[Tennica]Cuscinetti a sfere in ceramica

crock

Ammiraglia
16 Aprile 2004
23.560
207
Lomaniga
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I cuscinetti in ceramica sono sempre più usati sulle ruote d’alta gamma e sui mozzi “customizzabili” come ad esempio i Tune MAG160 con asse in carbonio , i mozzi ADA, American Classic, la serie Z di Zipp, etc, senza dimenticare i mozzi dei gruppi Stimano e Campagnolo di cui è possibile cambiare i cuscinetti in acciaio con quelli in ceramica molto facilmente.
Dieci anni fa, la ceramica ed il nitruro di silicio facevano la loro comparsa nell’industria dei cuscinetti. Da allora il successo di questa soluzione è andato aumentando.
Per le applicazioni ciclistiche ci sono dei vantaggi, ma bisogna tenere conto anche degli svantaggi: i regimi di rotazione particolarmente elevati sono dannosi per i cuscinetti in ceramica; la forza centrifuga provoca sui cuscinetti a sfere che ruotano ad alta velocità un carico che può facilmente essere troppo elevato per le sfere stesse. La scelta di sfere più piccole e di materiale di densità minore può essere un rimedio a questa situazione.
-Due fattori influenti
La forza centrifuga è, tra le altre cose, proporzionale alla massa della sfera. Una sfera in ceramica di 9,525mm pesa 1,5 grammi, mentre una sfera in acciaio dello stesso diametro pesa 2 grammi di più, ovvero 3,5gr. Questa rappresenta un incremento di regime del 30% in favore del cuscinetto in ceramica. D’altra parte il modulo E (elastico) del nitruro di silicio è doppio rispetto all’acciaio, così a carico uguale , la superficie di contatto è più piccola e dunque la tensione di contatto più elevata. E’ stato calcolato che il carico massimo di un cuscinetto in ceramica sull’acciaio è inferiore di 1/3 rispetto la combinazione acciaio-acciaio, ciò significa un regime massimo ammissibile di più del 15% rispetto ad un cuscinetto in ceramica. Tuttavia la superficie di contatto minore da ancora un vantaggio supplementare: l’attrito minore sviluppa minor calore in rapporto ad un contatto acciaio-acciaio. Questo fattore permette di aumentare ancora leggermente il regime massimale.
-Sfere più piccole
Se il diametro delle sfere in acciaio è più piccolo, la forza centrifuga diminuisce. La forza è appunto proporzionale alla terza potenza del diametro delle sfere.
Il carico ammissibile del punto di contatto è proporzionale al quadrato del diametro delle sfere. Ma se la superficie di contatto diminuisce, a carico uguale, aumenta la tensione di contatto. Questo vuol dire dover mettere più sfere dell’anello del cuscinetto. Considerati questi fattori , si può dire che una riduzione della metà del diametro della sfera porta ad un raddoppio della velocità di rotazione massimale. Se si forniscono le sfere di un rivestimento in nickel-cromo, la cessione di calore è minore rispetto ad una semplice sfera in ceramica.
-Cuscinetti ibridi
I cuscinetti con sfere in ceramica e anelli in acciaio sono chiamati “ibridi”.
Il vantaggio dell’inalterabilità delle sfere in ceramica è azzerato dalla presenza dell’acciaio. Il motivo è la scomparsa del vantaggio in termini di temperatura.
-Lubrificazione
Contrariamente ai cuscinetti completamente in ceramica i cuscinetti ibridi devono essere lubrificati . La lubrificazione può essere tralasciata solamente se le temperature di utilizzo sono molto basse, sebbene la longevità diminuisca. I cuscinetti completamente in ceramica si lubrificano ad acqua, mentre possono anche funzionare benissimo se non lubrificati nel caso siano sottoposti a carichi non elevati.
-Difetti
Le sfere in ceramica sopportano molto male i colpi rispetto quelle in acciaio e sono la scelta migliore se utilizzate in mozzi la cui tolleranza di lavorazione sia garantita al 100simo di millimetro (Shimano, Campagnolo, DtSwiss), al contrario in mozzi in carbonio le cui tolleranze non possono andare oltre un decimo di millimetro per i limiti di lavorazione del materiale (Lightweight) le sfere in ceramica verrebbero sollecitate da continui shocks che limiterebbero la loro vita ad una massimo due stagioni. Visto il prezzo si spiega perché Lightweight utilizzi sfere classiche per i propri mozzi…(anche se le sfere dei cuscinetti Lightweight vengono prodotte dalla tedesca JRW che produce sfere in acciaio di altissima qualità. NdR)
-In conclusione
I cuscinetti ibridi garantiscono regimi di utilizzo maggiori, un livello di vibrazioni minori ed una grande longevità. I giochi da usura avvengono più lentamente rispetto ai cuscinetti in acciaio. In settori come l’astronautica vengono utilizzati cuscinetti ibridi sempre più spesso per riduttori, pompe e motori elettrici.

