Profilo INA ottimizzato perrotelle e perni folli

Ing. (FH) Heinz Schäfers

Stampato speciale INASettembre 1997

La nuova generazione di rotelle e perni folliIl profilo ottimizzato dell’anello esterno protegga la contropistaIng. (FH) Heinz Schäfers

Rotelle e perni folli sono componentistandard che con i loro anelli esterni aparete spessa permettono la trasmissionedi elevati carichi radiali alle contropiste,soprattutto camme oppure guide diritte.Spesso la superficie del mantello èprofilata, per ridurre la pressione hertzianaed evitare carichi di spigolo.Ricerche sulle cause di rottura di rotelle eperni folli (figura 1) mostrano che unabuona percentuale dei danneggiamenti èdovuta ad usura nel contatto tra mantelloe contropista; l’usura riduce la durata diutilizzo sia delle rotelle che di camme eguide.

I risultati di queste ricerche sono alla basedella “nuova generazione di rotelle e pernifolli” (1), figure 2 e 3. Il “profilo INA ottimizzato” è stato ottenutoa seguito di numerose simulazioni acomputer, con l’intento di minimizzarel’usura quale causa di rottura.Quali fattori causano l’usura e qualiprovvedimenti possono essere presi perevitarla o almeno per ritardarla?

1. Causa ed effettoUn’origine d’usura è il moto relativo tra lasuperficie del mantello e la contropista,causato soprattutto da accelerazioni edecelerazioni elevate.Queste variazioni improvvise di velocità siverificano nel moto alternativo di guidelineari nei punti di inversione, nel cambiodel senso di rotazione delle rotelle oppurein una guida a U nella quale, con ilcambio del lato di appoggio, la rotazionedella rotella viene modificata durante lacorsa.

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Figura 1 Rotelle e perni folli, cause di rottura

sovraccarico 6,0 %

contaminazione 6,0 %

affaticamentonel contatto volvente 10,0 %

usura anello esterno 26,0 %errore angolare 20,0 %

posizionamento, montaggio 16,0 %

lubrificazione 16,0 %

Negli azionamenti a camme, bruschevariazioni di traiettoria ed elevate inerziepossono generare variazioni di velocità edi carico. Questo slittamento è riconosci-bile dalla superficie rugosa del mantellodell’anello esterno o della contropista,che appare come sabbiata.Un miglioramento è ottenibile applicandoalla rotella un carico minimo sufficienteoppure cambiando la direzione di rotazionequando la rotella è in stato di quiete.Spesso può essere d’aiuto lubrificare lazona di contatto con del grasso o con unfeltro impregnato d’olio. In questo casotuttavia può verificarsi un “effettoacchiappamosche”, perciò le impurità siraccolgono nella zona di contatto equesto può contribuire al danneggiamentodella guida. Inoltre in parecchie applica-zioni, per esempio nel settore dellatecnica della carta, della stampa edell’imballaggio, e dal punto di vistaambientale, è assolutamente vietatol’impiego di qualsiasi tipo di lubrificanteesterno alla rotella.

2. Ridurre la pressione hertziana + evitare gli errori angolari = minimizzare l’usura

La scelta ed il mantenimento del giustocarico è un fattore importante per minimiz-zare l’usura. Da un lato, per evitare ilmoto relativo, è necessario un caricominimo sufficiente, dall’altro il caricoammissibile dipende dalla forma e dalmateriale della contropista. Questi fattorisono presi in considerazione tramite lapressione hertziana pH.Sulla base di estese ricerche esistono,per diversi materiali per contropista, valoridi pressione hertziana ammissibile [2], [3].Più basso è il valore massimo dellapressione hertziana, minore è l’usura checi si può attendere.

Il valore massimo della pressione hertzianae quindi l’usura, sono influenzati daglierrori angolari, figura 4, di intraversamen-to α e di ribaltamento β.Il danno causato da un angolo di intraver-samento α troppo grande è riconoscibileattraverso il profilo cilindrico determinatodall’usura dell’anello esterno e dalla luci-datura. Un angolo di ribaltamento β troppogrande è riconoscibile tramite le tracce di rotolamento spostate rispetto all’anelloesterno.In presenza di errori angolari trascurabili edi un carico sufficiente (normalmente siparte da un carico minimo di C0w/P < 60[3]), anche senza lubrificazione l’usura èminima e gli elementi a contatto hannouna colorazione grigia opaca.

