SKF: design innovativo dei cuscinetti

”Approcci innovativi alla progettazione dei cuscinetti consentono di superare numerose sfide in ambito di packaging, assemblaggio, efficienza e prestazioni delle moderne trasmissioni del settore automobilistico”, spiega Sylvain Bussit, responsabile per lo sviluppo globale del business powertrain alla SKF.

I cuscinetti per le trasmissioni dei veicoli devono sopportare carichi pesanti, assicurare una durata di esercizio oltre 300.000 km, essere sufficientemente robusti da sopportare condizioni di funzionamento estreme e garantire una rigidezza tale da ridurre al minimo rumorosità, vibrazioni e ruvidezza (NVH). I produttori di trasmissioni sono anche alla ricerca di soluzioni compatte, a basso attrito per ridurre le emissioni di CO2, economiche e disponibili a livello globale. Questi requisiti stimolano nuovi approcci alla progettazione dei sistemi di cuscinetti.

I design tradizionali per le trasmissioni prevedono cuscinetti a rulli conici precaricati su ogni estremità dell'albero. Questa disposizione offre alta capacità di carico e rigidezza assiale, ma il precarico dei cuscinetti deve essere misurato e regolato durante il montaggio e risente degli effetti della dilatazione termica dei componenti durante il funzionamento.

Un'alternativa sempre più diffusa sono le disposizioni di cuscinetti per lato libero-di vincolo, in cui un cuscinetto radiale a sfere (DGBB), montato su un'estremità albero, sopporta alcuni carichi radiali e tutti quelli assiali, mentre un cuscinetto a rulli cilindrici sopporta i carichi radiali sull'altra estremità. Questo design non è sensibile alla dilatazione termica. Inoltre, consente di ridurre l'attrito, con conseguente riduzione delle emissioni di CO2 di 3 g al km, in un tipico cambio manuale a sei marce. Gli svantaggi sono costituiti dalla minore capacità di carico, rispetto ai DGBB, e dalla ridotta rigidezza assiale.

La rigidezza assiale si può aumentare modificando il metodo di montaggio dei cuscinetti nella trasmissione. Di norma, per fare ciò, si ricorre a una combinazione di anelli di ancoraggio e flange sull'anello esterno del cuscinetto. Questo approccio, però, presenta una serie di svantaggi. La tolleranza richiesta per semplificare il montaggio consente al cuscinetto di muoversi durante il funzionamento, con forze assiali che si spostano dalla flangia all'anello di ancoraggio nel passaggio da marcia a folle.

Tale movimento può ripercuotersi sull'efficienza del cambio marcia, ridurre la precisione di spostamento e generare NVH. Questo design può anche consentire la rotazione dell'anello esterno del cuscinetto nell'alloggiamento, soprattutto a causa della differenza tra i coefficienti di dilatazione termica, poiché gli alloggiamenti in alluminio si dilatano maggiormente dei cuscinetti in acciaio. L'approccio tradizionale crea problemi anche nella fase di assemblaggio, poiché il montaggio degli anelli di ancoraggio risulta difficoltoso e richiede molto tempo.

Un nuovo approccio, che consente di superare molte di queste problematiche, prevede l'impiego di un'unità di ritenzione per il cuscinetto. Queste unità, che di norma sono realizzate in acciaio, sono formate da una piastra che trattiene l'anello esterno del cuscinetto su un'estremità e comprendono una serie di fori filettati per il fissaggio all'alloggiamento della trasmissione. Durante il montaggio, i bulloni di fissaggio guidano il cuscinetto nella sua sede nell'alloggiamento. L'interferenza così ottenuta impedisce la rotazione dell'anello esterno del cuscinetto, mentre i carichi radiali vengono trasmessi direttamente dal cuscinetto all'alloggiamento.

L'accurata progettazione del materiale e della geometria dell'unità di ritenzione, combinata con un design adeguato del dispositivo di fissaggio, consentono di trattenere saldamente il cuscinetto nella sua sede e impediscono i movimenti determinati dai carichi assiali. In questo modo si ottiene un sistema di trasmissione più rigido, silenzioso, efficiente e duraturo.

Le unità di ritenzione dei cuscinetti offrono ulteriori vantaggi di serie. I cuscinetti vengono forniti pre-installati nelle unità di ritenzione, quindi un solo componente deve essere inserito sulle estremità albero e fissato nel modo consueto. Durante il montaggio, le piastre ruotano liberamente sui relativi cuscinetti e vengono posizionate utilizzando dispositivi di bloccaggio che ne stabilizzano l'orientamento reciproco, o rispetto a caratteristiche ottenute di fusione all'interno dell'alloggiamento della trasmissione. Alcune unità di ritenzione sono progettate per trattenere due cuscinetti, che vengono inseriti sugli alberi del cambio contemporaneamente, con le marce ingranate. Vincolando le unità di ritenzione in maniera precisa con uno di questi metodi, i dispositivi di fissaggio si possono installare ‘alla cieca’ dall'eterno dell'alloggiamento, una procedura semplice da automatizzare.

Le unità porta-cuscinetto costituiscono un ulteriore sviluppo dell'approccio che prevede l'impiego di unità di ritenzione. Con questo design, il cuscinetto è fissato all'interno di un supporto sulla piastra portante, che può essere un componente in lamiera o pressofuso, in base ai requisiti di carico. Non esiste un'interfaccia diretta tra cuscinetto e alloggiamento e tutti i carichi vengono trasmessi attraverso l'unità portante. Le unità portanti possono essere utilizzate per assicurare i cuscinetti di vincolo all'alloggiamento della trasmissione, o come supporti intermedi per alberi più lunghi. Queste unità offrono tutti i vantaggi delle unità di ritenzione dei cuscinetti in termini di montaggio e prestazioni e consentono anche di semplificare il design dell'alloggiamento e ottenere configurazioni più compatte delle trasmissioni.