Test:
Si è preso una sola bicicletta a cui si sono cambiati unicamente le sfere (prima acciaio poi ceramica), tenendo conto di questi parametri fissi:
Peso ciclista: 81kg
Coefficiente resistenza al vento: 0,39
Pendenza media della strada: 3,25° (in discesa ovviamente)
G: 9,82m/s
Il ciclista è partito lasciandosi andare in discesa senza colpi di pedale partendo da un medesimo punto x segnato per terra, compiendo 10 discese tenendo la stessa pozione in sella e misurando la velocità e la distanza percorsa dopo 55 sec. Di discesa. Poi si è fatta la media sulle 10 discese.
Nelle stesse condizioni si è ripetuta il test con le sfere dei cuscinetti in ceramica.
Il risultato è stato che con le sfere in ceramica si ha un vantaggio in velocità del 3,8%.

Si ringraziano per l’articolo Adrien Gontier e Herman Paternoster
www.rouesartisanales.com
http://www.rouesartisanales.com/4-categorie-94458.html
Cui spettano i diritti®
Trad. Ser Pecora
 
?

...

Guest
da molto leggo rouesartisanales e spesso ho chiesto consigli proprio ad Adrien... Davvero molto preparato! o-o
 

Darius

Scalatore
18 Ottobre 2005
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Bici
Colnago V1-r
L'articolo è davvero interessante dal punto di vista tecnico e tecnologico ma ho qualche dubbio sulla validità del test fatto in quel modo.

Le variabili in gioco sono, a mio avviso, determinanti sul quel 3,8% e neanche lineari se ci mettiamo la resistenza all'aria, poi non vedo come sia garantita la ripetitibilità della prova, anche se poi fanno la media.

Una prova di assorbimento di potenza credibile andrebbe fatta al banco dinamometrico, come si fa con i motori.

Comunque sempre benvenuti questi articoli, grazie Crok
 

blacksilversurfer

Pedivella
23 Aprile 2004
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Jesi (AN)
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Non credo ci siano obiezioni nell'affermare che, diminuendo il coefficente di attrito e la deformazione delle sfere, la potenza in Watt persa con i cuscinetti in ceramica è minore di quella con i cuscinetti tradizionali.

Test o non test, i cuscinetti in ceramica sono uno step tecnologico avanti!

Saluti
 

Darius

Scalatore
18 Ottobre 2005
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Ser pecora ha scritto:
Darius ha scritto:
Le variabili in gioco sono, a mio avviso, determinanti sul quel 3,8% e neanche lineari se ci mettiamo la resistenza all'aria

Perchè il coefficiente non sarebbe lineare?

