IT202000026608A1 - Unita’ cuscinetto in acciaio a basso teneore di carbonio - Google Patents

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Fausto Baracca
Ettore Bertelloni
Fabio Cavacece
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Description

Descrizione a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo: UNITA? CUSCINETTO IN ACCIAIO A BASSO TENEORE DI CARBONIO
DESCRIZIONE
Settore tecnico dell?invenzione
La presente invenzione ? relativa ad un?unit? cuscinetto realizzata in acciaio a basso tenore di carbonio e indurita localmente per mezzo di tempra a induzione. L?unit? cuscinetto siffatta ? idonea per applicazioni nell?industria manifatturiera e soprattutto per l?industria agricola in quanto di semplice ed economica realizzazione.
In particolare, l?unit? cuscinetto secondo la presente invenzione ? provvista di un anello radialmente interno e di un anello radialmente esterno entrambi realizzati in acciaio a basso tenore di carbonio. Ad entrambi gli anelli dell?unit? cuscinetto ? abbinato uno specifico trattamento termico di tempra a induzione.
Tecnica nota
Sono note unit? cuscinetto provviste di elementi di rotolamento e di sistemi di serraggio dell?unit? stessa su di un albero rotante.
Le unit? cuscinetto sono utilizzate per consentire il movimento relativo di un componente o gruppo rispetto a un altro componente o gruppo. L?unit? cuscinetto in genere ha un primo componente, ad esempio un anello radialmente interno, che ? fissato ad un primo componente, ad esempio un albero rotante, e un secondo componente, ad esempio un anello radialmente esterno, che ? fissato ad un secondo componente, ad esempio un alloggiamento stazionario. Tipicamente, come da esempi sopra menzionati, l'anello radialmente interno ? girevole mentre l?anello radialmente esterno ? stazionario, ma molte applicazioni prevedono che l'elemento esterno ruoti e l'elemento interno sia stazionario. In ogni caso, nelle unit? cuscinetto di rotolamento la rotazione di un anello rispetto all?altro ? consentita da una pluralit? di elementi di rotolamento che sono posizionati tra la superficie cilindrica di un componente e la superficie cilindrica del secondo componente, normalmente denominate piste di rotolamento. Gli elementi di rotolamento possono essere sfere, rulli cilindrici o conici, rullini e elementi di rotolamento similari.
Sono altres? note le unit? cuscinetto dotate di elementi di serraggio, tipicamente viti, per il fissaggio dell?anello radialmente interno ad un albero rotante.
Solitamente il materiale utilizzato per le unit? cuscinetto di tipo noto ? un acciaio ad alto tenore di carbonio, ad esempio l?acciaio denominato 100Cr6. Questo materiale, abbinato ad un trattamento termico a tutta tempra consente di ottenere facilmente le durezze necessarie (tipicamente da 58 a 62 HRC) per il corretto funzionamento dell?unit? cuscinetto. In particolare, le durezze elevate sono necessarie sulle piste di rotolamento che devono sopportare i carichi trasmessi dagli elementi di rotolamento. Infatti, il contatto di tipo hertziano tra gli anelli dell?unit? cuscinetto e gli elementi di rotolamento (sfere, rulli, ecc.) necessita di superfici di contatto sufficientemente indurite perch? non si creino deformazioni e conseguenti vibrazioni e rumore. L?utilizzo di un materiale pregiato, qual ? l?acciaio 100Cr6 e il successivo trattamento termico a tutta tempra rendono i costi di produzione dell?unit? cuscinetto abbastanza elevati.
Esiste pertanto l?esigenza di definire un?unit? cuscinetto realizzata in un diverso materiale che sia al contempo affidabile dal punto di vista meccanico, garantendo le prestazioni richieste all?unit? cuscinetto, non provochi rumori e/o vibrazioni eccessive e sia sostenibile dal punto di vista economico.
Sintesi dell?invenzione
Scopo della presente invenzione ? quello di realizzare un?unit? cuscinetto in un nuovo materiale a basso tenore di carbonio, ad esempio un acciaio C45 o C48, applicabile sia all?anello radialmente esterno, sia all?anello radialmente interno. Il nuovo materiale dovr? comunque avere una percentuale di carbonio non inferiore a 0,42% e deve essere abbinato ad un trattamento termico di tempra a induzione sulle porzioni degli anelli dell?unit? cuscinetto in corrispondenza delle piste di rotolamento. In questo modo, l?unit? cuscinetto risulta esente dagli inconvenienti sopra descritti, in particolare risulta pi? economica sia come prodotto, sia come ciclo di lavorazione.
