Cuscinetti a strisciamento e lubrificazione

Cuscinetti a strisciamento e lubrificazione

Il concetto di cuscinetto, applicato a una macchina o una struttura, si riferisce al contatto delle superfici attraverso le quali viene trasmesso un carico. Quando le superfici si trovano in movimento relativo, è di solito auspicabile minimizzare l’attrito e l’usura.

Qualsiasi sostanza interposta che riduca l’attrito e l’usura è un lubrificante. I lubrificanti sono solitamente liquidi ma può essere un solido, come la grafite o Teflon, o un gas, come l’aria compressa.

I lubrificanti liquidi, ovvero gli oli, sono caratterizzati dalla loro viscosità , ma sono importanti anche altre loro proprietà. Gli oli lubrificanti hanno nomi che riflettono queste proprietà. Gli oli moderni contengono solitamente uno o più additivi per permettere all’olio di fluire a temperature più basse, additivi che abbassano il punto di scorrimento; o che limitano le variazioni di viscosità con la temperatura, additivi che migliorano l’indice di viscosità; o che eliminano la formazione di schiuma quando agitati da macchine ad alta velocità, additivi anti-schiuma. E molti altri: gli inibitori di ossidazione, gli inibitori di corrosione, additivi detergenti e disperdenti, additivi antiusura.

I grassi sono lubrificanti liquidi che sono stati addensati per poter fornire proprietà non ottenibili dai lubrificanti liquidi. I grassi sono di solito utilizzati quando il lubrificante deve essere mantenuto in posizione, specialmente quando una frequente lubrificazione sarebbe difficile o costosa. Spesso, rimanendo sul posto per fornire lubrificazione, il grasso serve anche per evitare che contaminanti nocivi possano entrare tra le superfici in moto. A differenza degli oli, i grassi non possono circolare e quindi non sono utili a fornire un raffreddamento o una funzione di pulizia. A parte questo, i grassi svolgono tutte le funzioni degli oli lubrificanti.

Cuscinetti a strisciamento

I cuscinetti a strisciamento richiedono un contatto diretto tra l’elemento caricato ed il suo supporto, a differenza dei cuscinetti a rotolamento, dove sfere o rulli sono interposti tra le superfici di scorrimento.

I cuscinetti a strisciamento (chiamati anche cuscinetti semplici) possono essere di due tipi: (1) i cuscinetti radiali (sleeve bearings), che sono di forma cilindrica e sopportano carichi radiali (ovvero perpendicolari all’asse dell’albero); (2) i cuscinetti assiali (thrust bearings), che sono generalmente piatti e, nel caso di un albero rotante, sopportano i carichi nella direzione dell’asse dell’albero.

Cuscinetti assiali e radiali. L'albero è supportato da due cuscinetti di banco e collegato alla biella dal cuscinetto di biella. Tutti e tre sono cuscinetti radiali.
Figura 1; Cuscinetti assiali e radiali. L’albero è supportato da due cuscinetti di banco e collegato alla biella dal cuscinetto di biella. Tutti e tre sono cuscinetti radiali. Le flange dei cuscinetti di banco fungono da cuscinetti di spinta (assiali), o semplicemente cuscinetti, che frenano il movimento assiale dell’albero. Bibliografia citata.

La figura 1 mostra un albero a gomito supportato da due cuscinetti di banco, ciascuno consistente di una parte cilindrica con un’estremità flangiata che funge da cuscinetto di spinta. Le parti cilindriche dell’albero a contatto con i cuscinetti sono chiamate perni. Le parti piane contro i cuscinetti reggispinta sono dette superfici di spinta. I cuscinetti potrebbero essere solidali con il telaio o il carter motore ma sono solitamente sottili gusci che possono essere facilmente sostituiti e aventi superfici di un materiale appropriato, come babbitt o bronzo.

Quando il carico radiale su un cuscinetto è sempre in una direzione, come nei cuscinetti dell’asse dei vagoni per il trasporto ferroviario di merci, che consentono di sostenere il peso della vettura stessa, la superficie di appoggio è solo una parte della intera superficie cilindrica (di solito da 60° a 180°), fornendo quindi un cuscinetto parziale. Noi considereremo solo cuscinetti a 360° o interi.

Quando le operazioni di montaggio e smontaggio non richiedono che un cuscinetto debba essere diviso in parti, l’inserto del cuscinetto può essere costituito da un guscio cilindrico di un unico pezzo che viene forzato in un foro del telaio. Questo inserto del cuscinetto è anche conosciuto come boccola.

Tipi di lubrificazione

La lubrificazione è comunemente classificata a seconda del grado con cui il lubrificante separa le superfici di scorrimento.

  1. Nella lubrificazione idrodinamica le superfici sono completamente separate dalla pellicola lubrificante. Il carico che tende a riunire le superfici è sopportato completamente dalla pressione del fluido generata dal movimento relativo delle superfici (come la rotazione dell’albero). Non si verifica usura superficiale, e le perdite per attrito provengono solo all’interno del film lubrificante. Gli spessori di pellicola tipica nel punto più sottile (designato con h_{0} ) sono da 0.008 a 0.020 mm. I valori tipici del coefficiente di attrito (f) sono da 0,002 a 0,010 mm.
  2. Nella lubrificazione mista le creste di rugosità superficiale sono a contatto in modo intermittente, e il supporto idrodinamico è parziale. Con progetto adeguato, l’usura superficiale può essere lieve. I coefficienti di attrito sono comunemente compresi tra 0,004 e 0,10 mm.
  3. Nella lubrificazione limite la superficie di contatto è continua ed estesa, ma il lubrificante è continuamente “spalmato” sulle superfici e fornisce una pellicola superficiale continuamente rinnovata che riduce l’attrito e l’usura. Valori tipici di f sono compresi tra 0,05 e 0,20 mm.
  4. Il tipo di lubrificazione maggiormente desiderabile è ovviamente quella idrodinamica, e su questa ritorneremo in un prossimo articolo.

    Una separazione completa delle superfici può essere ottenuta anche con la lubrificazione idrostatica. Un fluido altamente pressurizzato come aria, olio o acqua viene introdotto nella zona di carico-cuscinetto. Poiché il fluido è mantenuto in pressione da mezzi esterni, la completa separazione delle superfici può essere ottenuta in presenza o meno di movimento relativo tra le due superfici. Il vantaggio principale è l’estremamente basso attrito che si ha in tutte le situazioni, anche durante l’avviamento o a bassa velocità. Gli svantaggi sono il costo, la complicazione e l’ingombro della sorgente esterna di pressurizzazione del fluido. Per tali motivi la lubrificazione idrostatica viene utilizzata solo per applicazioni speciali.

    Bibliografia: Fundamentals of Machine Component Design, ROBERT C. JUVINALL-KURT M. MARSHEK, Wiley