I cuscinetti a strisciamento realizzano un accoppiamento che permette una rotazione relativa fra due componenti tramite l’opportuna realizzazione delle superfici a contatto. Queste sono solitamente rifinite tramite rettifica, oppure realizzate con un accoppiamento specifico fra due materiali diversi, o ancora grazie all’interposizione di lubrificante
Davide Crivelli
I cuscinetti a strisciamento sono preferibili ai cuscinetti a rotolamento nei casi in cui lo spazio di montaggio sia limitato o quando è necessario operare in presenza di urti e vibrazioni. Sono più economici dei cuscinetti a rotolamento qualora fosse necessario realizzare diametri molto grandi o molto piccoli, e permettono regimi di rotazione molto elevati garantendo anche un attrito minimo nel caso dell’impiego di lubrificante.
Tra gli svantaggi principali, per ovviare ai quali si ricorre solitamente ai cuscinetti a rotolamento, vi è il pericolo di strisciamento a strappi dovuto a una non ottimale formazione dello strato di sostegno di lubrificante; non sono standardizzati e la sostituzione non è solitamente prevista, o risulta più difficoltosa.
Lubrificazione
L’attrito più elevato, e di conseguenza lo sviluppo di calore nei cuscinetti a strisciamento può essere ridotto adottando le misure seguenti.
Interporre uno strato lubrificante che separi le superfici attive, costituito da olio, acqua, gas o lubrificante solido. La maggior parte dei cuscinetti a strisciamento è lubrificata con olio minerale; lo strato lubrificante può essere prodotto dal cuscinetto stesso attraverso la rotazione, oppure essere realizzato esternamente e mantenuto, in modo idrostatico, da apposite pompe.
Le condizioni di funzionamento di un cuscinetto a strisciamento lubrificato sono rappresentate nel diagramma di Stribeck (Figura 1).
Tali condizioni di funzionamento possono verificarsi sia in un cuscinetto a strisciamento lubrificato in modo idrodinamico che in un cuscinetto lubrificato in modo idrostatico, a seconda che tra le superfici di strisciamento venga pompata una quantità più o meno elevata di liquido. Nel cuscinetto idrostatico, però, già con velocità nulla è possibile che ci sia uno strato lubrificante di separazione; il ramo della curva di Stribeck relativo all’attrito limite e misto manca e le perdite per attrito di conseguenza sono ridotte.
Con velocità lente la lubrificazione è carente, avviene il contatto fra i corpi e di conseguenza si verifica usura. Questo riguarda in genere tutte quelle applicazioni che presentano avviamenti ed arresti frequenti, movimenti oscillanti e operazioni di manovra.
Grazie ad un accoppiamento di materiale idoneo albero/cuscinetto, eventualmente garantendo una lubrificazione iniziale per mezzo di lubrificante solido (cuscinetto a secco) o utilizzando cuscinetti sinterizzati impregnati in olio o grasso, si possono ridurre i coefficienti di attrito. Il calore generato è asportato solo tramite l’albero e il guscio dei cuscinetto, e non grazie all’azione del lubrificante.
Per applicazioni particolari è inoltre possibile la separazione delle superfici attive tramite forza magnetica (cuscinetto con traferro) o per mezzo di un liquido magnetico (cuscinetto con liquido magnetico). Il funzionamento di questi cuscinetti è senza usura, però, a causa dell’attrito dell’aria o dei liquido e dello smorzamento magnetico, l’impiego di questi cuscinetti non è privo di perdite.
Calcolo della capacità di carico
Un importante fattore d’influenza per la capacità di carico del cuscinetti a strisciamento è la velocità cumulativa U (D ω/2), che è determinante per la realizzazione di uno strato lubrificante idrodinamico. In presenza di attrito di corpo solido, il fattore d’influenza principale è invece la velocità di strisciamento.