Preferibilmente, il trattamento di tempra a induzione dovr? garantire una durezza elevata per una profondit? predeterminata sia dell?anello radialmente interno, sia dell?anello radialmente esterno a partire dalla superficie delle corrispondenti piste di rotolamento.
Vantaggiosamente, il trattamento di tempra a induzione potr? essere esteso alle porzioni dell?anello radialmente interno sottoposte ad un contatto strisciante da parte di corrispondenti dispositivi di tenuta.
Pertanto, secondo la presente invenzione viene realizzata un?unit? cuscinetto in un acciaio a basso tenore di carbonio abbinato ad un trattamento di tempra a induzione avente le caratteristiche enunciate nella rivendicazione indipendente, allegata alla presente descrizione.
Ulteriori forme di realizzazione dell'invenzione, preferite e/o particolarmente vantaggiose, sono descritte secondo le caratteristiche enunciate nelle rivendicazioni dipendenti allegate.
Breve descrizione dei disegni
L?invenzione verr? ora descritta con riferimento al disegno annesso, che illustra un esempio di attuazione non limitativo dell?unit? cuscinetto, in cui:
- la figura 1 mostra, in sezione trasversale, un?unit? cuscinetto realizzata in un acciaio a basso tenore di carbonio, abbinato ad un trattamento di tempra a induzione, secondo un modo di attuazione della presente invenzione.
Descrizione dettagliata
Facendo ora riferimento alla figura 1, di seguito si descrive a titolo puramente esemplificativo una forma di attuazione di un?unit? cuscinetto secondo la presente invenzione.
L?unit? cuscinetto 10, particolarmente idonea per applicazioni nel settore agricolo e/o nell?industria manifatturiera - ad esempio l?industria tessile, mineraria, automobilistica, alimentare ? potr? essere interposta, ad esempio, tra un albero rotante ed un elemento di alloggiamento, non facenti parte della presente invenzione, e comprende:
- un anello radialmente esterno 31, stazionario,
- un anello radialmente interno 33, girevole attorno ad un asse di rotazione centrale X dell?unit? cuscinetto 10,
- almeno una corona di elementi di rotolamento 32, in questo esempio sfere, interposta tra l'anello radialmente esterno 31 e l?anello radialmente interno 33,
- una gabbia 34 di contenimento dei corpi di rotolamento per mantenere in posizione gli elementi di rotolamento della corona di corpi di rotolamento 32,
- un elemento di serraggio 20, ad esempio una vite, per il serraggio dell?anello radialmente interno 33 all?albero rotante.
In tutta la presente descrizione e nelle rivendicazioni, i termini e le espressioni indicanti posizioni ed orientamenti quali ?radiale? e ?assiale? si intendono riferiti all?asse di rotazione centrale X dell?unit? cuscinetto 30.
L?anello radialmente esterno 31 ? provvisto di una pista di rotolamento radialmente esterna 31?, mentre l?anello radialmente interno 33 ? provvisto di una pista di rotolamento radialmente interna 33? per permettere il rotolamento della corona degli elementi di rotolamento 32 interposta tra l?anello radialmente esterno 31 e l?anello radialmente interno 33. Per semplicit?, si potr? utilizzare il termine ?sfera? in modo esemplificativo nella presente descrizione e negli allegati disegni al posto del termine pi? generico ?elemento di rotolamento? (e si utilizzeranno altres? gli stessi riferimenti numerici). Alcuni esempi di realizzazione e i relativi disegni potranno prevedere l?utilizzo di elementi di rotolamento differenti dalle sfere (ad esempio rulli) senza per questo fuoriuscire dall?abito della presente invenzione.
L?unit? cuscinetto 10 ? altres? provvista di dispositivi di tenuta 35 per sigillare l?unit? cuscinetto dall?ambiente esterno. Nel seguito i dispositivi tenuta 35 potranno essere indicati anche pi? semplicemente come tenute 35, intendendosi evidentemente lo stesso componente. I dispositivi di tenuta potranno essere montati per interferenza sull?anello radialmente esterno 31, stazionario, ed essere in contatto strisciante, per mezzo di uno o pi? labbri in elastomero, con l?anello radialmente interno 33, girevole.
Sia l?anello radialmente esterno 31, sia l?anello radialmente interno 33 sono realizzati in acciaio a basso tenore di carbonio. La percentuale minima di carbonio richiesta ? pari a 0,42. A titolo esemplificativo, materiali idonei allo scopo possono essere l?acciaio C45 che ha una percentuale di carbonio compresa nel range 0,42%?0,45% o l?acciaio C48 che ha una percentuale di carbonio compresa nel range 0,45%?0,52%.
