrito molto minore tra il morbido tappeto e i materiali dei calzini. I cuscinetti a sfera funzionano allo stesso modo.

I cuscinetti a sfera riducono la quantità di attrito tra i carichi sottoposti a loro. Lo fanno perché sono sfere o rulli di metallo che si muovono su una superficie metallica liscia in un anello interno e un anello esterno (a volte indicato come anelli). Puoi conoscere le numerose applicazioni dei cuscinetti a sfera attraverso la loro fisica. I cuscinetti a sfere trasportano tipi di carico in direzione radiale e questi carichi applicano una forza perpendicolare all'asse di rotazione del cuscinetto a sfere.

Lo scorrimento delle sfere metalliche attorno agli anelli del cuscinetto a sfere crea attrito tra un oggetto e la sua superficie che rallenta l'oggetto. In alcuni casi l'oggetto si avvicina a una fermata. Questo meccanismo consente ai cuscinetti a sfera di essere utilizzati in sistemi di pulegge o sistemi di rotazione che devono essere controllati. Ad esempio, la ruota mozzo di un'auto utilizza un carico radiale dal peso dell'auto e la spinta dall'andare in curva.

In tutti i casi di cuscinetti a sfere, l'equilibrio tra spinta e carico radiale fa sì che i cuscinetti a sfere riducano l'attrito tra le sfere nell'anello interno ed esterno e gestiscano il carico dell'oggetto. I cuscinetti a sfera prendono il carico e lo trasferiscono dall'anello esterno all'anello interno per consentire alle sfere al centro di ciascun anello di ruotare con facilità.

Ogni sfera è collegata ai due anelli, ma solo dove necessario per ridurre l'attrito tra i componenti del cuscinetto a sfere stesso. Per questi motivi, i cuscinetti a sfera sono creati per ridurre l'attrito e facilitare la velocità di rotazione.

I tipi di cuscinetti a sfera differiscono notevolmente dal loro meccanismo coinvolto. Il tipo più diffuso è il rigido a fila singola, oppure cuscinetto a sfere radiale. Questo design fa sì che le sfere scorrano in piste scanalate profonde e la disposizione dei cuscinetti a sfere scanalate profonde consente loro di sopportare carichi sia radiali che assiali. Le versioni sigillate dei cuscinetti a sfera sono lubrificate in modo permanente per ridurne la manutenzione.

Cuscinetti a due corone di sfere usa due file di palline. Il design conferisce maggiore rigidità al movimento del cuscinetto stesso. Si trovano nei motori elettrici, nelle pompe centrifughe e nelle frizioni elettromagnetiche. Alcuni cuscinetti a sfere si allineano in modo tale da consentire all'albero di tenere conto di qualsiasi disallineamento ad angolo rispetto all'alloggiamento del cuscinetto a sfere.

Il tipo a contatto angolare del cuscinetto a sfere ha un lato dell'anello esterno tagliato per consentire l'inserimento di più sfere. Questi cuscinetti possono quindi sostenere elevate quantità di carichi assiali in una direzione e utilizzare più sfere nei cuscinetti stessi. Ciò significa che gli ingegneri li usano in coppia in entrambe le direzioni per trasportare carichi pesanti, in una configurazione che li rende cuscinetti a sfere a due corone di sfere a contatto obliquo. Questi tipi di cuscinetti a sfera variano anche in base al loro materiale.

I cuscinetti a sfera variano nel materiale con cuscinetti a sfera in acciaio, ceramica o plastica per usi diversi. Questi tipi di cuscinetti a sfera si differenziano per la velocità di funzionamento, le temperature che possono raggiungere e altre proprietà relative all'uso dei cuscinetti a sfera. Comprendere i lati positivi e negativi di ogni tipo di materiale ti consentirà di prendere una decisione più saggia se hai bisogno di cuscinetti a sfera.

I cuscinetti a sfera in acciaio utilizzano componenti interamente realizzati in acciaio o leghe di acciaio con tracce di altri elementi nella composizione. Sono i candidati ideali per la movimentazione di carichi di peso molto elevato e per ottenere grandi velocità di rotazione durante la rotazione.

Questi tipi di cuscinetti a sfera possono darti misurazioni molto precise perché sono fabbricati con alti livelli di precisione. Le loro proprietà consentono ai cuscinetti a sfera in acciaio al carbonio di essere utilizzati in serrature, biciclette, pattini a rotelle, carrelli e macchine trasportatrici, tra gli altri.

Il materiale del cuscinetto a sfere in acciaio può, purtroppo, causare corrosione in presenza di acqua o gas che modificano la composizione chimica dell'acciaio stesso. Questi tipi di cuscinetti a sfera possono anche essere molto pesanti e rumorosi quando vengono utilizzati nella produzione e in altri ambienti.