Per i cuscinetti a strisciamento idrodinamici e idrostatici si ottiene un funzionamento privo di usura quando uno strato lubrificante sufficientemente spesso impedisce il contatto dei corpi solidi. Per quanto riguarda la vita nominale del lubrificante e la resistenza dei materiale dei cuscinetto alle alte temperature di esercizio, non si deve superare un valore limite Tlim; Come parametro rilevante per la valutazione del materiale del cuscinetto normalmente si utilizza la pressione di contatto media , ed è richiesto che .
Condizioni di funzionamento
Per garantire la trasmissione delle forze, è necessario mantenere lo strato di lubrificante in pressione. Questa pressione determina un flusso del liquido, il cosiddetto flusso forzato; con il moto relativo tra le superfici di scorrimento si aggiunge il flusso di trascinamento.
In fessure strette e lunghe (così come avviene nei cuscinetti a strisciamento) prevale l’influenza dell’attrito, mentre si possono tralasciare le forze di accelerazione (flusso forzato o di Hagen Poiseuille).
Quando invece due piastre parallele in un meato pieno di liquido sono spostate parallelamente l’una all’altra, si verifica un flusso trascinato laminare privo di pressione (flusso di Couette).
La direzione della pressione nel meato reale di un cuscinetto a strisciamento corrisponde a quello del flusso forzato (vedi figura 15.3). Lo sviluppo della velocità si ottiene sommando le percentuali di flusso forzato e di flusso trascinato. Questo è il principio attivo dei cuscinetti a strisciamento idrodinamici (Figura 2).
Cuscinetti idrodinamici radiali
La Figura 3 mostra la distribuzione della pressione di lubrificazione che si crea con la rotazione dell’albero.
I più importanti sono i cuscinetti a strisciamento con flusso laminare nel meato. Per sapere se questa condizione sussiste, è necessario verificare il coefficiente di Reynolds:
dove Ψ è il gioco radiale del cuscinetto. Se Re è superiore al valore limite, si verifica un flusso turbolento; il metodo di calcolo qui presentato non è quindi più utilizzabile.
Resistenza e coefficiente d’attrito
Per caratterizzare la resistenza idrodinamica si introduce il numero di Sommerfeld (So):
Per cuscinetti radiali ideali, e quindi quasi privi di carico, si definisce il coefficiente di attrito come:
Per i cuscinetti radiali reali soggetti a carico non trascurabile la trattazione tiene conto del fatto che, a causa del flusso forzato, l’albero è compresso lateralmente ed innalzato fino al raggiungimento dell’equilibrio tra il carico esterno e la pressione di lubrificazione. L’albero gira in modo eccentrico; il centro dell’albero si sposta con l’aumentare dello spessore dello strato lubrificante fino quasi a descrivere un semicerchio.
A tal fine si ricava il coefficiente di attrito come:
dove ε è l’eccentricità relativa, e β è l’angolo di spostamento, per il cui calcolo si fa riferimento ai paragrafi successivi.
Il campo di funzionamento del cuscinetto reale soggetto a carico per 0,8 <So <8 non presenta alcun problema.
Con So < 0,8, cioè in caso di gioco limitato del cuscinetto, olio viscoso, assenza di carico, velocità di rotazione elevata, si verificano condizioni potenzialmente pericolose: l’albero è spostato bruscamente dalla posizione di riposo, il centro dell’albero si avvicina al centro dei cuscinetto, l’eccentricità diminuisce; eventuali forze aggiuntive di lieve entità possono spostare l’albero dalla posizione di equilibrio con pericolo d’insorgenza di oscillazioni, instabilità; l’olio viene fortemente sollecitato allo scorrimento e di conseguenza viene portato ad un riscaldamento non ammissibile.
Con So > 8, ovvero in caso di gioco del cuscinetto elevato, olio poco viscoso, carico elevato, velocità di rotazione bassa, l’albero gira prossimo alla posizione di riposo, cioè con eccentricità elevata; lo strato lubrificante è sottile e quindi sussiste il rischio di comparsa dell’attrito misto con conseguente insorgenza di usura.