Al fine di ottenere la durezza necessaria al buon funzionamento dell?unit? cuscinetto, si applica un trattamento termico di tempra a induzione in corrispondenza delle piste di rotolamento 31?, 33?. In questo modo si ottiene la giusta durezza solo nelle zone necessarie al corretto funzionamento dell?unit? cuscinetto. In particolare, la durezza che deve essere garantita sulle piste di rotolamento e in una porzione degli anelli ad esse sottostante deve essere compresa tra 55 HRC e 62 HRC.
Perch? il trattamento di tempra a induzione sia efficace nello scopo, di conferire la necessaria durezza superficiale nell?intorno delle piste di rotolamento 31?, 33? rispettivamente dell?anello radialmente esterno 31 e dell?anello radialmente interno 33 risulta vantaggioso che il trattamento termico sia eseguito specificando alcuni parametri geometrici e la durezza nelle diverse zone dell?anello radialmente interno 33.
Pi? in particolare, la porzione centrale 31a dell?anello radialmente esterno 31, posta in corrispondenza della pista di rotolamento 31? e avente lunghezza assiale T, sottoposta a trattamento termico di tempra a induzione dovr? garantire una durezza compresa tra 55 HRC e 62 HRC per una profondit? SEmin compresa tra il 10% e il 20% del diametro S? degli elementi di rotolamento 32.
Analogamente, la porzione centrale 33a dell?anello radialmente interno 33, posta in corrispondenza della pista di rotolamento 33? e avente lunghezza assiale R, sottoposta a trattamento termico di tempra a induzione dovr? garantire una durezza compresa tra 55 HRC e 62 HRC per una profondit? SImin compresa tra il 10% e il 20% del diametro S? degli elementi di rotolamento 32.
Vantaggiosamente, la lunghezza assiale T della porzione centrale 31a dell?anello radialmente esterno 31 e la lunghezza assiale R della porzione centrale 33a dell?anello radialmente interno 33 sono uguali.
Preferibilmente, per quanto attiene all?anello radialmente interno 33, ? possibile identificare seconde porzioni 332b, pi? periferiche e da bande opposte rispetto alla porzione centrale 33a. Tali porzioni si trovano in corrispondenza dei dispositivi di tenuta 35 e necessitano anche loro di una durezza elevata (compresa anch?essa tra 55 HRC e 62 HRC) per evitare l?usura provocata dallo strisciamento dei labbri dei dispositivi di tenuta 35. La profondit? di tali secondo porzioni nella quale garantire siffatti valori di durezza ? pari a minimo 0,1 mm. La lunghezza assiale L di tali seconde porzioni 33b dovr? risultare pari a
L = (Kmin-R) / 2 con Kmin = K1 1mm ove, oltre ai simboli gi? noti:
Kmin ? la lunghezza assiale complessiva della porzione centrale 33a e delle seconde porzioni 33b dell?anello radialmente interno 33,
K1 ? la lunghezza assiale dell?anello radialmente esterno 31.
Infine, sempre con riferimento all?anello radialmente interno 33, si possono definire terze porzioni o porzioni di estremit? 33c, le porzioni pi? periferiche e da bande opposte rispetto alle seconde porzioni 33b. In queste terze porzioni, in particolare sulla superficie radialmente esterna, dovr? essere garantita una durezza compresa tra 50 HRC e 62 HRC.
Riepilogando, di sotto si presenta una tabella con le durezze espresse in HRC richieste per le diverse porzioni di sopra identificate.
Tabella 1
Il principale vantaggio della soluzione descritta, a parit? di prestazioni, ? rappresentato dalla riduzione del costo dell'acciaio rispetto a quello degli acciai noti (ad esempio acciaio 100Cr6). Inoltre, la soluzione illustrata consente un risparmio anche dei costi di produzione ed in particolare dei costi relativi al trattamento termico di tempra a induzione, essendo ridotta la superficie da sottoporre ad indurimento alle sole piste di rotolamento, dove gli elementi di rotolamento sono in contatto gli anelli dell?unit? cuscinetto (eventualmente anche nelle zone in cui avviene il contatto strisciante con i dispositivi di tenuta). Di conseguenza, il costo dell?intera unit? cuscinetto si riduce per entrambi gli aspetti di sopra menzionati, rendendo l?unit? cuscinetto pi? competitiva sul mercato.