Perchè la resistenza aerodinamica offerta dal mezzo e dal pilota non aumenta in modo lineare all'aumentare della velocità ma esponenziale.
Voglio dire che difficilmente l'assieme mezzo-pilota si comporterà nello stesso modo ogni discesa (per questo fanno la media).
Se usassero un banco con freno dinamometrico potrebbero calcolare l'assorbimento di potenza effettivo semplicemente per differenza con il vantaggio di avere delle condizioni di contorno costanti e non variabili come invece accade nel loro test.
Mi avessero parlato di un vantaggio del 20% (per dire) non avrei obbiettato niente in quanto le tolleranze sarebbero probabilmente insignificanti.
Ma questo giusto per fare un pò di accademia o-o
 

Ser pecora

Diretur
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Darius ha scritto:
Perchè la resistenza aerodinamica offerta dal mezzo e dal pilota non aumenta in modo lineare all'aumentare della velocità ma esponenziale.
Voglio dire che difficilmente l'assieme mezzo-pilota si comporterà nello stesso modo ogni discesa (per questo fanno la media).
Se usassero un banco con freno dinamometrico potrebbero calcolare l'assorbimento di potenza effettivo semplicemente per differenza con il vantaggio di avere delle condizioni di contorno costanti e non variabili come invece accade nel loro test.
Mi avessero parlato di un vantaggio del 20% (per dire) non avrei obbiettato niente in quanto le tolleranze sarebbero probabilmente insignificanti.
Ma questo giusto per fare un pò di accademia o-o

Accademia per accademia si potrebbe dire che è per questo che si usa un coefficiente...
Cmq credo che il test sia frutto dell'"arte di arrangiarsi" dato che un banco dinamometrico non è facile a procurarsi...ad ogni modo un 3% è insignificante in una discesa, ma su un tracciato misto di 100 e passa km alla fine può essere qualcosa...in un mondo dove si pesano i milligrammi... :-x
 

Darius

Scalatore
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Colnago V1-r
Ser pecora ha scritto:
...ad ogni modo un 3% è insignificante in una discesa, ma su un tracciato misto di 100 e passa km alla fine può essere qualcosa...in un mondo dove si pesano i milligrammi... :-x

Quoto e ribadisco l'utilità informativa e divulgativa di questi articoli. o-o
 

Darius

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Colnago V1-r
div ha scritto:
Quel 3% di resistenza in più, non può essere assolutamente dato dai cuscinetti
a meno che non abbiano toppato alla grande il precarico

I cuscinetti a sfere, che sono adottati in ruote e mozzi, non si precaricano, in quanto, essendo progettati per carichi radiali non sopportano grossi carichi assiali.
Anzi, il modo migliore per romperli è montarli su un asse che abbia appunto un gioco assiale fuori llimite.
Lo si fa invece sui cuscinetti a rulli conici o, al più su quelli a sfere a doppia gabbia che servono specificamente per carichi assiali.

Il problema del 3% secondo me, e lo ripeto, è dovuto al test che è svolto in modo poco scientifico.

Questo senza nulla levare alla validità tecnologica delle sfere in ceramica.
 

GiAnFrA

Scalatore
18 Maggio 2004
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Giant TCR Advanced
Darius ha scritto:
Questo senza nulla levare alla validità tecnologica delle sfere in ceramica.

Concordo, la vera utilità delle sfere ceramiche la vedo per quel che riguarda la resistenza all'usura, per il resto... chiacchiere. I vantaggi di risparmio della potenza possono venire fuori a numeri di giri altissimi fuori dal campo delle applicazioni ciclistiche
 

div

Novellino
26 Febbraio 2005
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Pinerolo
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BMC SL01/SLC01-cinelli soft machine
Darius ha scritto:
div ha scritto:
Quel 3% di resistenza in più, non può essere assolutamente dato dai cuscinetti
a meno che non abbiano toppato alla grande il precarico

I cuscinetti a sfere, che sono adottati in ruote e mozzi, non si precaricano, in quanto, essendo progettati per carichi radiali non sopportano grossi carichi assiali.
Anzi, il modo migliore per romperli è montarli su un asse che abbia appunto un gioco assiale fuori llimite.
Lo si fa invece sui cuscinetti a rulli conici o, al più su quelli a sfere a doppia gabbia che servono specificamente per carichi assiali.

Il problema del 3% secondo me, e lo ripeto, è dovuto al test che è svolto in modo poco scientifico.

Questo senza nulla levare alla validità tecnologica delle sfere in ceramica.

i cuscine radiali rigidi ad una corona di sfere sono precaricati.....ed il precarico non è altro che la tolleranza che viene lasciata tra anello interno esterno e sfere compatibilmente con il campo di impiego.

le applicazioni per i ceramici sono unicamente quelle dove sono richieste alte velocità di rotazione, e non è certo il caso di una bicicletta.

