Carichi radiali e assiali: qual è la differenza?

Che cos’è un carico radiale?

Un carico radiale è una forza che agisce ad angolo retto rispetto all’asse dell’albero, lungo un raggio. La gravità su un albero orizzontale è l’esempio più semplice: l’albero preme verso il basso sul fondo del foro del cuscinetto. La tensione di una cinghia, il tiro di una catena, la forza di separazione tra ingranaggi cilindrici, le forze di squilibrio e la reazione su un perno di articolazione sono tutti carichi radiali.

In un cuscinetto a strisciamento il carico radiale è sopportato dalla superficie cilindrica di scorrimento. L’albero non tocca tutto il foro: appoggia su un arco caricato che, ai fini del calcolo, viene trattato come l’area proiettata diametro del foro × lunghezza. Per questo il carico specifico su una boccola cilindrica si scrive p = F / (d × L): la stessa forza su una boccola più lunga o di foro maggiore produce una pressione minore.

Che cos’è un carico assiale?

Un carico assiale, detto anche spinta, agisce parallelamente all’asse dell’albero. Cerca di spingere l’albero attraverso il cuscinetto anziché contro di esso. Le fonti comprendono la reazione della girante di una pompa o di un’elica, la componente di spinta degli ingranaggi elicoidali o a vite senza fine, la forza di serraggio lungo una vite o un mandrino e il peso di un albero verticale.

Un foro cilindrico non può sopportare un carico assiale: l’albero vi scorrerebbe semplicemente attraverso. La spinta è sopportata da una superficie piana perpendicolare all’asse: una ralla reggispinta tra lo spallamento dell’albero e la sede, la flangia di una boccola flangiata oppure la faccia terminale di una boccola con uno spallamento sull’albero. Il carico specifico è la forza divisa per l’area della superficie di appoggio, p = F / A, dove A è l’area anulare della ralla o della flangia al netto delle cave.

Esempi di carichi radiali e assiali

La stessa macchina di solito li contiene entrambi. Il perno del braccio di un escavatore sopporta radialmente il peso del braccio e la reazione di scavo, mentre i carichi laterali sulla benna producono una spinta assiale sulle estremità del perno. L’albero di una pompa centrifuga riceve un carico radiale dallo squilibrio idraulico della girante e un carico assiale dalla differenza di pressione ai suoi lati. Il mozzo ruota di un veicolo sopporta radialmente il peso del veicolo e assialmente la forza in curva.

Carichi combinati e come vengono sopportati

La maggior parte degli snodi riceve entrambi i carichi contemporaneamente. Tre soluzioni li sopportano. Una boccola cilindrica con una ralla separata tiene ogni carico sulla propria superficie e permette di dimensionare e sostituire ciascuna in modo indipendente: è la scelta abituale nelle macchine pesanti. Una boccola flangiata riunisce le due funzioni in un solo pezzo: la parte cilindrica sopporta il carico radiale e la flangia un carico assiale da leggero a moderato, posizionando al tempo stesso la boccola nella sede. Una coppia di boccole con spallamenti sull’albero è la terza soluzione, diffusa nei piccoli meccanismi.

La flangia di una boccola flangiata non è un vero cuscinetto reggispinta. È sottile, di solito non è lubrificata sulla faccia posteriore e ha un’area ridotta, quindi è adatta a carichi di posizionamento e spinte occasionali, non a un carico assiale continuo. Quando la componente assiale è significativa, specificate una ralla reggispinta.

Cosa fa ogni carico al cuscinetto

Il carico radiale determina la pressione sulla parete lungo l’arco caricato, il film idrodinamico in un cuscinetto lubrificato a olio e, attraverso il gioco di funzionamento, quanto l’albero si sposta dal centro. Un carico radiale eccessivo per il materiale produce deformazione plastica dello strato antifrizione (bronzo e bimetallo), scorrimento a freddo del polimero (PTFE, POM) o cricche di fatica sotto carico ciclico. Il disallineamento trasforma un carico radiale distribuito in un carico di bordo a un’estremità del foro, che è la causa più frequente di cedimento precoce delle boccole nelle articolazioni.