Oltre ai modi di attuazione dell?invenzione, come sopra descritti, ? da intendere che esistono numerose ulteriori varianti. Deve anche intendersi che detti modi di attuazione sono solo esemplificativi e non limitano l?oggetto dell?invenzione, n? le sue applicazioni, n? le sue configurazioni possibili. Al contrario, sebbene la descrizione sopra riportata rende possibile all?uomo di mestiere l?attuazione della presente invenzione almeno secondo una sua configurazione esemplificativa, si deve intendere che sono concepibili numerose variazioni dei componenti descritti, senza che per questo si fuoriesca dall?oggetto dell?invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate, interpretate letteralmente e/o secondo i loro equivalenti legali.

Claims (9)

RIVENDICAZIONI
1. Unit? cuscinetto (10) comprendente:
- un anello radialmente esterno (31), stazionario, provvisto di una pista di rotolamento (31?),
- un anello radialmente interno (33), girevole attorno ad un asse (X) di rotazione centrale dell?unit? cuscinetto (10), provvisto di una pista di rotolamento (33?),
- una corona di elementi di rotolamento (32) interposta tra l'anello radialmente esterno (31) e l?anello radialmente interno (33),
- almeno un dispositivo di tenuta (35) montato per interferenza sull?anello radialmente esterno (31) e in contatto strisciante con l?anello radialmente interno (33),
l?unit? cuscinetto (10) essendo caratterizzata dal fatto che
- sia l?anello radialmente esterno (31), sia l?anello radialmente interno (33) sono realizzati in acciaio a basso tenore di carbonio con percentuale ponderale minima di carbonio pari a 0,42, e dal fatto che - una porzione centrale (31a) dell?anello radialmente esterno (31) posta in corrispondenza della pista di rotolamento (31?) e una porzione centrale (33a) dell?anello radialmente interno (33) posta in corrispondenza della pista di rotolamento (33?) sono trattate termicamente mediante tempra a induzione.
2. Unit? cuscinetto (10) secondo la rivendicazione 1, laddove l?acciaio a basso tenore di carbonio ? un acciaio C45 con percentuale ponderale di carbonio compresa nel range 0,42%?0,45%.
3. Unit? cuscinetto (10) secondo la rivendicazione 1, laddove l?acciaio a basso tenore di carbonio ? un acciaio C48 con percentuale ponderale di carbonio compresa nel range 0,45%?0,52%.
4. Unit? cuscinetto (10) secondo una delle rivendicazioni precedenti, laddove la porzione centrale (31a) dell?anello radialmente esterno (31) ha una durezza compresa tra 55 HRC e 62 HRC per una profondit? (SEmin) compresa tra il 10% e il 20% del diametro (S?) degli elementi di rotolamento (32).
5. Unit? cuscinetto (10) secondo una delle rivendicazioni precedenti, laddove la porzione centrale (33a) dell?anello radialmente interno (33) ha una durezza compresa tra 55 HRC e 62 HRC per una profondit? (SImin) compresa tra il 10% e il 20% del diametro (S?) degli elementi di rotolamento (32).
6. Unit? cuscinetto (10) secondo le rivendicazioni 4 e 5, laddove la lunghezza assiale (T) della porzione centrale (31a) dell?anello radialmente esterno (31) e la lunghezza assiale (R) della porzione centrale (33a) dell?anello radialmente interno (33) sono uguali.
7. Unit? cuscinetto (10) secondo una delle rivendicazioni precedenti, laddove seconde porzioni (33b) dell?anello radialmente interno (33), pi? periferiche e da bande opposte rispetto alla porzione centrale (33a) e poste in corrispondenza dei dispositivi di tenuta (35), hanno una durezza compresa tra 55 HRC e 62 HRC per una profondit? minima pari a 0,1 mm.
8. Unit? cuscinetto (10) secondo la rivendicazione 7, laddove la lunghezza assiale (L) delle seconde porzioni (33b) ? pari a
L = (Kmin-R) / 2
con
Kmin = K1 1mm
ove (Kmin) ? la lunghezza assiale complessiva della porzione centrale (33a) dell?anello radialmente interno (33) e delle seconde porzioni (33b) dell?anello radialmente interno (33), e
(K1) ? la lunghezza assiale dell?anello radialmente esterno (31).
9. Unit? cuscinetto (10) secondo una delle rivendicazioni precedenti, laddove terze porzioni (33c) dell?anello radialmente interno (33) pi? periferiche e da bande opposte rispetto alle seconde porzioni (33b) dell?anello radialmente interno (33) hanno una durezza compresa tra 50 HRC e 62 HRC.
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