Oltretututto i fattore che aumentano o diminuiscono la "scorevvolezza", (coppia di attrito per i tecnici) sono:
1) rugosita superficiale delle sedi di rotolomento
2) Tipologia di grasso impiegato
3) tipologia e quantità di Seal (schermi striscianti)

il fatto che sfere in ceramica siano leggermente più piccole rispetto alle pari grado in acciaio e quindi una minore impronta di contatto sulla sede di rotolamente è ininfluente ai fini della scorrevolezza

Tenete conto che su un banco inerziale con i baffi variazioni del 3% si leggono solo gonfiando o sgonfiando di qualche 0,..bar il pneumatico sul rullo

un salutone a tutti
 

div

Novellino
26 Febbraio 2005
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Pinerolo
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BMC SL01/SLC01-cinelli soft machine
GiAnFrA ha scritto:
Darius ha scritto:
Questo senza nulla levare alla validità tecnologica delle sfere in ceramica.

Concordo, la vera utilità delle sfere ceramiche la vedo per quel che riguarda la resistenza all'usura

anche questo è un mito da sfatare :)
un cuscinetto quando è cotto ......è cotto perchè le piste di rotolamanto sono "andate" cioè segnate
è rarissimo che siano le sfere a cedere
quindi che le sfere siano ceramiche o in acciaio poco sposta ai fini della durata finale.
Come dici giustamente il loro impiego è ristretto alle alte velocità di rotazione dove la minore massa e quindi inerzia rappresentano realmente un vantaggio ai fini del funzionamento del sistema.

a mio giudizio....per un impiego ciclistico...... l'unico vantaggio è per chi li vende :-)
 

