Perché solo cuscinetti a sfera su biciclette?

In generale, i cuscinetti a sfera sono applicabili a velocità più elevate a causa della minore area di contatto e della minore forza di attrito, ma i cuscinetti a rulli possono sopportare carichi maggiori poiché il carico applicato all'area di contatto produce minori sollecitazioni di contatto.
- Principi di progettazione di ingegneria meccanica, Liubomir Dimitrov

Nelle applicazioni per biciclette non ci sono né alte velocità né carichi elevati (rispetto ad automobili o macchine industriali). Tuttavia, suppongo che le "minori sollecitazioni da contatto" determinerebbero una durata significativamente maggiore del cuscinetto, anche se acqua e contaminanti penetrano nel cuscinetto. E ancora l'unica volta che ho sentito parlare di cuscinetti a rullini (perni) per biciclette è nel Lefty .

Perché i cuscinetti a sfera vengono utilizzati esclusivamente nelle biciclette, ad esempio nelle cuffie, dove un certo attrito minore non sarebbe un problema?

Penso che molte delle tue assunzioni siano errate:

1. nessuna velocità elevata: le dinamo dei cerchioni girano abbastanza velocemente, fino a 10.000 giri / min, e questo richiede uno sforzo da parte dei progettisti. In genere la ruota motrice su quelle avrà un raggio di circa 1 cm, o una circonferenza di 3 1/3 cm e 30 giri al metro. A 10 m / s (30 km / h) significa 300 rps o 18000 rpm. Questo è il motivo per cui emettono un suono lamentoso così acuto quando sono in uso.
2. nessuna coppia elevata: un ciclista di 100 kg in piedi su una pedivella da 165 mm sta esercitando circa 1 kN a 0,165 m, o 165 Nm. Questa è una coppia paragonabile a un'auto di fascia media. Ho innestato ripetutamente un bullone di trazione da 8 mm nel sistema di trazione della mia bici da carico a quattro ruote, e sostituendo quello con ruote libere industriali ho significato acquistare due delle unità con il punteggio più alto che ho trovato (parti del nastro trasportatore tedesche classificate a 250 Nm)
3. Nessun carico elevato: un ciclista da turismo con 50 kg sul portapacchi posteriore, più metà del suo peso corporeo di 100 kg sta caricando un carico di 100 kg o 1 kN su un asse posteriore cavo da 10 mm di diametro. Gli assi e i forcellini su cui poggiano devono essere realizzati in acciaio duro per sostenere il carico, dove le parti portanti di un'automobile o di un camion sono in genere realizzate in acciaio molto più morbido.
4. Vengono utilizzati solo cuscinetti a sfera: i moderni movimenti centrali sigillati utilizzano comunemente cuscinetti a rulli o ad aghi, così come molte cuffie. I mozzi con ingranaggi interni utilizzano cuscinetti ad aghi da molti anni. Sheldon Brown descrive i cuscinetti a rulli nel suo glossario , per esempio.

La risposta è che vari tipi di cuscinetti sono stati utilizzati nelle biciclette e probabilmente continueranno ad esserlo. Ancora una volta, Sheldon discute dei cuscinetti ad aghi degli ingranaggi del mozzo Shimano di alcuni anni fa e sono ancora citati nel marketing .

Un problema non unico per le biciclette ma particolarmente rilevante per loro è che i cuscinetti più precisi sono più vulnerabili alla sabbia e anche ai danni. Quindi, in particolare, i cuscinetti ad aghi devono essere accuratamente protetti da polvere, sabbia e forze al di fuori della loro gamma di design. Sfortunatamente farlo all'interno di un'unità di sospensione è difficile, e l'ultima volta che ho visto Cannondale non aveva risolto il problema (il mio HeadShock non è realizzabile dopo solo circa 10Mm, ho visto più scosse mancate durante una gara a causa della pioggia leggera e della grana fine che causavano per abituarsi molto rapidamente all'inutilità)

Ma all'interno di un hub o di una cuffia, ad esempio, possono essere sorprendenti. Ho parlato con persone che hanno percorso 20Mm su un Alfine 8, ad esempio, senza problemi.

Innanzitutto non sono d'accordo con il commento sull'alta velocità. I cuscinetti a velocità più elevata sono semplici: i cuscinetti dell'albero motore in un motore di automobile di dimensioni standard sono semplici, mentre in un modello radiocomandato si utilizzano cuscinetti a sfera. Dove la velocità (rpm x diametro) è elevata, l'effetto cuneo d'olio tende a centrare l'albero (lubrificazione idrodinamica). Questo può essere ulteriormente migliorato se l'olio viene pompato.