I cuscinetti a sfera in acciaio possono essere molto costosi e gli ingegneri devono anche lubrificare costantemente i metalli in acciaio per farli funzionare in modo efficiente. Se non vengono sottoposti a una corretta manutenzione, possono causare guasti ai cuscinetti e non raggiungere la fine della loro durata prevista.

I produttori creano e vendono cuscinetti a sfera in acciaio in diversi stili. È possibile acquistare sfere di acciaio con maggiori quantità di carbonio che sono state esposte a trattamenti termici o sono state indurite con altri metodi. Le variazioni nel contenuto di carbonio tra i cuscinetti a sfera in acciaio influiscono sulle loro proprietà. Gli acciai a basso tenore di carbonio si trovano in applicazioni che devono essere resistenti alla corrosione, ma non necessariamente hanno una superficie indurita.

Sebbene il materiale in acciaio a basso tenore di carbonio possa essere utilizzato nell'albero lineare di un cuscinetto a sfere, non sono ideali per il contatto tra le sfere stesse. Sono generalmente utilizzati con un polimero per prevenire danni in questi casi. I cuscinetti a sfera in acciaio con moderate quantità di carbonio sono robusti, resistenti all'acqua e resistenti e queste caratteristiche li rendono adatti per ingranaggi, assali, prigionieri e altri componenti della macchina. Gli acciai ad alto tenore di carbonio sono i più resistenti e duri mentre resistono alla corrosione.

I cuscinetti a sfere in ceramica sono generalmente creati come "ibridi" che utilizzano l'anello esterno, l'anello interno e la gabbia costruiti in acciaio con le sfere stesse in ceramica. Le proprietà della ceramica consentono loro di operare a rotazioni veloci al minuto mantenendo la temperatura di esercizio fresca e limitando la quantità di rumore che creano.

Questi modelli ibridi ceramica-acciaio sono danneggiati dalla corrosione, ma le stesse sfere di ceramica sono meno inclini alla corrosione rispetto ai materiali in acciaio e sono più resistenti e più leggeri della sfera d'acciaio cuscinetti.

Questi tipi di cuscinetti a sfera possono essere utilizzati in applicazioni elettriche in cui i cuscinetti a sfera in acciaio non possono farlo perché i cuscinetti a sfere in ceramica non sono conduttivi, ma sono anche molto costosi. I cuscinetti a sfera in ceramica possono resistere alle alte temperature, consentendo loro di funzionare a velocità più elevate. I prezzi per alcuni di questi cuscinetti a sfera possono essere generalmente costosi, ma puoi trovarne anche versioni economiche.

Il materiale ceramico di questi cuscinetti a sfera conferisce loro pesi inferiori al 40% rispetto a quelli dei cuscinetti a sfere in acciaio. Gli ingegneri in genere li producono utilizzando nitruro di silicio ceramico per causare queste proprietà chimiche e fisiche. Sono utilizzati in cuscinetti angolari, cuscinetti assiali, cuscinetti a cuscinetto, cuscinetti ad aghi e cuscinetti a rulli. I materiali ceramici possono essere più resistenti dell'acciaio, ma sono generalmente più rigidi come materiali per cuscinetti a sfera.

La lucidatura delle sfere in acciaio ceramico utilizza un campo magnetico con un flusso di plasma. Questo metodo di produzione offre loro velocità di rotazione più elevate rispetto ai cuscinetti a sfera in acciaio. Sono elettricamente isolanti, il che significa che non conducono elettricità, quindi non si guastano se la corrente viene fatto passare attraverso di essi e possono funzionare senza essere lubrificati come devono fare i cuscinetti a sfera in acciaio steel essere.

Le recenti innovazioni hanno prodotto cuscinetti a sfera in plastica che utilizzano anelli di plastica e una gabbia di plastica e possono essere acquistati sotto forma di sfere in plastica, vetro o acciaio inossidabile. Il materiale sfera più comune con questo tipo di cuscinetto a sfere è la sfera in acciaio inossidabile. Sono l'opzione più economica, ma sono anche più pesanti dei tipi di plastica o di vetro. Possono anche diventare magnetici facilmente, il che può disturbare il movimento e la fisica dei materiali vicini.

I cuscinetti a sfera in plastica con sfere di vetro sono un'ottima scelta quando non puoi usare il metallo. Hanno un'elevata resistenza chimica e hanno pesi inferiori rispetto alle sfere d'acciaio. Le sfere di plastica per i cuscinetti a sfera in plastica pesano ancora meno e offrono resistenza all'usura poiché vengono utilizzate nel tempo. La maggior parte dei cuscinetti a sfera in plastica sono autolubrificanti, leggeri e resistenti alla corrosione pur funzionando silenziosamente.

Questi tipi di cuscinetti a sfera sfortunatamente non resistono alle alte temperature così come gli altri cuscinetti a sfere e non possono sopportare carichi così elevati come a volte.