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Figura 3 La nuova generazione di perni folli NUKRFigura 2 La nuova generazione di rotelle PWTR

set di corpi volventi guidato sui bordi

tenuta strisciante ad entrambi i lati

grande riservadi grasso

Figura 4 Angolo di intraversamento α e angolo di ribaltamento β

y x

zxz

y

esagono incassatoad entrambi i lati

3.La forma del profilo influisce sulla pressione hertziana

La forma del profilo dell’anello esterno haun effetto importante sul valore dellamassima pressione hertziana e sulcomportamento della rotella in presenzadi errori angolari.

3.1 Profilo cilindricoIl profilo cilindrico dell’anello esterno, nelcaso di una corsa non intraversata esenza ribaltamenti, ha una pressionehertziana minima. Gli effetti di sovraccari-co sugli spigoli, che vengono spessodimenticati, possono essere tralasciatisolamente in questo caso teorico (figura 5).Angoli di ribaltamento anche minimi,causati da imprecisioni di produzione o da deformazioni derivanti dal caricoradiale, portano, nel caso di anelli esterni

cilindrici non profilati, a sovraccarichiestremamente elevati (figura 6). Il dan-neggiamento della zona di contatto e dellepiste di rotolamento dei corpi volventi nesono la conseguenza.

3.2 Profilo R 500I mantelli esterni profilati sono menosensibili alla corsa obliqua (5).Il profilo finora adottato con un raggio di500 mm (R 500) mostra, nel caso diangoli di ribaltamento normali, un valorecostante della massima pressionehertziana (figura 6). Con un angolo diribaltamento a partire da 0,7 mrad circa,questo valore è inferiore rispetto all’anelloesterno cilindrico.Tutti questi valori sono tuttavia ad unlivello relativamente alto. Un’ulterioreriduzione di questo livello, sia in presenza

di una corsa obliqua (b >0) che in pre-senza di una corsa perpendicolare allapista (b = 0), si è resa necessaria perraggiungere l’obiettivo di riduzionedell’usura.

3.3 Profilo INA ottimizzatoIl nuovo “profilo INA ottimizzato”, unprodotto della ricerca con l’ausilio delcalcolatore di una pressione hertzianaridotta, ci porta decisamente più vicino aquesto obiettivo. In tutti i casi esaminati ivalori di pressione hertziana massimasono più bassi (figura 5 e 6), ed anchecon un angolo di ribaltamento b crescentenon aumentano in modo considerevole. Il processo di ottimizzazione ha deter-minato un raggio di base maggiore, cheriduce il valore della massima pressionehertziana, ed un andamento del profiloche limita gli effetti di spigolo in caso diribaltamento.

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Figura 7 Durata nominale della contropista sull’esempio della rotellaNUTR 15 con contropista 42CrMo4V e durezza 350 HV

Figura 6 Pressione hertziana massima sull’esempio del perno folle NUKR 80 con carico radiale Fr = 13.800 N, corrispondente a Cw/P = 5

carico radiale [kN]

9

8

7

6

5

4

3

2

1

020181614121086420

durata Lh [milioni di rotazioni]

profilo INA ottimizzato

anello esternobombato R = 500

1.500

1.000

50032,521,510,50

pressione Hertziana massima [N/mm ]2

profilo cilindrico

profilo R = 500

profilo INA ottimizzato

angolo di ribaltamento β [mrad]

Figura 5 Effetto della forma di profilo sulla pressione hertziana. Profilo INA dell’anello esterno ottimizzato rispetto al profilo tradizionale.

Profilo cilindrico Profilo R = 500 mm Profilo INA ottimizzato

Corsa dirittaβ = 0 mradCW/P = 5

Corsa inclinataβ = 3 mradCW/P = 5

4. Quali vantaggi offre il profiloINA ottimizzato?

4.1 DurataIn condizioni di contatto ottimali, la duratadella contropista può essere calcolatacome per un cuscinetto volvente. Tuttaviaquesto calcolo presuppone condizioni dilubrificazione EHD ed una contropistacon caratteristiche di acciaio per cuscinettivolventi.Dato che queste condizioni in massimaparte non possono essere soddisfatte, si prescinde in genere anche da uncalcolo della durata. Se tuttavia si eseguequesto calcolo, con il “profilo INAottimizzato” si ottiene, rispetto al profilo R = 500 mm, una durata maggiore dellacontropista (figura 7).