I cuscinetti a rulli diritti sono ottimi per sostenere carichi radiali, ma inutili per supportare carichi assiali. In assenza di carico assiale (ad esempio un generatore azionato da un motore, direttamente attraverso una scanalatura scorrevole o tramite trasmissione a cinghia) sono una buona soluzione. Nella maggior parte delle applicazioni per biciclette sono presenti forze assiali, pertanto è necessario considerare un totale di 3 cuscinetti: rullo, più spinta assiale in ciascuna delle due direzioni. (in alcune applicazioni potresti trovare un cuscinetto per una piccola spinta assiale, ma non riesco a pensarne uno su una bici.)

I cuscinetti a sfera sono molto più semplici da realizzare e due cuscinetti a sfera formano un ottimo giunto universale. Su una ruota di bicicletta, i due cuscinetti si trovano alle estremità dell'asse, il più lontano possibile, il che è esattamente dove abbiamo bisogno per resistere alla coppia non assiale applicata alla ruota. A questo proposito, la parte centrale di un cuscinetto a rulli non farebbe nulla, quindi potresti volere due cuscinetti a rulli, uno ad ogni estremità, oltre ad alcuni cuscinetti aggiuntivi per la spinta assiale (complicarsi non è vero?) La soluzione migliore è avere un singolo cuscinetto a sfere su ciascuna estremità dell'asse, con una forma conica , che gli consente di resistere alle forze sia radiali che assiali. Esistono cuscinetti a rulli conici, ma hanno bisogno di una gabbia per aiutare a guidare i rulli, il che evita la necessità di quattro cuscinetti su una ruota, ma aggiunge altra complessità.

Infine, le cuffie necessitano sicuramente di una sorta di cuscinetto antifrizione. Esiste un'enorme coppia non assiale: il tuo peso sta cercando di spingere le forche in avanti e in avanti, tranne quando si applicano i freni, quando verranno spinti indietro. Per poter guidare correttamente, è necessario un movimento regolare lì. Chiunque abbia provato a guidare una bicicletta con un auricolare danneggiato saprà che è possibile, ma scomodo e pericoloso.

Le risposte attuali forniscono molte ragioni tecniche per l'uso di cuscinetti a sfera, osservando che altri tipi di cuscinetti sono talvolta utilizzati in bicicletta.

Tuttavia mancano il fattore più importante. I cuscinetti a sfera sono economici!

Vedrai cuscinetti a cartuccia sigillati in molti movimenti centrali, che utilizzano cuscinetti a rulli. Comune anche nelle cuffie. I cuscinetti a sfera sono stati usati più ampiamente fino a circa 10 anni fa. Ma ancora comune nei pedali e nei mozzi.

I cuscinetti a rulli e quelli a sfere sono efficienti. Se prendi cuscinetti a strisciamento per le ruote, ad esempio boccole in PTFE, la bicicletta funzionerà, ma diventerà un po 'pesante da pedalare, non così divertente ... I cuscinetti in plastica rendono anche la bicicletta meno rigida, che può sentirsi a disagio, può facilmente entrare in auto-risonanza e iniziare a vacillare se la frequenza egen è troppo bassa, ma quella parte dipende molto dal design dei dettagli. È possibile utilizzare cuscinetti in metallo bronzo, ma hanno bisogno di lubrificazione.

Per l'auricolare vengono normalmente utilizzati anche cuscinetti a sfera. Ho appena sostituito i cuscinetti a sfera di sicurezza per l'auricolare sulla mia vecchia bicicletta con cuscinetti in delrin (plastica acetalica) fatti in casa che ho fatto sul tornio, perché quello vecchio era arrugginito e ne ho trovato uno un po 'costoso ... Risultato: Sì, i cuscinetti a strisciamento delrin funzionano bene per l'auricolare, sarà più pesante ruotarlo se lo desideri rigidamente come con i cuscinetti a sfera, ma non è un problema ... Può essere un po 'di stick-slip con cuscinetti a strisciamento nella testa -set, questo è probabilmente il motivo principale per cui i cuscinetti a sfera vengono solitamente utilizzati - è rigido e gira liscio - e sentirai il controllo.