Il carico assiale determina la pressione sulla superficie di spinta. Poiché le superfici di spinta sono piccole e la loro velocità di scorrimento cresce con il raggio, lavorano più calde delle boccole cilindriche a pari pressione; di solito il primo limite superato è il fattore PV, non il carico. Il lubrificante deve essere portato sulla superficie da cave radiali, perché non può entrare lateralmente come avviene in una boccola cilindrica.

Il carico specifico p e la velocità di scorrimento v vanno verificati separatamente rispetto a p max, v max e (p·v) max del materiale. Raggiungere un limite non lascia margine per gli altri.

Fattori che modificano la distribuzione del carico

Il calcolo nominale presuppone che il carico si distribuisca uniformemente sull’area proiettata. Nella pratica diversi fattori peggiorano la situazione.

• Il disallineamento tra albero e sede concentra il carico radiale a un’estremità del foro (carico di bordo). Costruzioni autoallineanti, boccole più corte o una sede sferica lo riducono.
• Rapporto lunghezza/diametro: una boccola lunga e sottile (L/d oltre 1,5 circa) è più sensibile al disallineamento; una corta (L/d sotto 0,5) sopporta meno carico e lascia sfuggire più lubrificante.
• Gioco di funzionamento: un gioco troppo ridotto affama il film e fa grippare il cuscinetto; uno eccessivo lascia spostare l’albero dal centro e lo fa martellare sotto carichi alternati.
• Rigidità della sede: una sede sottile o con asola lascia deformare la boccola sotto carico, così il foro non resta circolare.
• Urti e inversioni: i carichi ciclici e alternati affaticano lo strato antifrizione a una pressione inferiore rispetto a un carico costante; vale il limite di carico dinamico, non quello statico.
• Dilatazione termica: alla temperatura di esercizio albero, boccola e sede si dilatano in misura diversa e il gioco cambia; il gioco si definisce per la temperatura di esercizio, non per quella di montaggio.

Come calcolare il carico specifico

Per una boccola cilindrica di foro d e lunghezza L che sopporta una forza radiale F, il carico specifico è p = F / (d × L). Per una ralla reggispinta con diametro interno d₁ e diametro esterno d₂ che sopporta una forza assiale F, l’area di appoggio è A = π (d₂² − d₁²) / 4 al netto delle cave, e p = F / A. La velocità di scorrimento di una boccola rotante è v = π d n / 60 (d in metri, n in giri/min); per una ralla si usa il diametro medio (d₁ + d₂) / 2.

Esempio: una boccola in bronzo con foro 50 mm e lunghezza 60 mm che sopporta 60 kN radiali lavora a p = 60.000 / (50 × 60) = 20 N/mm². A 30 giri/min la velocità di scorrimento è π × 0,050 × 30 / 60 = 0,079 m/s, quindi p·v = 1,6 N/mm²·m/s. Entrambi i valori vanno poi confrontati con i limiti pubblicati per il materiale scelto.

Il nostro calcolatore del carico esegue questi calcoli per boccole e ralle. Quando le condizioni di lavoro sono vicine a un limite, inviatele con la richiesta e confermeremo il materiale di conseguenza.

Scegliere l’elemento di supporto in base al carico

Per un carico prevalentemente radiale, specificate una boccola cilindrica e dimensionatela in base a p e p·v: bronzo lubrificato, bimetallo o acciaio temprato per impieghi pesanti e lenti; composito in PTFE, bronzo-grafite o bronzo sinterizzato dove lo snodo non può essere ingrassato. Per un carico prevalentemente assiale, specificate una ralla reggispinta negli stessi materiali e portate il lubrificante sulla superficie con cave radiali. Per un carico combinato, usate boccola più ralla quando la spinta è continua, oppure una boccola flangiata quando si tratta di un carico di posizionamento od occasionale.

Qualunque sia la soluzione, indicate nella richiesta direzione, entità e ciclo del carico. Il disegno mostra la geometria; solo i carichi ci dicono quale materiale resisterà al suo interno.