crock

Ammiraglia
16 Aprile 2004
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I cuscinetti in ceramica sono sempre più usati sulle ruote d’alta gamma e sui mozzi “customizzabili” come ad esempio i Tune MAG160 con asse in carbonio , i mozzi ADA, American Classic, la serie Z di Zipp, etc, senza dimenticare i mozzi dei gruppi Stimano e Campagnolo di cui è possibile cambiare i cuscinetti in acciaio con quelli in ceramica molto facilmente.
Dieci anni fa, la ceramica ed il nitruro di silicio facevano la loro comparsa nell’industria dei cuscinetti. Da allora il successo di questa soluzione è andato aumentando.
Per le applicazioni ciclistiche ci sono dei vantaggi, ma bisogna tenere conto anche degli svantaggi: i regimi di rotazione particolarmente elevati sono dannosi per i cuscinetti in ceramica; la forza centrifuga provoca sui cuscinetti a sfere che ruotano ad alta velocità un carico che può facilmente essere troppo elevato per le sfere stesse. La scelta di sfere più piccole e di materiale di densità minore può essere un rimedio a questa situazione.
-Due fattori influenti
La forza centrifuga è, tra le altre cose, proporzionale alla massa della sfera. Una sfera in ceramica di 9,525mm pesa 1,5 grammi, mentre una sfera in acciaio dello stesso diametro pesa 2 grammi di più, ovvero 3,5gr. Questa rappresenta un incremento di regime del 30% in favore del cuscinetto in ceramica. D’altra parte il modulo E (elastico) del nitruro di silicio è doppio rispetto all’acciaio, così a carico uguale , la superficie di contatto è più piccola e dunque la tensione di contatto più elevata. E’ stato calcolato che il carico massimo di un cuscinetto in ceramica sull’acciaio è inferiore di 1/3 rispetto la combinazione acciaio-acciaio, ciò significa un regime massimo ammissibile di più del 15% rispetto ad un cuscinetto in ceramica. Tuttavia la superficie di contatto minore da ancora un vantaggio supplementare: l’attrito minore sviluppa minor calore in rapporto ad un contatto acciaio-acciaio. Questo fattore permette di aumentare ancora leggermente il regime massimale.
-Sfere più piccole
Se il diametro delle sfere in acciaio è più piccolo, la forza centrifuga diminuisce. La forza è appunto proporzionale alla terza potenza del diametro delle sfere.
Il carico ammissibile del punto di contatto è proporzionale al quadrato del diametro delle sfere. Ma se la superficie di contatto diminuisce, a carico uguale, aumenta la tensione di contatto. Questo vuol dire dover mettere più sfere dell’anello del cuscinetto. Considerati questi fattori , si può dire che una riduzione della metà del diametro della sfera porta ad un raddoppio della velocità di rotazione massimale. Se si forniscono le sfere di un rivestimento in nickel-cromo, la cessione di calore è minore rispetto ad una semplice sfera in ceramica.
-Cuscinetti ibridi
I cuscinetti con sfere in ceramica e anelli in acciaio sono chiamati “ibridi”.
Il vantaggio dell’inalterabilità delle sfere in ceramica è azzerato dalla presenza dell’acciaio. Il motivo è la scomparsa del vantaggio in termini di temperatura.
-Lubrificazione
Contrariamente ai cuscinetti completamente in ceramica i cuscinetti ibridi devono essere lubrificati . La lubrificazione può essere tralasciata solamente se le temperature di utilizzo sono molto basse, sebbene la longevità diminuisca. I cuscinetti completamente in ceramica si lubrificano ad acqua, mentre possono anche funzionare benissimo se non lubrificati nel caso siano sottoposti a carichi non elevati.
-Difetti
Le sfere in ceramica sopportano molto male i colpi rispetto quelle in acciaio e sono la scelta migliore se utilizzate in mozzi la cui tolleranza di lavorazione sia garantita al 100simo di millimetro (Shimano, Campagnolo, DtSwiss), al contrario in mozzi in carbonio le cui tolleranze non possono andare oltre un decimo di millimetro per i limiti di lavorazione del materiale (Lightweight) le sfere in ceramica verrebbero sollecitate da continui shocks che limiterebbero la loro vita ad una massimo due stagioni. Visto il prezzo si spiega perché Lightweight utilizzi sfere classiche per i propri mozzi…(anche se le sfere dei cuscinetti Lightweight vengono prodotte dalla tedesca JRW che produce sfere in acciaio di altissima qualità. NdR)
-In conclusione
I cuscinetti ibridi garantiscono regimi di utilizzo maggiori, un livello di vibrazioni minori ed una grande longevità. I giochi da usura avvengono più lentamente rispetto ai cuscinetti in acciaio. In settori come l’astronautica vengono utilizzati cuscinetti ibridi sempre più spesso per riduttori, pompe e motori elettrici.

Test:
Si è preso una sola bicicletta a cui si sono cambiati unicamente le sfere (prima acciaio poi ceramica), tenendo conto di questi parametri fissi:
Peso ciclista: 81kg
Coefficiente resistenza al vento: 0,39
Pendenza media della strada: 3,25° (in discesa ovviamente)
G: 9,82m/s
Il ciclista è partito lasciandosi andare in discesa senza colpi di pedale partendo da un medesimo punto x segnato per terra, compiendo 10 discese tenendo la stessa pozione in sella e misurando la velocità e la distanza percorsa dopo 55 sec. Di discesa. Poi si è fatta la media sulle 10 discese.
Nelle stesse condizioni si è ripetuta il test con le sfere dei cuscinetti in ceramica.
Il risultato è stato che con le sfere in ceramica si ha un vantaggio in velocità del 3,8%.

Si ringraziano per l’articolo Adrien Gontier e Herman Paternoster
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Darius

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L'articolo è davvero interessante dal punto di vista tecnico e tecnologico ma ho qualche dubbio sulla validità del test fatto in quel modo.

Le variabili in gioco sono, a mio avviso, determinanti sul quel 3,8% e neanche lineari se ci mettiamo la resistenza all'aria, poi non vedo come sia garantita la ripetitibilità della prova, anche se poi fanno la media.

Una prova di assorbimento di potenza credibile andrebbe fatta al banco dinamometrico, come si fa con i motori.

Comunque sempre benvenuti questi articoli, grazie Crok