La pressione di contatto media deve essere verificata a parte; essa deve essere inferiore al valore ammissibile per il materiale del cuscinetto. In generale per i materiali tipici dei cuscinetti a strisciamento i valori sono compresi fra i 5 e i 10 MPa; si possono ammettere valori fino a 20 MPa per velocità di scorrimento molto basse.
Il rapporto di larghezza del cuscinetto B/D dovrebbe essere scelto tra 0,4 e 1; per cuscinetti centrali B/D < 0,5. Con macchine a turbina si consiglia B/D = 0,8; in motoristica B/D < 1,25.
Con B/D <0,4 il forte flusso d’olio laterale compromette la formazione dello strato lubrificante. Con B/D> 1 sussiste il serio pericolo di un contatto sugli spigoli dovuto alla posizione trasversale e/o all‘inflessione elastica.
Se il lubrificante è prestabilito in base alle condizioni di funzionamento o al campo delle applicazioni, il cuscinetto a strisciamento deve essere dimensionato per la viscosità corrispondente; in caso contrario si sceglie il lubrificante, e quindi la viscosità, unicamente in base alle condizioni di funzionamento dei cuscinetto.
Elevata viscosità dinamica significa numero di Reynold basso, e dunque campo più sicuro del flusso laminare, elevato spessore dello strato lubrificante (elevata resistenza), minore velocità di rotazione di passaggio, ma elevata azione dì attrito (forte riscaldamento), bassa portata di lubrificante (è necessaria una pompa di maggiore potenza). Con velocità di rotazione elevate è perciò necessaria una bassa viscosità.
Parametri caratteristici delle condizioni di funzionamento
Il funzionamento senza usura si ottiene quando le superfici attive sono separate da uno strato di lubrificante che ha spessore maggiore della somma della rugosità e dell’errore di forma (in particolare l’ondulazione): si deve garantire uno spessore di strato lubrificante di passaggio minimo hmin,l tale per cui
In questo modo si tiene conto del fatto che la rugosità dell’albero più duro, che assorbe la forza periferica, esercita l’influenza più forte, mentre la rugosità del foro del cuscinetto meno resistente, che invece assorbe la forza statica, è ridotta in modo più incisivo dall’assestamento.
In condizioni di funzionamento lo spessore dello strato lubrificante nel punto più stretto sulla circonferenza si assesta su
Lo spessore minimo dello strato lubrificante ammissibile in funzionamento hum deve avere una distanza di sicurezza sufficiente superiore allo spessore dello strato lubrificante di passaggio. Come valore indicativo si può ipotizzare hmin = 1,25 hmin,l:
La posizione dell’albero sottoposto a carico durante il funzionamento è indicata dall’eccentricità ε e dall’angolo β. Durante il funzionamento si riscontra la seguente eccentricità relativa:
Per il calcolo dell’angolo di spostamento si rimanda al diagramma di Figura 4.
Forma costruttiva
I cuscinetti sono spesso integrati in proprie sedi. Come componenti indipendenti esistono cuscinetti ritti, cuscinetti flangiati e cuscinetti ad occhio, reperibili anche come cuscinetti normali (Figura 5).
Se il tipo di montaggio consente l’impiego di cuscinetti non divisi, in genere si utilizzano bussole massicce che sono pressate (o incollate) nei fori delle sedi dei cuscinetti.
Le bussole massicce sono di forma stabile e convenienti; possono essere considerate come componenti normali. Nel caso si debbano assorbire forze assiali anche minime si deve ricorrere a bussole con flangia, con assi fermi spesso le bussole di serraggio.
Se l’albero deve essere inserito radialmente si devono utilizzare gusci di cuscinetti divisi. Sono costosi, hanno scarsa stabilità di forma e devono perciò essere supportati rigidamente nel foro della sede.
I cuscinetti composti assicurano in genere un’elevata resistenza e buone proprietà di scorrimento.
