Un banco prova per lo studio del comportamento termomeccanico di cuscinetti volventi

Gli elementi volventi sono componenti essenziali delle trasmissioni meccaniche. Permettono infatti di ridurre l’attrito tra le parti. Con il sempre più frequente utilizzo di motori elettrici, gli elementi volventi si trovano a operare a velocità sempre maggiori. Questo porta a un aumento delle perdite di potenza e delle temperature degli stessi. In letteratura sono disponibili molti approcci per stimare il comportamento termomeccanico di suddetti elementi. Tuttavia, per alcune applicazioni, tali modelli prevedono comportamenti non veritieri. Per superare questo limite, è stato sviluppato un banco prova dedicato, che permette la misura delle perdite di potenza sotto carico. A causa delle velocità molto elevate, il numero di giri atteso è largamente oltre il milione. 

Banchi prova per cuscinetti: una panoramica

Gli elementi volventi sono ampiamente utilizzati nelle trasmissioni meccaniche per ridurre l’attrito tra due parti rotanti. Con l’introduzione dei motori elettrici nell’industria meccanica, i cuscinetti sono portati ad operare a velocità sempre maggiori. In tali applicazioni le perdite di potenza dei cuscinetti risultano non trascurabili. Sono molti i modelli disponibili per il calcolo della coppia resistente [1], [2]. Tuttavia, in alcune applicazioni questi danno risultati opposti tra loro. Per superare queste incongruenze sono necessari dati sperimentali.

In letteratura sono citati molti esempi di banchi prova per cuscinetti. Una prima tipologia misura le perdite direttamente sull’anello esterno del cuscinetto. In questo caso l’anello esterno sarà alloggiato all’interno di un cuscinetto idrostatico. La coppia viene misurata grazie a sensori di carico posti tra l’anello esterno del cuscinetto in prova e la cassa del cuscinetto idrostatico [3].

Brecher et al. [4] hanno utilizzato questo approccio per la misura della coppia resistente in applicazioni ad alta velocità. Il banco prova era equipaggiato con un sistema telemetrico per la misura delle temperature in corrispondenza dell’anello interno del cuscinetto in prova.

Anche Neurouth et al. [5] hanno utilizzato questa architettura per la misura della coppia di cuscinetti lubrificati a grasso.

Tuttavia il cuscinetto idrostatico è un sistema complesso da utilizzare e può modificare il comportamento termico dell’anello esterno del cuscinetto in prova.

Le perdite dei cuscinetti possono essere anche misurate tramite estensimetri montati sulla cassa.

Hannon [6] ha sviluppato un banco prova per cuscinetti di dimensioni simili. Un anello strisciante permette la misura della temperatura dell’anello interno. In questa tipologia di banco 4 cuscinetti vengono montati sull’albero principale. La coppia totale misurata viene divisa quindi per 4. Il banco è stato sviluppato per basse velocità di rotazione e alti carichi radiali fino a 260 kN.

Pinel et al. [7] [8] hanno progettato un banco prova per un cuscinetto a contatto obliquo con foro da 35 mm per velocità molto elevate fino a 72000 rpm. La coppia sul cuscinetto è misurata attraverso sensori posti sul supporto che impedisce la rotazione della cassa. Tuttavia, questo sistema non è di facile implementazione.

Le perdite possono anche essere calcolate mediante un torsiometro montato sull’anello interno. Nella pratica lo strumento misura la coppia sull’albero. Per questo la presenza di tenute o altri elementi può influire sulla misura.

Takabi et al. [9] hanno realizzato un banco per lo studio del comportamento termomeccanico di cuscinetti a sfere a gola profonda lubrificati ad olio. Il banco era composto da 2 cuscinetti di supporto ed un cuscinetto in prova. Un sensore misurava le perdite del sistema.

In letteratura si trova anche evidenza di banchi prova ad asse verticale. Questi sono utilizzati per cuscinetti reggispinta [10], cilindrici [11] o a rulli conici [12][13] sottoposti a carico assiale. Le misure di coppia vengono realizzate mediante un torsiometro montato sull’albero verticale.

Infine, alcuni banchi prova sono stati costruiti per un’applicazione specifica. Ke et al [14] hanno sviluppato un banco prova per lo studio delle caratteristiche termiche di cuscinetti a rulli a doppia fila per una locomotiva ad alta velocità. Blake e Truman [15] hanno progettato un banco per misurare la coppia resistente di cuscinetti conici.

I banchi prova menzionati sono pensati per una specifica condizione operativa e una taglia di cuscinetto.

Il banco prova illustrato in questa ricerca permette test su cuscinetti di varie dimensioni e in differenti condizioni operative.

Nella prima parte dell’articolo viene presentato il nuovo banco; successivamente l’attenzione viene focalizzata sui risultati dei test sperimentali.