Cuscinetto (meccanica)
Il cuscinetto è un dispositivo meccanico utilizzato per ridurre l'attrito tra due oggetti in movimento rotatorio o lineare tra loro.
Storia ed evoluzione
Già Leonardo da Vinci (1452-1519) durante i suoi studi riguardanti l'attrito intuì la possibilità di creare un sorta di primitivo cuscinetto (vedi figura), ma il primo brevetto di cuscinetto a sfera fu proposto da Philip Vaughan di Carmarthen (Galles) nel 1794. Un altro brevetto fu depositato il 3 agosto del 1869 da Jules Suriray, un meccanico di biciclette parigino, che utilizzò questi cuscinetti sulla bicicletta che vinse la prima edizione della corsa Parigi-Rouen nel novembre 1869.
Lo sviluppo degli attuali cuscinetti li si deve a Friedrich Fischer nel 1883. L'evoluzione e la produzione industriale su vasta scala si deve a Henry Timken, per quanto riguarda i cuscinetti a rulli, che fondò la Timken Company nel 1899 e a Sven Gustaf Wingqvist uno dei fondatori della SKF nel 1907.
Introduzione
È costituito da due anelli di diverso diametro, tra i quali sono posizionati gli elementi principali ai quali è affidata la funzione di:
- Supportare l'elemento ruotante
- Ridurre l'attrito di rotazione
- Preservare la sede di rotazione
- Ridurre il pericolo d'intrusione della polvere e detriti nelle aree di lavoro delle sfere
Tipologia
I cuscinetti a seconda delle applicazioni possono essere di diversi tipi, una prima suddivisione li distingue in base al tipo di funzionamento in cuscinetti radenti e in cuscinetti volventi.
Cuscinetti radenti
I cuscinetti radenti, o bronzine devono il loro funzionamento alla pellicola di lubrificante che sostiene il perno rotante.
Cuscinetti volventi
Nei cuscinetti volventi, o a rotolamento il movimento è facilitato dall'interposizione tra parte fissa e perno di elementi volventi (sfere o rulli). I cuscinetti volventi possono essere a loro volta:
- radiali ad una corona di sfere, nei tipi più comuni, generalmente da sette a dieci sfere, sono adatti alla maggior parte delle applicazioni e possono sopportare sia carichi radiali che assiali.
- radiali a due corone di sfere, come i precedenti ma costituiti da due anelli con gole affiancate che alloggiano le relative corone di sfere. Sono adatti a sopportare elevati carichi radiali.
- radiali orientabili a due corone di sfere, adatti ovunque vi sia la possibilità di un disassamento. In questo tipo l'anello interno ha due gole affiancate mentre l'anello esterno ha un'unica gola semisferica, sistema che consente il funzionamento quando gli assi dei due anelli sono inclinati tra di loro. Non sono idonei a sopportare forti spinte assiali.
- obliqui ad una o due corone di sfere, caratterizzati dalla posizione obliqua della retta passante per i punti di contatto tra le sfere e gli anelli rispetto all'asse di rotazione. Rispetto ai cuscinetti radiali hanno il vantaggio di contenere un maggior numero di sfere e di poter sopportare carichi radiali e spinte assiali più elevati. Quelli ad una corona di sfere vanno sempre utilizzati in coppia.
- a rulli, come per quelli a sfere possono essere ad una o due corone di rulli ed essere rigidi od orientabili. I rulli sono impiegati nei casi in cui occorra la massima precisione di lavoro e possono avere forma:
- cilindrica
- conica, impiegata quando sull'albero su cui è montato grava una forte spinta assiale. In questa variante i cuscinetti sono generalmente utilizzati in coppia con la conicità contrapposta.
- A botte, dove il rullino ha la forma di una botte
- ad aghi o rullini, variante dei cuscinetti a rulli cilindrici, composti da i due anelli sfilabili e rulli più piccoli di diametro. Utilizzati quando lo spazio è limitato e idonei a reggere solo carichi radiali.
Cuscinetti magnetici
I cuscinetti magnetici funzionano a induzione magnetica: sono privi d'attrito volvente e pertanto efficienti anche in condizioni estreme di temperatura (sempre entro la temperatura di Curie del sistema magnetico)e non necessitano di lubrificazione. I cuscinetti magnetici migliorano le prestazioni, l'affidabilità e la compatibilità ambientale delle macchine rotanti aumentando le loro efficienze.