4.2 Ritardare l’usura significaprolungare la durata

La durata di utilizzo dipende dall’usuradell’anello esterno e della contropista. I criteri di rottura variano in funzionedell’applicazione; se per alcuneapplicazioni sono tollerabili manifestazionidi usura senza perdita di funzionalità, in altri casi valgono criteri più severi. In generale più tardi compare l’usura, più lunga è la durata di utilizzo. Purtroppol’usura non è inquadrabile all’interno dialcun modello matematico come risultadalle prove citate ai punti [4] e [5]; nelle figure 8 e 9 viene confrontata l’usuradella contropista di diversi materiali conprofili degli anelli esterni con R 500 e“profilo INA ottimizzato”.Nella figura 8 è rappresentata la quantitàmedia di usura in g di una contropista inGGG-50 dopo 360.000 rotazioni.La figura 9 mostra l’usura media di unacontropista in 58 CrV4 dopo 8.000.000di rotazioni.

Indice bibliografico[1] Bode, H.:

Nuova generazione di rulli di appog-gio e perni folli, Der Konstrukteur, fascicolo speciale ASB, Aprile 1997

[2] Catalogo INA 307, Cuscinetti a rullini,Cuscinetti a rulli cilindrici, 1997

[3] Stampato INA LFR, Rotelle,Herzogenaurach, Marzo 1995

[4] Welter, R. e Miko, J.:“Rotelle con caratteristiche funzionalie di durata ottimizzate”, Konstruk-tionspraxis, fascicolo 3 e 4, Marzo / Aprile 1995

[5] Rapporto di prova INA VA 67802 –Usura della contropista di rotelle eperni folli, Herzogenaurach 1997

Note sull’autore:l’Ing. (FH) Heinz Schäfers è Productmana-ger per rotelle e perni folli nella branche dimacchine di produzione e sistemi pressola INA Wälzlager Schaeffler oHG diHerzogenaurach

5

Figura 9 Usura della contropista in 58 CrV4. I risultati sono valori medi derivanti da diverse corse di provacon 8.000.000 di rotazioni in assenza di ribaltamento.

Figura 8 Usura della contropista in GGG-50. I risultati sono valori medi derivanti da diverse corse di provacon 360.000 rotazioni in assenza di ribaltamento.

0,020

0,015

0,010

0,005

0

Usura [g] dopo 8.000.000 di rotazioni

anello esterno con R = 500

profilo INA ottimizzato

carico basso elevato

0,3

0,2

0,1

0

Usura [g] dopo 360.000 rotazioni

anello esterno con R = 500

profilo INA ottimizzato

carico basso elevato

0,070,060,050,040,030,020,01

020181614121086420

deformazione elastica radiale [mm]

anello esterno bombatoR = 500

profilo INAottimizzato

carico radiale [kN]

Figura 10 Deformazione elastica radialedell’anello esterno e dei corpi volventi per un NUTR 15

Il “profilo INA ottimizzato” mostra in tutti i casi, sia con carico minore (circa 1000 N/mm2 di pressione hertziana conR 500), sia con carico maggiore (circa 1500 N/mm2 pH, R 500), un’usura di gran lunga minore rispetto al normale profilo R 500.Le aspettative riposte nel “profilo INAottimizzato” derivato dal calcolo vengonoampiamente soddisfatte da questi risultatisperimentali. Anche in presenza di unacorsa obliqua i vantaggi del “profilo INAottimizzato” sono evidenti: il valore ridottodella massima pressione hertziana e ladurata di utilizzo di rotella e contropistasensibilmente prolungate.

4.3 RigidezzaSi ottiene inoltre un ulteriore vantaggio dal“profilo INA ottimizzato”: un aumento dirigidezza, rispetto a R 500, del 10% circa(figura 10).

Sac

h-N

r. 0

05-8

67-9

16/O

PS

I-I 0

7981

.5

·S

tam

pato

in G

erm

ania

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