Struttura
Il cuscinetto è composto da:
- Anello esterno elemento circolare più grande ed esterno
- Anello interno elemento circolare più piccolo ed interno
- Componente/i di rotolamento nel caso di cuscinetti meccanici sono i vari tipi di rulli e relative gabbie, mentre nel caso dei cuscinetti magnetici è il campo magnetico generato dagli anelli
Costruzione
I cuscinetti possono essere costruiti in modo da essere:
- Monoelemento il cuscinetto non si può alterare nella sua struttura senza che questo venga danneggiato, in quanto non è creato per essere diviso nelle sue diverse parti
- Smontabili, classico esempio dei cuscinetti dei mozzi delle biciclette e dei motocicli, dove l'anello esterno viene tenuto chiuso dalla forcella e il dado (elemento esterno)
- Scomponibili questo cuscinetti si dividono in due mezzelune, in modo da poter essere usati su punti più stretti di alcuni alberi motore e che non permettono un inserimento normale
Descrizione e schermatura
Le sfere e rulli sono mantenuti equidistanti tra di loro mediante una struttura chiamata gabbia la quale può essere in acciaio, ceramica o materiale plastico, mentre nel caso di cuscinetti magnetici non si ha questa struttura.
Sono commercializzati nella versione:
- Chiusa dove le parti volventi del cuscinetto sono protette dagli agenti esterni. Possono essere di due tipi:
- Schermati in questi cuscinetti le sfere o i rulli sono protetti all'interno dei due anelli da una coppia di sottili flange metalliche. Questo tipo di protezione è efficace contro la polvere;
- Stagni in questi cuscinetti le sfere o i rulli sono protetti all'interno dei due anelli da una coppia di sottili flange di gomma, a tenuta stagna. In questo caso il necessario lubrificante, sufficiente per l'intera vita del cuscinetto, è inserito dal costruttore in fase di assemblaggio. Questo tipo di protezione è efficace sia contro la polvere sia contro i fluidi;
- Aperta dove le parti volventi sono esposte all'ambiente esterno, e perciò non è consigliabile usarli in ambienti gravosi (presenza di polvere o fluidi corrosivi)
Lubrificazione dei cuscinetti
La lubrificazione di un cuscinetto a sfere o rulli è fondamentale, in quanto è provato che in assenza di lubrificante viene danneggiato irrimediabilmente in breve tempo.
La lubrificazione assolve determinate funzioni, ovvero:
- Agevola lo scorrimento delle sfere, o dei rulli, riducendo sensibilmente gli attriti e il consumo delle parti in movimento.
- Protegge il cuscinetto dalla corrosione degli agenti esterni e dalle impurità.
- Dissipa il calore che inevitabilmente si crea a causa dello scorrimento e degli attriti.
La lubrificazione può essere sia a grasso che a olio. Solitamente viene utilizzata la lubrificazione a grasso, ma in condizioni particolari è preferibile quella a olio, in particolare all'interno di meccanismi lubrificati ad olio dove è difficile, se non impossibile, separare la lubrificazione dei cuscinetti da quella delle altre parti.
Lubrificazione a grasso
La lubrificazione a grasso è preferibile rispetto a quella ad olio ogni qualvolta sia possibile, perché presenta diversi vantaggi:
- Il grasso è facilmente trattenuto dalla sede.
- Sono sufficienti dispositivi di lubrificazione semplici ed economici.
- Il grasso protegge meglio il cuscinetto dalle impurità e dalla corrosione.
Per contro, il grasso è utilizzabile solo a velocità non elevate, non raggiunge supporti difficilmente accessibili e a causa della sua densità non si presta alla lubrificazione di piccoli cuscinetti, specialmente a rullini.
L'alloggiamento va riempito di grasso solo per il 30-50%, mentre viene completamente riempito quando la protezione dalla corrosione è predominante e si hanno velocità di rotazione molto basse.
Nei piccoli cuscinetti spesso la lubrificazione a grasso viene eseguita una volta per tutte in fase di montaggio, mentre in quelli di medie e grandi dimensioni va eseguita regolarmente.
Se la rilubrificazione va eseguita a intervalli di tempo regolari, bisogna semplicemente prevedere un coperchio rimovibile tramite il quale si estrae il vecchio grasso per inserire quello nuovo. Invece se deve essere eseguita più frequentemente bisogna prevedere un ingrassatore che fa sfociare il grasso direttamente sui corpi volventi, e una camera per quello vecchio.
Un'applicazione diffusissima di cuscinetti lubrificati a grasso è nei mozzi delle ruote dei veicoli.
Lubrificazione ad olio
Questo tipo di lubrificazione va invece preferito quando le condizioni d'impiego sconsigliano l'uso del grasso, ovvero quando:
- La velocità di rotazione del cuscinetto è molto elevata e sconsiglia l'uso di grasso.
- Bisogna asportare efficacemente il calore generato dal cuscinetto o proveniente dall'esterno.
- I supporti sono difficilmente accessibili e bisogna controllare frequentemente la presenza di lubrificante.
- I corpi volventi sono piccoli e difficilmente accessibili dai grassi, come i cuscinetti a rullini.
Naturalmente la lubrificazione ad olio presenta diversi svantaggi, infatti richiede organi di tenuta migliori e più costosi.
Fondamentale è la perfetta tenuta ermetica dei supporti e la possibilità di controllare la presenza di lubrificante.
Principalmente ci sono 4 diversi tipi di lubrificazione:
- Lubrificazione a bagno d'olio.
- Lubrificazione a circolazione.
- Lubrificazione ad iniezione sotto pressione.
- Lubrificazione a nebbia.
Lubrificazione a bagno d'olio
È una soluzione semplice ed economica particolarmente indicata quando la velocità di rotazione è bassa. Durante la rotazione i corpi volventi pescano l'olio e lo distribuiscono in tutto il cuscinetto.
I corpi volventi sono immersi nell'olio contenuto all'interno dell'alloggiamento. Il livello dell'olio, a cuscinetto fermo, è leggermente inferiore al centro del corpo volvente posto più in basso. Tale livello può essere ulteriormente ridotto quando la velocità di rotazione è particolarmente elevata, al fine di limitare lo sbattimento, e quindi l'invecchiamento, dell'olio. Proprio a causa di questo sbattimento l'olio in questo sistema deve essere sostituito con una certa frequenza.
Lubrificazione a circolazione
È un sistema efficace che consente di avere costantemente nel cuscinetto piccole quantità d'olio. Il lubrificante può essere fatto circolare sia internamente che esternamente al cuscinetto.
Nella circolazione interna l'olio viene fatto affluire al cuscinetto tramite apposite bussole coniche che, ruotando ad alta velocità, lanciano l'olio sui corpi volventi.
In caso di velocità particolarmente elevate è preferibile la circolazione esterna, che permette di avere sempre piccole quantità di olio nel cuscinetto, mentre il lubrificante viene raffreddato e filtrato, al fine di avere basse temperature d'esercizio.
Anche gli oliatori a goccia possono essere classificati come a circolazione: in questi sistemi l'olio viene fatto gocciolare sui corpi volventi e successivamente raccolto in una vaschetta sottostante, avente un foro di sfiato per convogliare l'olio in eccesso.
Lubrificazione a iniezione
In questo sistema l'olio viene pompato a una pressione elevata tramite una pompa e viene fatto uscire ad elevata velocità sui corpi volventi da appositi ugelli. Tale velocità deve essere elevata, circa 15 m/s, e almeno parte dell'olio deve attraversare il vortice creato dai corpi volventi a elevata velocità.
Lubrificazione a nebbia
In questo sistema l'olio viene nebulizzato finemente con un getto d'aria da un apposito ugello nebulizzatore.
Viene impiegata aria compressa, che va essiccata e filtrata, a una pressione leggermente superiore a quella atmosferica. Con questo sistema si ottiene un ottimo raffreddamento del cuscinetto e si realizza un supporto avente una pressione leggermente superiore a quella atmosferica, il che impedisce l'ingresso di sostanze estranee.
Gioco cuscinetti
I cuscinetti per poter funzionare devono avere un determinato gioco, in modo che andando in temperatura d'esercizio la loro dilatazione termica non porti a un serraggio del cuscinetto, compromettendo sia la scorrevolezza che la durata e la resistenza del cuscinetto.
Il gioco in questione è di due tipi:
- Radiale, Gioco che determina lo spostamento radiale (disassamento) dell'anello interno del cuscinetto, caratterizzato dallo spazio vuoto che si ha tra le sfere/rulli e i due anelli, dove il gioco radiale standard non viene nominato/trascritto sul cuscinetto, mentre giochi maggiori o minori sono impressi sullo stesso, le sigle che vanno da C3 in su indicano giochi maggiori, mentre sigle che vanno da C2 in giù indicano giochi minori;
Esistono anche esecuzioni speciali per questi giochi, dove la sigla del codice di gioco viene munita con il prefisso "SP" e generalmente si ha un gioco intermedio tra due classi giuoco[1]. - Assiale, Gioco che determina lo spostamento assiale (lungo l'asse) dell'anello interno del cuscinetto[2].
Bibliografia
- Luigi Caligaris, Stefano Fava, Carlo Tomasello, Manuale di meccanica, Milano, Ulrico Hoepli Editore S.p.A., 2006. ISBN 88-203-2901-8
Note
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